TỔNG QUAN VIỄN THÁM
Định nghĩa
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học và nghệ thuật nhằm thu thập thông tin về đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu thu được từ các phương tiện không tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản;
Viễn thám là phương pháp thăm dò từ xa, cho phép thu thập thông tin về một đối tượng hoặc hiện tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
Viễn thám là khoa học nghiên cứu và thu thập thông tin từ xa về các đối tượng và hiện tượng trên Trái Đất Mặc dù có nhiều định nghĩa khác nhau, tất cả đều nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thu nhận dữ liệu từ xa để hiểu rõ hơn về môi trường và các sự kiện xảy ra trên hành tinh.
Ngoài ra, có thể tham khảo thêm một số định nghĩa của các tác giả dưới đây:
Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976)
Viển thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoáng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976)
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu việc thu thập thông tin từ các đối tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp, thông qua việc đo lường từ xa Hiện nay, các hệ viễn thám chủ yếu đo năng lượng điện từ phát ra từ các vật thể quan tâm.
Viễn thám là công nghệ thu thập thông tin về bề mặt đất và mặt nước của Trái Đất thông qua việc sử dụng hình ảnh từ các thiết bị chụp ảnh, áp dụng bức xạ điện từ, bao gồm cả đơn kênh và đa phổ Công nghệ này cho phép phân tích bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt Trái Đất, mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong nghiên cứu môi trường và quản lý tài nguyên.
Viễn thám là một lĩnh vực kết hợp giữa khoa học và nghệ thuật, nhằm thu thập thông tin về các đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu từ các phương tiện không tiếp xúc Theo Lillesand và Kiefer (1986), viễn thám cho phép khảo sát một cách hiệu quả mà không cần tiếp cận trực tiếp với đối tượng nghiên cứu.
Phương pháp viễn thám là kỹ thuật sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, và sóng cực ngắn để nghiên cứu và đo đạc các đặc tính của đối tượng Theo Floy Sabin (1987), định nghĩa này không bao gồm các quan trắc về điện, từ và trọng lực, vì chúng thuộc lĩnh vực địa vật lý và chủ yếu đo lường các trường lực thay vì bức xạ điện từ.
Lịch sử phát triển của viễn thám
Viễn thám, một lĩnh vực khoa học phát triển mạnh mẽ trong hơn ba thập kỷ qua, đã bắt đầu với công nghệ vũ trụ cho phép thu nhận ảnh số từ vệ tinh vào những năm 1960 Tuy nhiên, lịch sử viễn thám có nguồn gốc lâu đời, bắt đầu từ việc chụp ảnh bằng phim và giấy ảnh Vào năm 1839, Louis Daguerre đã công bố công trình nghiên cứu về hóa ảnh, đánh dấu sự khởi đầu của ngành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 bởi Gaspard Felix Tournachon, người Pháp, khi ông sử dụng khinh khí cầu để đạt độ cao 80m và chụp ảnh vùng Bievre, Pháp Một trong những bức ảnh tiếp theo của ông là ảnh chụp vùng Boston.
Sự ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của ngành chụp ảnh quang học, sử dụng phim và giấy ảnh nhạy cảm với ánh sáng Công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho phép nghiên cứu mặt đất thông qua các bức ảnh chồng phủ và khả năng nhìn ảnh nổi, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc chỉnh lý, đo đạc và tách lọc thông tin từ ảnh Ngành chụp ảnh này, được thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn, được gọi là ngành chụp ảnh hàng không.
Không ảnh là những bức ảnh được chụp từ ngành chụp ảnh hàng không Bức ảnh đầu tiên được ghi lại từ máy bay vào năm 1910, do Wilbur Wright, một nhiếp ảnh gia người Ý, thực hiện bằng cách chụp ảnh di động gần khu vực Centoccli, Ý.
Bảng 1.1 Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện
1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại
1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng
1847 Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy
1850-1860 Chụp ảnh từ kinh khí cầu
1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ
1909 Chụp ảnh từ máy bay
1910-1920 Giải đoán từ không trung
1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không
1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar ( Đức, Mỹ, Anh)
1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay
1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy
1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
12-4-1961 Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ
1960-1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám
1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1
1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số
1980-1990 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ linh Landsat
1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
Từ năm 1990 đến nay, đã có sự phát triển đáng kể trong việc chế tạo bộ cảm thu đa phổ, với việc mở rộng dải phổ và tăng số lượng kênh phổ, đồng thời nâng cao độ phân giải của các bộ cảm Bên cạnh đó, nhiều kỹ thuật xử lý mới cũng được phát triển, góp phần cải thiện hiệu suất và ứng dụng của các bộ cảm này.
Các ảnh vệ tinh NOAA, với độ phủ rộng và tần suất lặp lại hàng ngày, đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu môi trường và khí hậu trái đất, cho phép theo dõi các hiện tượng khí hậu trong khí quyển như nhiệt độ, áp suất nhiệt đới và dự báo bão.
Sự phát triển trong nghiên cứu trái đất bằng viễn thám đã được thúc đẩy nhờ vào việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mới, đặc biệt là việc sử dụng ảnh radar Viễn thám radar tích cực cho phép thu nhận ảnh thông qua việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi, giúp thực hiện các nghiên cứu độc lập mà không bị ảnh hưởng bởi thời tiết mây Sóng radar có khả năng xuyên thấu qua mây, lớp đất và thực vật, hoạt động hiệu quả cả ngày lẫn đêm mà không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời Những bức ảnh đầu tiên được ghi nhận từ hệ radar SLAR trên bộ cảm Seasat, cho thấy sóng radar rất nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật thể, từ đó ứng dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu cấu trúc của các khu vực.
Công nghệ máy tính hiện đại đã phát triển mạnh mẽ, cùng với phần mềm chuyên dụng, hỗ trợ phân tích ảnh vệ tinh và ảnh radar Trong thời đại Internet bùng nổ, kỹ thuật xử lý ảnh số kết hợp với Hệ thống thông tin Địa lý (GIS) đã nâng cao khả năng nghiên cứu Trái đất qua viễn thám, mang lại hiệu quả cao hơn.
Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Viễn thám là phương pháp nghiên cứu đối tượng thông qua việc giải đoán và tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh chụp hàng không hoặc ảnh vệ tinh số.
Dữ liệu hình ảnh được thu thập từ năng lượng bức xạ (bao gồm ảnh không và ảnh vệ tinh) cùng với sóng phản hồi (ảnh radar) phát ra từ vật thể trong quá trình khảo sát Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cung cấp thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ, giúp nâng cao độ chính xác trong việc giải đoán đối tượng.
Hình 1.1 Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm
Nếu chúng ta nắm rõ phổ phát xạ và phản xạ chuẩn của vật thể trong phòng thí nghiệm, được xác định qua các máy đo phổ, thì có thể phân tích đường cong phổ thu được từ ảnh vệ tinh để giải đoán vật thể.
Phần mềm xử lý ảnh số được phát triển để cung cấp thông tin về phổ bức xạ của các vật thể hoặc hiện tượng trong vùng phủ ảnh Kỹ thuật xử lý ảnh số giúp hiển thị rõ ràng hình ảnh và tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh số, dựa trên các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra.
Hiện nay, có nhiều phần mềm xử lý ảnh số phổ biến như IDRISI, ERDAS (PC), ERDAS Imagine (UNIX), PCI và ERMAPER Các phần mềm này cung cấp nhiều phương pháp hiệu quả để xử lý và phân tích ảnh số.
DRAGON, ENVLILWIS, GLOBAL MAPPER, QGIS, ARCGIS, ENVI…
Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám được thực hiện dựa trên các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là:
1 Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìn thấy đến sóng radar
2 Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các độ cao khác nhau, như 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 người điều khiển hoặc tự động
3 Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau
4 Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian, phổ và thời gian
5 Đa phương pháp: Xử lý ảnh bằng mắt và bằng số.
Phân loại viễn thám
Sự phân biệt 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 phương thức phân loại viễn thám chính là:
• Phân loại theo nguồn tín hiệu
Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám được chia làm hai loại:
Hình 1.2 Sơ đồ mô tả hai hệ thống viễn thám chủ động và bị động
- Chủ động (active) : nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường 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
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với công nghệ vũ trụ đang trở nên phổ biến trên toàn cầu Các quốc gia có nền tảng công nghệ vũ trụ phát triển đã phóng nhiều vệ tinh vào quỹ đạo, trang bị nhiều thiết bị viễn thám khác nhau Hệ thống trạm thu mặt đất phân bố rộng rãi trên toàn cầu có khả năng tiếp nhận đa dạng tư liệu viễn thám do vệ tinh truyền tải.
• Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực)
Hình 1.3: Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)
Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là:
Vệ tinh địa tĩnh là loại vệ tinh có tốc độ quay tương đương với tốc độ quay của Trái Đất, giúp nó duy trì vị trí cố định so với bề mặt Trái Đất.
Vệ tinh quỹ đạo cực là loại vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo gần vuông góc với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất Tốc độ quay của vệ tinh này khác với tốc độ quay của Trái Đất, được thiết kế để đảm bảo thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trùng với giờ địa phương Thời gian thu lặp lại của mỗi vệ tinh là cố định, ví dụ như LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 26 ngày và SENTINEL là 14 ngày.
Trên hai nhóm vệ tinh, có thể áp dụng nhiều phương pháp thu nhận thông tin khác nhau tùy thuộc vào thiết kế của nhà chế tạo Các nguyên tắc thu nhận hình ảnh bao gồm: thu thập chủ động, thu thập bị động, chụp khung, quét dọc, quét ngang và quét bên sườn.
Phân loại bộ cảm
1.5.1 Khái niệm chung về bộ cảm
Bộ cảm là thiết bị thu nhận năng lượng bức xạ từ các nguồn tự nhiên như mặt trời hoặc nhân tạo từ vệ tinh Năng lượng này được chuyển đổi thành tín hiệu số, biến quang năng thành điện năng và định lượng thành giá trị pixel tương ứng với từng bước sóng trong dải phổ đã xác định Để hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ cảm, ta có thể xem xét khả năng phản xạ phổ của vật thể đối với sóng điện từ trong vùng nhìn thấy Khả năng này không chỉ quan trọng đối với bộ cảm mà còn đối với mắt người, giúp tạo ra hình ảnh và màu sắc từ năng lượng bức xạ mà vật thể phản xạ.
Trong 5 giác quan của con người, mắt là giác quan có cảm nhận tốt nhất đối với sóng điện từ; mắt của con người giữ chức năng giống như bộ cảm trong hệ thống viễn thám Ánh sáng đi vào mắt qua giác mạc và hội tụ ở võng mạc (con người giữ vai trò là thấu kính), các tế bào thần kinh (hình que và hình nón) ở võng mạc biến đổi năng lượng của ánh sáng mạnh hay yếu ứng với từng bước sóng khác nhau thành các xung điện truyền về não
(bộ xử lý tín hiệu) Não của người sẽ phân tích các giá trị khác nhau của xung điện để cảm nhận được màu sắc hoặc hình ảnh
Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, sắc tố lá cây, đặc biệt là chất diệp lục, ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ, hấp thụ ánh sáng bước sóng xanh và đỏ, đồng thời phản xạ mạnh ánh sáng có bước sóng 0,55µm Khi cây tươi tốt, lá có màu xanh, nhưng khi lá úa hoặc cây bệnh, hàm lượng diệp lục giảm, dẫn đến sự thay đổi màu sắc thành vàng đỏ Đối với bộ cảm, kính lọc phổ tách năng lượng bức xạ theo từng bước sóng, chuyển đổi quang năng thành điện năng Việc chuyển đổi tín hiệu thành số nguyên hữu hạn thể hiện cường độ phản xạ sóng từ các vật thể Trong viễn thám, năng lượng này tương ứng với một pixel trên ảnh, được tạo ra từ sự phối hợp giữa vệ tinh và bộ cảm để tạo ảnh 2 chiều của bề mặt đất.
Tế bào quang điện là thiết bị chuyển đổi quang năng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện, với dòng điện tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ sóng phản xạ từ vật thể Sự thay đổi dòng điện cho phép đo lường năng lượng ánh sáng ở các bước sóng khác nhau Sau khi sóng điện từ tiếp xúc với tế bào quang điện, nó được chuyển đổi thành tín hiệu liên tục theo thời gian, và quá trình chuyển đổi này được gọi là số hoá, trong đó giá trị độ sáng phụ thuộc vào số bit sử dụng Cuối cùng, toàn bộ năng lượng sóng điện từ được chuyển đổi từ tín hiệu nhập sang tín hiệu xuất qua phần biến đổi tuyến tính của bộ cảm.
Bộ cảm nhận năng lượng sóng điện từ thu nhận bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng cụ thể Khi năng lượng sóng điện từ đến bộ cảm, nó sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số, tức là chuyển đổi tín hiệu điện thành giá trị số nguyên hữu hạn tương ứng với năng lượng bức xạ tại từng bước sóng trong dải phổ đã xác định.
Máy quét với trường nhìn không đổi tạo ra ảnh 2 chiều của bề mặt đất thông qua sự phối hợp chuyển động giữa vật mang và hệ thống quét vuông góc với hướng bay, đảm bảo góc nhìn không gian tương ứng giữa một pixel và một đơn vị chia mẫu trên mặt đất.
Thông tin về năng lượng bức xạ được ghi nhận trong IFOV sẽ được chuyển đổi thành giá trị pixel Hệ thống quét đa phổ được sử dụng để ghi lại năng lượng bức xạ ở các bước sóng khác nhau trong dải tần từ cực tím đến hồng ngoại.
1.5.2 Phân loại bộ cảm a Định nghĩa
Bộ viễn cảm, hay còn gọi là bộ cảm, là thiết bị dùng để phát hiện sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ các vật thể Các thiết bị như máy chụp ảnh và máy quét đều thuộc loại bộ viễn cảm.
Việc phân loại các bộ cảm có thể thực hiện theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm dải sóng thu nhận và kết cấu Các bộ cảm chủ động hoạt động bằng cách thu nhận năng lượng từ vật thể thông qua sự phản xạ từ nguồn năng lượng nhân tạo, trong khi các bộ cảm bị động thu nhận bức xạ do vật thể phát xạ hoặc phản xạ.
Mỗi loại bộ cảm được phân chia thành hai nhóm chính: chủ động và bị động, sau đó được chia thành hệ thống quét và không quét Tiếp theo, các hệ thống này lại được phân loại thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh.
Các loại máy chụp ảnh, máy quét quang cơ, máy quét điện tử là những bộ cảm được sử dụng rộng rãi trong viễn thám hiện nay
Các bộ cảm quang học được đặc trưng bởi tính chất phổ, đặc trưng hình học, đặc trưng bức xạ
Tính chất phổ được xác định bởi số lượng kênh và bề rộng kênh, trong khi các thiết bị sử dụng phim được đặc trưng bởi độ nhạy của phim, khả năng lọc của kính lọc phổ và các tính chất quang học của hệ thống thấu kính.
Các đặc trưng hình học được thể hiện qua các thông số như trường nhìn, trường nhìn không đổi, độ trùng khớp giữa các kênh, biến dạng hình học
Các đặc trưng bức xạ được xác định dựa theo sự thay đổi của bức xạ điện từ trước và sau khi đi qua hệ thống quang học
Vùng ánh sáng được sắp xếp theo thứ tự bước sóng được gọi là phổ Chùm ánh sáng trắng có thể được phân tách thành phổ thông qua các thiết bị quang học như lăng kính và hệ thống lăng kính.
Kính lọc phổ là một công cụ quan trọng bên cạnh lăng kính trong việc tách phổ ánh sáng Có ba loại kính lọc phổ chính: kính lọc sóng dài, kính lọc sóng ngắn và kính lọc đơn phổ Mỗi loại kính lọc này có chức năng riêng, giúp điều chỉnh và phân tích ánh sáng theo các bước sóng khác nhau.
Vật mang và quỹ đạo bay
Vật mang là phương tiện được sử dụng để vận chuyển các bộ cảm biến, trong đó vệ tinh và máy bay là những ví dụ tiêu biểu Có nhiều loại vật mang hoạt động ở độ cao từ vài chục mét trở lên, phục vụ cho các mục đích khác nhau trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ.
Vật mang được chia ra các nhóm sau đây:
+ Vật mang quĩ đạo thấp
+ Vật mang tầng máy bay
Khi vật mang di chuyển trong vệ tinh, nó phải chịu ảnh hưởng từ môi trường xung quanh như áp suất, mật độ không khí và nhiệt độ Những yếu tố này có thể gây ra sự mất ổn định trong quỹ đạo của vật mang.
Bảng 1.2 Phân loại vật mang theo độ cao Vật mang Chiều cao Hình thức quan sát Ghi chú
Vệ tinh địa tĩnh 36.000km Quan sát từ một điểm cố định GMS
Vệ tinh quĩ đạo tròn 500km - 1000km Quan sát đều đặn theo chu kỳ LANDSAT
Tàu vệ tinh con thoi 240km - 350km Quan sát không đều, theo từng cuộc thí nghiệm Bóng thám không 100m - 100km Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau
Vật mang Chiều cao Hình thức quan sát Ghi chú
Máy bay phản lực cao tầng 10km - 12km Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau
Máy bay tầng thấp hoặc trung bình
500m-8000m Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau
Máy bay lên thẳng 100m-2000m Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau
Máy bay không người lái điều khiển bằng vô tuyến
Dưới 500m Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau Đo đạc mặt đất 0 - 30m Thu thập số liệu thực địa
1.6.2 Quỹ đạo bay và các thông số cơ bản
Các phần tử quỹ đạo của vệ tinh là tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vật thể Vệ tinh chuyển động trong vũ trụ được xác định bởi 6 thông số cơ bản theo định luật Kepler, áp dụng cho các vật thể trong không gian.
Theo định luật này, vệ tinh hoạt động như một vật thể quay quanh trái đất trong một mặt phẳng quỹ đạo, không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời.
Trái đất, mặt trăng và mặt trời vẫn có sự tương tác hấp dẫn, nhưng trong nhiều bài toán thực tế, ảnh hưởng của mặt trăng và mặt trời đến vệ tinh thường không đáng kể so với trọng trường của trái đất Mỗi loại vệ tinh sẽ chuyển động xung quanh trái đất theo quỹ đạo xác định, được thiết kế dựa trên sáu tham số quỹ đạo cơ bản.
- Bán trục lớn a của quỹ đạo,
- Độ dẹt quỹ đạo e (lệch tâm quỹ đạo),
- Góc nghiêng i (so với mặt phẳng xích đạo),
- Điểm gần nhất g (góc cực của cận điểm),
Thời gian vệ tinh V qua điểm gần nhất, hay còn gọi là cận điểm, được xác định bởi đặc trưng chuyển động của vệ tinh trong quỹ đạo Chuyển động này không chỉ phụ thuộc vào hình dạng và góc nghiêng của quỹ đạo mà còn liên quan đến chu kỳ lặp lại của vệ tinh tại vị trí quan sát.
Trái đất quay quanh trục trong 24 giờ, trong khi vệ tinh di chuyển với vận tốc cố định, cho phép xác định thời gian để vệ tinh hoàn thành quỹ đạo và trở về vị trí ban đầu.
Quỹ đạo vệ tinh được phân chia thành hai loại chính: quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày, trong đó vệ tinh trở lại điểm thiên đỉnh sau một ngày, và quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày, khi vệ tinh quay trở lại điểm thiên đỉnh sau một khoảng thời gian cố định Vệ tinh quan sát mặt đất thường sử dụng quỹ đạo có chu kỳ lặp lại nhiều ngày, giúp bộ cảm biến bao phủ hầu hết các khu vực trên mặt đất nhờ vào sự kết hợp giữa chuyển động quay của trái đất và vệ tinh Khi lựa chọn dữ liệu ảnh vệ tinh cho quan sát hoặc phân tích biến động, cần xem xét vệ tinh có chu kỳ lặp và chu kỳ quỹ đạo phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng.
Bảng 1.3 Thống kê chu kỳ lặp và chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh Landsat, SPOT, và ADEOS
Khoảng 103 phút (Landsat -1-3) Khoảng 99 phút (Landsat)
Các tài liệu tham khảo cho việc xử lý tư liệu viễn thám
1.7.1 Ảnh tương tự Ảnh tương tự là ảnh chụp trên cơ sở của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh tương tự thu được từ các bộ cảm tương tự dùng phim chứ không sử dụng các hệ thống quang điện tử Những tư liệu này có độ phân giải không gian cao nhưng kém về độ phân giải phổ Nói chung loại ảnh này thường có độ méo hình lớn do ảnh hưởng của độ cong bề mặt trái đất
Vệ tinh Cosmos của Nga thường sử dụng loại bộ cảm này
1.7.2 Ảnh số Ảnh số là dạng tư liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim Nó được chia thành nhiều phân tử nhỏ thường được gọi là pixel Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian Quá trình chia mỗi ảnh tương tự thành các pixel được gọi là chia mẫu (Sampling) và quá trình chia các độ xám liên tục thành một số nguyên hữu hạn gọi là lượng tử hóa Các pixel thường có dạng hình vuông Mỗi pixel được xác định bằng tọa độ hàng và cột Hệ tọa độ ảnh thường có điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với chỉ số cột và từ trên xuống đối với chỉ số hàng Trong trường hợp chia mẫu một ảnh tương tự thành một ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần số chia mẫu phải được chọn tối ưu Độ lớn của pixel quá lớn thì chất lượng ảnh sẽ tồi, còn trong trường hợp ngược lại thì dung lượng thông tin lại quá lớn Ảnh số được đặc trưng bởi một số thông số cơ bản về hình học bức xạ bao gồm:
Trường nhìn không đổi đề cập đến góc không gian liên quan đến một đơn vị chia mẫu trên mặt đất, trong khi lượng thông tin ghi nhận trong trường nhìn không đổi tương ứng với giá trị pixel.
Trường nhìn là góc tối đa mà bộ cảm có thể thu nhận sóng điện từ, và khoảng không gian trên mặt đất được xác định bởi trường nhìn này chính là bề rộng của tuyến bay.
Độ phân giải mặt đất là vùng nhỏ nhất trên bề mặt trái đất mà bộ cảm biến có thể phát hiện, thường được thể hiện qua hình chiếu của một pixel Do ảnh số được ghi lại qua các dải phổ khác nhau, nên chúng được gọi là tư liệu đa phổ.
Năng lượng sóng điện từ khi đến bộ dò sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được lượng tử hóa thành ảnh số Trong toàn bộ dải sóng thu được, chỉ có phần biến đổi tuyến tính được lượng tử hóa, trong khi hai phần biên của tín hiệu không được xem xét do chứa nhiều nhiễu và không duy trì được mối quan hệ tuyến tính giữa thông tin và tín hiệu.
Xác định ngưỡng nhiễu là một quá trình cần sự cẩn trọng cao Chất lượng tư liệu được đánh giá dựa trên tỷ số tín hiệu/nhiễu, được định nghĩa qua công thức cụ thể.
S = 20*lg (S/N)[dB] là công thức tính tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) Thông tin được lưu trữ theo đơn vị bit, nhưng trong xử lý số, đơn vị thường sử dụng là byte Do đó, dữ liệu có số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 sẽ được lưu trữ dưới dạng 1 byte (vì 1 byte bằng 8 bit), trong khi dữ liệu có số bit lớn hơn 8 sẽ được lưu trữ dưới dạng 2 byte hoặc trong 1 từ.
1 byte có thể lưu được 256 cấp độ xám, còn trong 1 từ có thể lưu được 65536 cấp độ xám
Trong quá trình lưu trữ ảnh, cần bổ sung nhiều thông tin hỗ trợ như số hiệu ảnh, ngày tháng năm và các chỉ tiêu chất lượng Đặc biệt, trong trường hợp tín hiệu chứa nhiễu, việc lượng tử hóa cũng đóng vai trò quan trọng.
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý chia mẫu và lượng tử hóa
Hình 1.5 Sơ đồ mô tả mối tương quan giữa các khái niệm
Số liệu mặt đất là tập hợp các quan sát và đo đạc về điều kiện thực tế của các vật thể nghiên cứu, nhằm xác định mối tương quan giữa tín hiệu thu được và các đối tượng Để đảm bảo tính chính xác, số liệu mặt đất cần được thu thập đồng thời với số liệu vệ tinh hoặc trong khoảng thời gian ngắn, tránh ảnh hưởng của sự thay đổi của các đối tượng nghiên cứu đến mối quan hệ cần xác định.
Số liệu mặt đất được sử dụng cho các mục đích sau:
- Thiết kế các bộ cảm
- Kiểm định các thông số kỹ thuật của bộ cảm
- Thu thập các thông tin bổ trợ cho quá trình phân tích và hiệu chỉnh số liệu
Khi tiến hành khảo sát thực địa, cần thu thập các số liệu quan trọng về đối tượng nghiên cứu, bao gồm chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng bề mặt và nhiệt độ Đồng thời, cần ghi nhận các thông tin về môi trường xung quanh như góc chiếu và độ cao mặt trời, cường độ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm không khí, cùng với hướng và tốc độ gió.
Việc thu thập số liệu mặt đất thường tốn kém cả thời gian và chi phí, vì vậy nhiều người chọn thành lập các khu vực thử nghiệm để có đủ các đối tượng cần theo dõi và đo đạc.
1.7.4 Số liệu định vị mặt đất Để có thể đạt được độ chính xác trong quá trình hiệu chỉnh hình học cần phải có các điểm định vị trên mặt đất có tọa độ địa lý đã biết Những điểm này thường được bố trí tại những nơi mà vị trí của nó có thể thấy được dễ dàng trên ảnh và bản đồ
Hiện nay, người ta sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS vào mục đích này
1.7.5 Bản đồ và số liệu địa hình Để phục vụ cho các công tác nghiên cứu của viễn thám cần phải có những tài liệu địa hình và chuyên đề sau :
- Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25.000 hoặc 1/50.000
Trên bản đồ địa hình, có thể xác định tọa độ cho các điểm kiểm tra, phục vụ việc hiệu chỉnh hình học và các thông số độ cao, giúp khôi phục lại mô hình thực địa một cách chính xác.
Truyền và thu số liệu vệ tinh
Khác với chụp ảnh hàng không, ảnh viễn thám được truyền từ vệ tinh về trạm thu trên mặt đất qua anten phát sóng điện từ tần số cao, từ vài GHz đến vài chục GHz, nhằm xử lý lượng dữ liệu lớn Dữ liệu không chỉ bao gồm ảnh viễn thám mà còn chứa thông tin bổ trợ như nhiệt độ và thông số kỹ thuật của vệ tinh Tất cả dữ liệu được truyền dưới dạng số PCM (Pulse Code Modulation), giúp loại bỏ nhiễu và tiết kiệm năng lượng Mặc dù dữ liệu có thể được nhận trực tiếp từ các trạm thu, việc thiết lập hệ thống truyền và thu yêu cầu trạm thu và vệ tinh phải nằm trong tầm nhìn của nhau.
Tùy thuộc vào loại vệ tinh, tín hiệu năng lượng sóng điện từ sẽ được truyền bằng một trong ba phương pháp cơ bản, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số và gửi về trạm thu trên mặt đất qua anten của vệ tinh Ảnh vệ tinh, sau khi được xử lý tại trạm thu, sẽ cung cấp thông tin cho người sử dụng ở nhiều cấp độ khác nhau.
- Dữ liệu ảnh viễn thám được truyền trực tiếp nếu trạm thu mặt đất nằm trong tầm nhìn của vệ tinh (A)
Trong trường hợp không có tầm nhìn giữa vệ tinh và trạm thu, dữ liệu sẽ được lưu trữ trên vệ tinh và phát lại khi có điều kiện thuận lợi Phương pháp này được gọi là MDR (Mission Data Recorder), cho phép thu thập thông tin ở những khu vực không được trạm thu trên mặt đất bao phủ Sau đó, dữ liệu sẽ được truyền lại khi vệ tinh bay qua trạm thu Các vệ tinh như NOAA và SPOT đều được trang bị hệ thống MDR.
Dữ liệu được truyền trực tiếp về mặt đất thông qua hệ thống vệ tinh TDRS (Tracking and Data Relay Satellite), giúp dẫn đường và tiếp sóng dữ liệu hiệu quả.
NASA sử dụng các vệ tinh viễn thông hoạt động trên quỹ đạo địa tĩnh để truyền dữ liệu từ vệ tinh Landsat Phương pháp này cho phép chuyển dữ liệu viễn thám từ vệ tinh này sang vệ tinh khác, cho đến khi dữ liệu được gửi đến trạm thu trên mặt đất thích hợp.
Date: 1997/09/24 Path-row: 112-28 Processing level: BK Resampling methoth: CC Center latitude: N45.982 Number of pixels: 6920
Sensor : TM Orbital direction: D Cloud coverage: 01 Map projection: UTM Logical format: CEOS-BSQ Center longitude: E135.733 Number of lines: 5965
Hình 1.6 Quy trình xử lý ảnh vệ tinh
Dữ liệu thu nhận từ trạm thu trên mặt đất cần được xử lý để loại bỏ nhiễu, hiệu chỉnh khí quyển, biến dạng hình học và chuyển đổi về định dạng chuẩn của ảnh viễn thám Quy trình xử lý ảnh vệ tinh trước khi cung cấp cho người giải đoán được minh họa trong Hình 1.6.
Ảnh vệ tinh được lưu trữ trên băng từ hoặc đĩa CD, kèm theo các tham số bổ trợ quan trọng Chẳng hạn, khi cung cấp ảnh Landsat cho người dùng, các tham số bổ trợ cũng được đính kèm để hỗ trợ việc phân tích và sử dụng ảnh hiệu quả hơn.
Giới thiệu một số ảnh vệ tinh
Tư liệu vệ tinh ASTER từ Trung tâm Phân tích Dữ liệu Viễn thám Trái đất – Nhật Bản (ERSDAC) là nguồn tài nguyên quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như địa chất, khí tượng học, nông nghiệp, lâm nghiệp và quản lý tài nguyên môi trường.
Ảnh vệ tinh ASTER cung cấp 14 kênh phổ, bao gồm 3 kênh trong dải sóng nhìn thấy với độ phân giải 15m, 6 kênh trong dải sóng hồng ngoại với độ phân giải 30m, và 5 kênh trong dải sóng hồng ngoại nhiệt với độ phân giải 90m, cho phép cung cấp thông tin phong phú hơn so với các loại tư liệu vệ tinh khác Bộ cảm ASTER thu nhận ảnh lập thể dọc tuyến, giúp xây dựng mô hình DEM hiệu quả Mặc dù độ trùm phủ của ảnh vệ tinh ASTER tương tự như của ảnh vệ tinh SPOT (60 x 60 km), nhưng giá thành của ảnh vệ tinh ASTER lại rẻ hơn nhiều so với ảnh vệ tinh SPOT.
Ảnh vệ tinh ASTER được cập nhật liên tục từ năm 2005 đến 2006, với chức năng định vị mạnh mẽ cho phép quan sát một vị trí trên bề mặt Trái Đất trong khoảng thời gian 3-5 ngày.
Tư liệu vệ tinh ASTER là công cụ hữu ích cho nghiên cứu tài nguyên môi trường, quy hoạch lãnh thổ và lập bản đồ lớp phủ, đặc biệt trong lĩnh vực địa chất và khoáng sản Người dùng có thể tiếp cận ảnh vệ tinh ASTER dưới hai hình thức: dữ liệu đã lưu trữ và dữ liệu thu mới theo yêu cầu Họ có khả năng đặt hàng trước về thời gian, địa điểm và mức độ xử lý dữ liệu Một trong những ưu điểm nổi bật của tư liệu vệ tinh ASTER là chi phí thấp hơn nhiều so với các loại tư liệu vệ tinh khác.
ALOS là một về tinh quan sát Trái đất của Nhật Bản, được phát triển bởi JAXA
ALOS được phóng thành công vào ngày 24 tháng 1 năm 2006 từ Trung tâm Vũ trụ
ALOS sở hữu ba công cụ viễn thám, trong đó PRISM là một xạ toàn sắc với độ phân giải cao, giúp thu thập dữ liệu địa hình và độ cao Bên cạnh đó, AVNIR-2 là một xạ có khả năng quan sát trong dải ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần, cung cấp độ phân giải không gian tốt hơn cho việc theo dõi khu vực ven biển.
PALSAR là một hệ thống radar khẩu độ tổng hợp sử dụng băng tần L, hoạt động như một bộ cảm biến vi sóng cho phép quan sát mặt đất cả ngày lẫn đêm và hỗ trợ điện toán đám mây miễn phí.
Ngày 22 tháng tư năm 2011, vệ tinh ALOS đã sau hơn 5 năm hoạt động Tuy nhiên, RESTEC vẫn tiếp tục phân phối ALOS dữ liệu lưu trữ cho người dùng cư trú tại các ADEN khu vực (ví dụ như Châu Âu, Châu Phi, Trung Đông) Thông tin các về sản phẩm của vệ tinh ALOS có thể được tìm kiếm chi tiết trên mạng internet
1.9.3 Vệ tinh LANDSAT Ảnh vệ tinh Landsat: LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Cho đến nay đã có nhiều thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển
Bảng 1.4 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM
Vệ tinh LANDSAT 1 được phóng năm 1972, lúc đó bộ cảm cung cấp tư liệu chủ yếu là MSS (Multispectral scanner) thuộc loại máy quét quang cơ (Optical-Mechanical
Scanner) Vệ tinh LandSat có độ cao bay 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo là 980
Quĩ đạo đồng bộ của vệ tinh Landsat MSS cho phép nó bay qua xích đạo vào lúc 9h39′ sáng, với chu kỳ lặp 17 ngày Vệ tinh này có bề rộng tuyến chụp lên tới 185km và hoạt động trong dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại.
Vệ tinh LANDAT 3 được phóng năm 1985 và mang bộ cảm TM (Thematic Mapper)
Vệ tinh LANDSAT 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhaced Thematic Mapper)
Vệ tinh Landsat 8, được phóng vào ngày 11/02/2013 với tên gọi ban đầu là Landsat Data Continuity Mission (LDCM), là sản phẩm hợp tác giữa NASA và Cơ quan Đo đạc Địa chất Mỹ Với khả năng cung cấp hình ảnh có độ phân giải trung bình từ 15 – 100 mét, Landsat 8 phủ kín các vùng cực và nhiều địa hình khác nhau trên trái đất Nhiệm vụ chính của vệ tinh này là cung cấp thông tin quan trọng cho các lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, giám sát tài nguyên môi trường, quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và nông nghiệp.
Landsat 8 (LDCM) mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI – Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS – Thermal Infrared Sensor) Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài xem chi tiết ở Bảng 1 Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt Trái Đất theo mùa ở độ phân giải không gian 30 mét (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, và hồng ngoại sóng ngắn); 100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc Dải quét của LDCM giới hạn trong khoảng 185 km x 180 km Độ cao vệ tinh đạt 705 km so với bề mặt trái đất Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, Kênh 1 dùng để quan trắc biến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh 9 dùng để phát hiện các mật độ dày, mỏng của đám mây ti (có ý nghĩa đối với khí tượng học), trong khi đó bộ cảm TIRS sẽ thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt sóng dài (kênh 10 và 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, nhiệt độ bề mặt Bộ cảm OLI và TIRS đã được thiết kế cải tiến để giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh tăng lên so với phiên bản trước
Hình 1 12 So sánh các kênh ảnh của Landsat-8 và Landsat-7 ETM+
Bảng 1 5 So sánh các bước sóng và độ phân giải của ảnh Landsat-8 và Landsat-7
Các thông số kỹ thuật của sản phẩm ảnh vệ tinh Landsat 8 như sau:
Loại sản phẩm: đã được xử lý ở mức 1T nghĩa là đã cải chính biến dạng do chênh cao địa hình (mức trực);
Kích thước Pixel: 15m/30m/100m tương ứng ảnh Đen trắng Pan/Đa phổ/Nhiệt
Phép chiếu bản đồ: UTM;
Định hướng: theo Bắc của bản đồ;
Phương pháp lấy mẫu: hàm bậc 3;
Bộ cảm OLI đạt độ chính xác 12m và độ tin cậy 90% theo tiêu chuẩn CE, trong khi bộ cảm TIRS có sai số 41m với độ tin cậy cũng đạt 90% theo tiêu chuẩn CE.
Dữ liệu ảnh: có giá trị 16 bit pixel, khi tải về ở dạng file nén có định dạng là tar.gz
Kích thước file nếu ở dạng nén khoảng 1GB, còn ở dạng không nén khoảng 2GB
Vào đầu năm 1978, chính phủ Pháp đã khởi động chương trình SPOT (Système Pour l’Observation de la Terre) với sự hợp tác của Bỉ và Thụy Điển Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT được phát triển bởi Trung tâm Nghiên cứu Không gian của Pháp, với vệ tinh đầu tiên là SPOT-1 được phóng lên quỹ đạo vào năm 1986 Tiếp theo, các vệ tinh SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5 lần lượt được phóng vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002, trang bị hệ thống quét CCD của Trung tâm Nghiên cứu Không gian Pháp (CNES).
Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.70, thời điểm bay qua xích đạo là 10h30′ sáng và chu kỳ lặp 26 ngày
Các thế hệ vệ tinh SPOT 1, 2, 3 được trang bị bộ cảm biến HRV (High Resolution Visible) với kênh toàn sắc có độ phân giải 10m và ba kênh đa phổ độ phân giải 20m, bao gồm lục, đỏ và cận hồng ngoại Mỗi cảnh chụp có độ bao phủ mặt đất là 60km x 60km Vệ tinh SPOT 4 cải tiến với kênh toàn sắc và ba kênh đa phổ tương tự, đồng thời bổ sung kênh hồng ngoại có độ phân giải 20m Khả năng chụp nghiêng của SPOT cho phép tạo ra cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp ở các góc khác nhau.
Hình 1.13 Ảnh được chụp bằng Vệ tinh SPOT
Vệ tinh SPOT-5 được phóng lên quỹ đạo vào ngày 03 tháng 5 năm 2002, trang bị cặp cảm biến HRG (High Resolution Geometric) tiên tiến, cho phép thu được ảnh với độ phân giải 5m đen – trắng và 10m màu Nhờ vào kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, vệ tinh có thể đạt độ phân giải lên tới 2,5m, trong khi dải chụp phủ mặt đất vẫn giữ ở mức 60km đến 80km, mang lại ưu điểm vượt trội cho các ứng dụng quan sát trái đất.
SPOT, điều mà các loại ảnh vệ tinh cùng thời khác ở độ phân giải này đều không đạt
CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM
Các nguồn năng lượng và các nguyên lý bức xạ
2.1.1 Tính chất sóng của ánh sáng
Năng lượng ánh sáng là dạng bức xạ tự nhiên, bao gồm hai trường điện và từ vuông góc với nhau, di chuyển theo nguyên lý sóng điều hòa.
Hình 2.1 Bức xạ điện từ với các trường sóng của ánh sáng
Tính chất sóng của ánh sáng được thể hiện qua phương trình truyền ánh sáng:
Trong lĩnh vực viễn thám, sóng điện từ được áp dụng thông qua các dải bước sóng của quang phổ điện từ, với đơn vị đo phổ biến là micromet.
(àm, 1àm = 10 -6 m), hay nanomet ( Nm, 1 Nm= 10 -9 m)
Sóng điện từ có các tính chất cơ bản như sau:
- Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo kiểu hình sin với tốc độ gần bằng 3.10 8 m/s (tốc độ ánh sáng)
Bước sóng (X) là khoảng cách giữa các cực trị, được đo bằng độ dài Nó cũng thể hiện khoảng cách từ một điểm bất kỳ trong chu kỳ trước đến vị trí tương ứng của nó trong chu kỳ sau trên đồ thị hình sin.
Số lượng các cực trị truyền qua một điểm nhất định trong thời gian 1 giây được gọi là tần số (y) - đơn vị của tần số là : herzt
Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau
Sự phân chia các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tự nhiên của các đối tượng là cơ sở hình thành các phương pháp viễn thám khác nhau.
* Các dải sóng của quang phổ điện từ
Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau :
- Cỏc tia vũ trụ: là cỏc tia sỏng từ vũ trụ cú bước súng vụ cựng ngắn với X 30 cm
Hình 2.2 Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ
Trong hình vẽ, các tên gọi của từng dải sóng như sóng cực tím hay sóng cực ngắn được chỉ rõ, tuy nhiên sự phân chia này chỉ mang tính chất thuận tiện Trên thực tế, không có sự phân biệt rõ ràng giữa các vùng sóng, và ranh giới giữa các dải sóng chỉ là tương đối.
- Tên của các vùng sóng được đặt tương ứng với các phương pháp nghiên cứu và số lượng các vùng đó thường nhiều hơn sự phân chia thông dụng
Vùng nhìn thấy chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn bộ quang phổ điện từ, nằm trong khoảng từ 0,4 đến 0,7 micromet Tuy nhiên, trong khoảng này, nó còn được phân chia thành các tia đơn sắc khác nhau.
- Sóng cực tím nối liền với phần màu xanh lơ (Blue) của vùng nhìn thấy Nơi tiếp với phần màu đỏ là vùng hồng ngoại (infrared)
- Vùng hồng ngoại dược chia ra 3 dải, song chỉ có hồng ngoại nhiệt mới liên quan trực tiếp đến sự nhạy cảm về độ nóng
Vùng vi sóng, hay còn gọi là sóng Radar, bao gồm các bước sóng dài hơn hồng ngoại, dao động từ 1mm đến 1m Vùng Radar được phân chia thành nhiều khu vực nhỏ, mỗi khu vực sở hữu những đặc tính riêng biệt.
- Vùng có bước sóng dài nhất, tiếp tục của sóng radar là sóng Radio.
Tính chất hạt và sự truyền năng lượng của ánh sáng
Ánh sáng không chỉ có tính chất sóng mà còn mang tính chất hạt, với thành phần chính là các photon hay lượng tử Mỗi photon là một phân tử nhỏ riêng biệt, và năng lượng của chúng được xác định thông qua một công thức cụ thể.
Do năng lượng ở vùng sóng dài thấp, trong viễn thám, hệ thống thu nhận tín hiệu bức xạ điện từ với bước sóng dài cần có trường nhìn rộng để thu được các tín hiệu bức xạ hiệu quả.
Mặt trời là nguồn năng lượng bức xạ điện từ chính trong viễn thám, nhưng mọi vật chất có nhiệt độ cao hơn -273°C cũng phát ra bức xạ điện từ Do đó, các đối tượng trên trái đất đều là nguồn bức xạ tự nhiên, mặc dù chúng có sự khác biệt về biên độ và thành phần phổ so với mặt trời.
Có thê tính toán năng lượng bức xạ phát ra từ bề mặt một đối tượng theo quy luật Stefan - Bolzman:
Năng lượng phát ra tỷ lệ với T^4, có nghĩa là khi nhiệt độ tăng, năng lượng phát ra sẽ tăng nhanh chóng theo cơ chế lũy thừa bậc 4 Điều này cho thấy năng lượng phát ra là hàm nguyên thủy của nhiệt độ của đối tượng.
Vật đen tuyệt đối là một khái niệm lý tưởng trong vật lý, được định nghĩa là một vật có khả năng hấp thụ và phát ra toàn bộ năng lượng mà nó tiếp nhận.
Bức xạ nhiệt, có một số tính chất sau:
- Khi nhiệt độ bức xạ cao hơn thì tổng năng lượng phát ra cũng cao hơn
- Nhiệt độ cực đại khi vật đen bức xạ chuyển dần về phía có bước sóng ngắn hơn
Cực trị của đường cong bức xạ tuân theo quy luật chuyển dịch của Wien, theo đó khi nhiệt độ của vật tăng lên, cực trị bức xạ sẽ dịch chuyển về phía bước sóng ngắn hơn.
Toả nhiệt của vật den
Hình 2.3 Sự thay đổi cực trị của đường cong bức xạ nhiệt của vật chất ở nhiệt độ khác nhau
Mặt trời phát ra bức xạ tương tự như một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 6.000 K, trong khi bóng đèn sợi đốt chỉ đạt khoảng 3.000 K Do đó, ánh sáng từ bóng đèn sợi đốt thường có màu xanh với năng lượng thấp, không giống như phổ ánh sáng của mặt trời.
Khi một mẩu thép được nung nóng, ta có thể quan sát sự thay đổi màu sắc của nó từ đỏ sang cam, vàng, và cuối cùng là trắng khi nhiệt độ tăng lên Hiện tượng này cho thấy rằng khi nhiệt độ của vật tăng, bức xạ chuyển từ vùng sóng dài không nhìn thấy sang vùng sóng ngắn có thể nhìn thấy Điều này đồng nghĩa với việc, khi bước sóng phát xạ dài hơn, nhiệt độ tuyệt đối của vật đen sẽ thấp hơn.
Trong kỹ thuật làm phim, có nhiều loại phim được chế tạo với độ nhạy cảm khác nhau đối với ánh sáng Khi mở cửa, phim sẽ nhạy cảm với ánh sáng bên ngoài, trong khi ánh sáng đèn sợi đốt trong phòng sẽ tạo ra màu vàng cho phim Đèn flash thường được sử dụng để tạo nguồn sáng mạnh, tương tự như ánh sáng mặt trời, trong thời gian ngắn, đủ để phim nhạy cảm ghi nhận Ngoài ra, cũng có những loại phim được thiết kế đặc biệt để nhạy cảm với ánh sáng từ đèn sợi đốt.
Nhiệt độ bề mặt trái đất khoảng 300 K (27°C) dẫn đến bức xạ cực đại ở bước sóng khoảng 9,7 µm theo luật chuyển đổi Wiens Bức xạ này liên quan đến độ nóng của vật chất và khái niệm hồng ngoại nhiệt, tuy không thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng có thể đo được bằng thiết bị chuyên dụng Trong khi đó, bức xạ từ mặt trời có cực đại ở dải sóng 0,5 µm, cho phép mắt người và phim nhạy cảm với năng lượng ánh sáng Nhờ vào bức xạ này, chúng ta có thể quan sát các đặc điểm của trái đất thông qua sự phản xạ năng lượng ánh sáng mặt trời Năng lượng bức xạ ở bước sóng dài hơn thường phát ra từ các vật chất trên bề mặt trái đất, có thể được ghi nhận bằng hệ thống cảm biến phi hình ảnh Đường phân chia giữa hồng ngoại phản xạ và hồng ngoại phát xạ nằm ở khoảng 3 µm, với λ < 3 µm thì phản xạ chiếm ưu thế, còn λ > 3 µm thì phát xạ chiếm ưu thế.
Tương tác năng lượng trong khí quyển
Ảnh hưởng của khí quyển tới ánh sáng khi truyền qua bao gồm tán xạ, truyền qua và hấp thụ, do sự tương tác của các thành phần khí quyển với ánh sáng Mọi nguồn sáng đều phải truyền qua một khoảng cách nhất định trong khí quyển, được gọi là khoảng cách đường truyền Khoảng cách này có thể thay đổi, ví dụ như ánh sáng mặt trời phản xạ từ các tín hiệu vũ trụ phải đi qua bầu khí quyển hai lần trước khi đến thiết bị thu nhận.
Hình 2.4 Ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất chịu tác động của khí quyển: hấp thu, tán xạ và truyền qua
Khi chụp ảnh máy bay, khoảng cách đường truyền ngắn khiến ảnh hưởng của khí quyển trở nên khác biệt Các yếu tố như bước sóng và cường độ ánh sáng có vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu Đặc điểm của khí quyển tại thời điểm thu nhận tín hiệu viễn thám cũng là yếu tố quyết định đến chất lượng tín hiệu nhận được.
Sự tán xạ của khí quyển là sự lan truyền ánh sáng một cách không định hướng gây ra bởi các phần tử nhỏ bé trong khí quyển
Sự tán xạ Rayleigh xảy ra khi các bức xạ tương tác với các phần tử hoặc hạt nhỏ trong khí quyển, với đường kính nhỏ hơn bước sóng của tia bức xạ Ảnh hưởng của hiện tượng này tỉ lệ nghịch với mũ bậc 4 của bước sóng, dẫn đến việc tán xạ mạnh hơn đối với các bước sóng ngắn so với các bước sóng dài.
Bầu trời màu xanh là kết quả của hiện tượng tán xạ Rayleigh, nếu không có hiện tượng này, bầu trời sẽ có màu đen Sự tán xạ của các tia màu xanh lơ nổi bật hơn so với các tia sáng khác trong dải nhìn thấy Vào buổi sáng sớm hoặc khi mặt trời lặn, ánh sáng mặt trời phải đi qua một khoảng cách lớn hơn so với giữa trưa, dẫn đến việc tán xạ và hấp thụ các sóng ngắn bị giảm, chỉ còn lại một phần nhỏ các tia được tán xạ ở bước sóng dài hơn, chủ yếu là các tia màu đỏ và da cam.
Hiện tượng tán xạ là nguyên nhân chính gây ra sương mù trên ảnh vệ tinh, dẫn đến việc giảm độ nét và độ tương phản của hình ảnh Trong ảnh màu, sương mù thường xuất hiện dưới dạng màu xanh lơ trải đều Để khắc phục tình trạng này, người ta thường sử dụng một tấm lọc gọi là lọc sương mù, được đặt trước ống kính để ngăn chặn các tia sáng có bước sóng ngắn truyền vào phim.
Ngoái ra, có thể có nhiều loại lọc khác như lọc tia xanh lơ (lọc Blue), lọc tia cực tím (lọc
Ngoài hiện tượng tán xạ Rayleigh, hiện tượng tán xạ Mie cũng xảy ra khi các hạt nhỏ trong không khí có đường kính tương đương với bước sóng của ánh sáng Hơi nước và khói, với đường kính từ 5-1000 nm, là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tán xạ Mie.
Tia sáng mặt trời ảnh hưởng đến các tia có bước sóng dài hơn so với các tia có bước sóng ngắn trong hiện tượng tán xạ Rayleigh Tuy nhiên, tán xạ Rayleigh là hiện tượng phổ biến nhất trong tự nhiên.
Khi ánh sáng màu xanh, lam và đỏ bị tán xạ đều nhau bởi sương mù và mây trong vùng nhìn thấy, hiện tượng này thường tạo ra màu trắng, chủ yếu là do ảnh hưởng của tán xạ Mie.
Hình 2.5 Các cửa sổ khí quyển và tác động của khí quyển tới ánh sáng mặt trời
Sự hấp thụ ánh sáng bởi khí quyển, trái ngược với hiện tượng tán xạ, là nguyên nhân chính dẫn đến giảm năng lượng ánh sáng khi truyền qua khí quyển Hiện tượng này xảy ra khác nhau tùy thuộc vào bước sóng cụ thể Các thành phần khí như hơi nước, khí cacbonic và khí ozon trong khí quyển là nguyên nhân chính gây ra sự hấp thụ năng lượng mặt trời Trong quang phổ, các vùng sóng mà năng lượng được hấp thụ ít nhất và truyền qua nhiều nhất được gọi là các cửa sổ khí quyển.
Năng lượng ánh sáng mặt trời không chỉ bị hấp thụ hoặc tán xạ mà còn được truyền qua khí quyển đến Trái Đất Cửa sổ khí quyển cho phép năng lượng ánh sáng đi qua và tiếp cận các đối tượng trên mặt đất, giúp các máy cảm biến ghi nhận được năng lượng này.
Các cửa sổ khí quyển
Khi tổng năng lượng tới được xem là 100%, nó sẽ được phân chia thành ba thành phần khi đi qua khí quyển: truyền qua, hấp thụ và tán xạ.
E tới (λ) được xác định bởi tổng các yếu tố: E tán xạ(λ), E hấp thụ(λ) và E truyền qua(λ) Khi ánh sáng đi qua bầu khí quyển, nó tương tác với các phần tử như ozon, nitơ, khí cacbonic và hơi nước, dẫn đến việc hấp thụ hoặc truyền qua từng phần hoặc toàn bộ các tia sáng đơn sắc, tùy thuộc vào bước sóng và năng lượng của chúng Các dải bước sóng này được gọi là các cửa sổ khí quyển, và việc nghiên cứu cũng như xác định chúng là cần thiết để phát triển các máy cảm biến trong viễn thám Điều này cũng là cơ sở cho việc hình thành các phương pháp viễn thám bị động và chủ động.
Khu vực tối là nơi mà ánh sáng không thể truyền qua, trong khi đó, khu vực cửa sổ khí quyển rất hạn chế, chỉ cho phép ánh sáng đi qua và được các thiết bị viễn thám ghi nhận Trong số các cửa sổ khí quyển, dải nhìn thấy là vùng rộng nhất, nơi năng lượng ánh sáng được truyền qua mạnh nhất.
Dải năng lượng nhiệt phát ra từ Trái Đất được minh họa qua đường cong nhỏ trong hình 2.6, với cửa sổ khớ quyển nằm trong khoảng từ 3 – 5 µm và 8 - 14 µm Các dải năng lượng này được ghi nhận thông qua các máy quét nhiệt (Thermal Scanners).
Máy quét đa phổ (Multispectral Scanners) có khả năng cảm nhận năng lượng ánh sáng đồng thời ở các dải phổ hẹp Chẳng hạn, hệ thống quét radar chủ động có thể thu tín hiệu sóng trong khoảng từ 1mm đến 1m.
Tóm lại, sự tương tác và phụ thuộc giữa năng lượng điện từ và khí quyển là rất quan trọng Các cửa sổ khí quyển cho phép năng lượng điện từ truyền qua và tác động đến các thiết bị thu nhận, giúp ghi lại các tín hiệu năng lượng này.
Vì vậy việc lựa chọn các thiết bị thu nhận phải căn cứ vào nhiều yếu tố:
- Dải phổ có thể thu nhận được
- Các cửa sổ khí quyển có thể sử dụng
- Nguồn năng lượng, cường độ và thành phần phổ của nguồn có thể thu nhận được.
Sự tương tác năng lượng với các đối tượng trên mặt đất
Khi năng lượng điện từ tiếp xúc với một vật thể trên mặt đất, nó sẽ tương tác thông qua ba thành phần chính: phản xạ, hấp thụ và truyền qua.
EA - năng lượng hấp thụ;
Toàn bộ các năng lượng này là hàm của một bước sóng λ nào đó
Hình 2.6 Tương tác cơ bản giữa năng lượng điện từ với đối tượng bề mặt
Tỷ lệ giữa các thành phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau, phụ thuộc vào đặc điểm bề mặt của đối tượng, bao gồm thành phần vật chất và tình trạng của nó Hơn nữa, tỷ lệ này còn thay đổi theo các bước sóng khác nhau.
Trong vùng nhìn thấy, màu sắc của một đối tượng phản ánh sự phản xạ mạnh mẽ trong một dải sóng cụ thể Ví dụ, màu xanh lơ xuất hiện do sự phản xạ nổi bật trong dải sóng Blue (0,4 - 0,5 µm), trong khi màu xanh chàm là kết quả của sự phản xạ mạnh ở dải phổ Green (0,5 - 0,6 µm) Mắt người phân biệt các đối tượng dựa vào sự khác nhau về cường độ năng lượng phản xạ trong các dải phổ.
Trong lĩnh vực viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ đóng vai trò quan trọng trong việc phân biệt các đối tượng khác nhau Năng lượng này thường được sử dụng để tính toán sự cân bằng năng lượng, giúp nâng cao độ chính xác trong các nghiên cứu viễn thám.
Năng lượng phản xạ từ một đối tượng tương đương với năng lượng rơi xuống sau khi đã bị suy giảm do quá trình truyền qua hoặc hấp thụ Tỷ lệ giữa các thành phần năng lượng này thay đổi tùy thuộc vào bước sóng.
Trong tự nhiên, phản xạ năng lượng ánh sáng phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt và thành phần vật chất của các đối tượng Các trạng thái phản xạ này bao gồm: phản xạ hoàn toàn, phản xạ không hoàn toàn và tán xạ hoàn toàn.
Hình 2.7 Các trường hợp tương tác của ánh sáng mặt trời với vật chất
Phản xạ hoàn toàn, hay còn gọi là phản xạ toàn phần hoặc phản xạ gương, là hiện tượng xảy ra khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt nhẵn như gương, với góc tới bằng góc phản xạ Phản xạ toàn phần trái ngược với sự tán xạ, và là một khía cạnh quan trọng trong quang học.
Tia măt trời Tia màt trời d Tán xạ không hoàn toàn
Tia măt trời Tia măt trời xạ gần toàn phần
Sự tán xạ hoàn toàn, hay còn gọi là tán xạ toàn phần (Lambertian), là hiện tượng mà bề mặt của đối tượng phản xạ ánh sáng đều theo mọi hướng Hầu hết các đối tượng trên mặt đất không có khả năng phản xạ gương hay tán xạ tuyệt đối Ngoài ra, còn tồn tại sự tán xạ gần hoàn toàn, thể hiện khả năng phản xạ ánh sáng gần với tán xạ hoàn toàn.
Một bề mặt có thể hoạt động như một gương phản chiếu đối với sóng có bước sóng dài, trong khi lại trở thành bề mặt tán xạ đối với sóng có bước sóng ngắn hơn.
Bề mặt đá có thể phản xạ gương đối với sóng radio nhưng lại tán xạ đối với ánh sáng nhìn thấy, do bước sóng ánh sáng nhỏ hơn kích thước hạt cát Hiện tượng tán xạ cung cấp thông tin về màu sắc của đối tượng và trong viễn thám, các tính chất tán xạ thường được đo hơn là phản xạ gương, vì hiện tượng phản xạ gương hiếm khi xảy ra Tuy nhiên, đôi khi hiện tượng này có thể được quan sát trong ảnh máy bay Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông số quan trọng nhất trong viễn thám, và độ phản xạ phổ được đo theo một công thức cụ thể.
Độ phản xạ phổ là tỷ lệ phần trăm năng lượng chiếu xuống một đối tượng và được phản xạ trở lại Đối với cùng một đối tượng, độ phản xạ phổ sẽ khác nhau tùy thuộc vào các bước sóng khác nhau.
Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính
Đồ thị phổ phản xạ, hay còn gọi là đường cong phổ phản xạ, được xây dựng dựa trên giá trị phổ phản xạ và bước sóng Hình dáng của đường cong này phản ánh rõ ràng tính chất phổ của đối tượng nghiên cứu và phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà thiết bị viễn thám có khả năng ghi nhận tín hiệu phổ.
Hình 2.8 Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tượng tự nhiên chính
Hình dạng của đường cong phổ phản xạ phụ thuộc nhiều vào tính chất của các đối tượng Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng khác nhau trong cùng một nhóm thường có sự khác biệt rõ rệt, nhưng nhìn chung, chúng dao động xung quanh giá trị trung bình.
Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố (Chlorophyll) phản xạ mạnh ánh sáng trong dải sóng từ 0,45 - 0,67 µm, tạo nên màu xanh lục đặc trưng Khi diệp lục tố giảm, thực vật có khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ nhiều hơn, dẫn đến lá cây có màu vàng hoặc đỏ, đặc biệt phổ biến ở rừng khí hậu lạnh vào mùa thu Ở vùng hồng ngoại (0,7 - 1,3 µm), thực vật cũng phản xạ mạnh, nhưng khi chuyển sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng, khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá tăng lên, làm giảm khả năng phản xạ Điều này đặc biệt rõ ràng ở các khu rừng có nhiều tầng lá, như rừng rậm nhiệt đới.
Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng tia xanh lơ và yếu dần khi chuyển sang vùng tia xanh lục, triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do sự tán xạ của các vật chất lơ lửng Những thay đổi về tính chất của nước như độ đục, độ mặn, độ sâu và hàm lượng Clorophyl đều ảnh hưởng đến phổ phản xạ của nó Do đó, khi tính chất nước thay đổi, hình dạng đường cong và giá trị phổ phản xạ cũng sẽ bị thay đổi.
Đường cong phổ phản xạ của đất khô có cấu trúc tương đối đơn giản, với ít cực đại và cực tiểu rõ ràng Điều này xuất phát từ việc các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khô phức tạp và khó xác định hơn so với thực vật.
Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phổ phản xạ của đất bao gồm lượng ẩm, cấu trúc đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự hiện diện của các loại oxyt kim loại, và hàm lượng vật chất hữu cơ Những yếu tố này khiến đường cong phổ phản xạ biến động xung quanh giá trị trung bình Tuy nhiên, quy luật chung cho thấy giá trị phổ phản xạ của đất có xu hướng tăng dần về phía sóng có bước sóng dài Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước xuất hiện ở các bước sóng 1,4; 1,9; và 2,7 µm.
Đá có cấu trúc khối và khô, với phổ phản xạ cong tương tự như đất, nhưng giá trị tuyệt đối thường cao hơn Sự biến động của giá trị phổ phản xạ ở đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm mức độ chứa nước, cấu trúc, thành phần khoáng vật và tình trạng bề mặt.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
2.7.1 Ảnh hưởng của yếu tố không gian
Người ta chia thành hai loại: yếu tố không gian cục bộ và yếu tố không gian địa lý
Yếu tố cục bộ trong chụp ảnh có thể được thể hiện rõ khi so sánh các loại cây trồng Ví dụ, cây trồng theo hàng hoặc luống sẽ phản xạ phổ khác biệt so với cây trồng theo mảng lớn Sự khác nhau này tạo ra những đặc điểm phản xạ phổ riêng cho từng kiểu trồng, ảnh hưởng đến kết quả hình ảnh thu được.
Yếu tố địa lý và thời gian ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thực vật, ngay cả khi chúng thuộc cùng loại Sự khác biệt về điều kiện sinh trưởng ở các vùng địa lý sẽ dẫn đến sự thay đổi trong phản xạ phổ của thực vật.
Khi mặt trời hạ thấp, hình ảnh núi với bóng đổ và cùng một đối tượng trên hai sườn núi sẽ tạo ra sự khác biệt trong phản xạ phổ, với một bên được chiếu sáng và bên còn lại không Để kiểm soát ảnh hưởng của không gian và thời gian đến khả năng phản xạ phổ, cần thực hiện một số phương án nhất định.
Ghi nhận thông tin khi khả năng phản xạ phổ của một đối tượng khác biệt rõ rệt so với khả năng phản xạ phổ của một đối tượng khác là rất quan trọng.
- Ghi nhận thông tin vào những lúc mà khả năng phản xạ phổ của một đối tượng không khác biệt nhiều
- Ghi nhận thông tin thường xuyên, định kỳ qua một khoảng thời gian nhất định
- Ghi nhận thông tin trong điều kiện môi trường nhất định, ví dụ góc mặt trời tối thiểu, mây ít hơn 10%, qua một số ngày nhất định
2.7.2 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian
Thực phủ mặt đất và các đối tượng khác thường xuyên biến đổi theo thời gian, dẫn đến sự thay đổi trong khả năng phản xạ phổ.
Cây rụng lá vào mùa đông và xanh tốt vào mùa xuân, mùa hè, trong khi lúa có màu sắc khác nhau theo từng mùa Do đó, khi phân tích hình ảnh, cần lưu ý đến thời vụ, thời điểm chụp ảnh và đặc điểm của đối tượng để có kết quả chính xác.
2.7.3 Ảnh hưởng của khí quyển
Khi xem xét hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám, năng lượng bức xạ từ mặt trời phải đi qua khí quyển trước khi phản xạ từ bề mặt trái đất và được truyền tới máy ghi trên vệ tinh Do đó, khí quyển có ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên Bề dày khí quyển, khoảng 2.000 km, tác động đến tia sáng từ mặt trời, và đối với các vệ tinh viễn thám, độ dày này ảnh hưởng đến số liệu thông qua tham số độ cao bay của vệ tinh.
Khí quyển ảnh hưởng đến dữ liệu vệ tinh viễn thám thông qua tán xạ và hấp thụ năng lượng Sự biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời trong khí quyển xảy ra do tán xạ và hấp thụ sóng điện từ bởi các thành phần khí quyển và hạt ion Quá trình này làm suy giảm sự phân bố phổ, góc và không gian của tín hiệu phát xạ từ các đối tượng nghiên cứu.
Sau đây chúng ta xem xét ảnh hưởng của khí quyển ở cả hai con đường tán xạ và hấp thụ
Hiện tượng tán xạ là quá trình làm đổi hướng tia chiếu mà không làm mất năng lượng Tán xạ xảy ra khi các thành phần trong khí quyển hoặc các ion phản xạ tia chiếu tới, hoặc do sự không đồng nhất của mật độ không khí ở các lớp khí quyển dày đặc, dẫn đến hiện tượng khúc xạ khi tia chiếu truyền qua.
Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi tia sáng truyền năng lượng qua các nguyên tử không khí trong khí quyển, làm nóng lớp khí quyển, trong khi hiện tượng tán xạ tuyệt đối diễn ra khi không có sự hấp thụ năng lượng Trong hệ thống viễn thám, khi năng lượng tia sáng bị tán xạ, nếu trường thu của ống kính máy ghi thông tin rộng, nó sẽ thu được toàn bộ năng lượng tán xạ; ngược lại, nếu trường thu quá hẹp, chỉ một phần năng lượng sẽ được thu nhận.
Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tán xạ và hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời là:
- Do sự hấ p thụ , khúc xạ năng lượng mặt trời của các phần tử trong khí quyển
- Do sự hấp thụ có chọn lọc bước sóng của hơi nước, ozon và các hợp chất không khí trong khí quyển
- Do sự phản xạ (tán xạ năng lượng chiếu tới, do sự không đồng nhất của khí quyển và các hạt nhỏ trong khí quyển)
Để xác định hệ số hấp thụ (Ea), hệ số phản xạ (Ep) và độ trong suốt (T) của lớp khí quyển, ta có thể sử dụng công thức liên quan đến năng lượng bức xạ toàn phần (Eo) và năng lượng còn lại sau khi bị hấp thụ và tán xạ.
Hiện tượng tán xạ, bức xạ trong khí quyển còn phụ thuộc kích thước hạt gây tán xạ
Khi năng lượng từ nguồn chiếu qua khí quyển vào các vùng có kích thước hạt nhỏ gần bằng bước sóng, hiện tượng tán xạ sẽ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng.
Nếu những vùng kích thước hạt lớn hơn bước sóng rất nhiều như hạt mưa thì ánh sáng tán xạ bao gồm:
- Phản xạ trên bề mặt hạt nước
- Xuyên qua hạt nước hoặc phản xạ nhiều lần trong hạt nước
- Khúc xạ qua hạt nước
Hiện tượng phản xạ phổ không phụ thuộc vào bước sóng mà phụ thuộc vào thành phần không khí Khi có sương mù dày đặc, năng lượng bị tán xạ hoàn toàn, dẫn đến hình ảnh có màu trắng do năng lượng không đến được máy thu thông tin Vì vậy, trong ảnh tổ hợp màu mây, màu trắng luôn chiếm ưu thế.
Khí quyển ảnh hưởng đến bức xạ mặt trời qua ba cơ chế chính: phản xạ, hấp thụ và truyền năng lượng Trong lĩnh vực viễn thám, năng lượng truyền qua khí quyển đóng vai trò quan trọng, giúp thu thập thông tin và phân tích dữ liệu môi trường.
Xét đồ thị đặc trưng cho sự tác động của khí quyển đến bức xạ năng lượng (hình 2.9)
Hình 2.9 Cửa sổ khí quyển
Đồ thị trục hoành biểu thị độ dài bước sóng X và trục tung thể hiện hệ số phản xạ năng lượng nguồn theo phần trăm (%) Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, năng lượng phản xạ đạt mức lớn nhất khoảng 60% so với năng lượng chiếu tới Đồ thị chỉ ra rằng ở mỗi dải sóng khác nhau, năng lượng bức xạ có mức độ phản xạ và hấp thụ khác nhau; một số bước sóng có mức hấp thụ thấp, trong khi những vùng khác lại hấp thụ nhiều năng lượng Đây được gọi là "cửa sổ khí quyển".