Việc khảo cứu mụi trường từ khụng gian bắt ủầu bằng phúng hàng loạt những vệ tinh (Remote sensing - RS) tạo ra nguồn dữ kiện quan trọng bậc nhất cho toàn thế giới. Vỡ vậy, cỏc bộ cảm nhận ủược chọn và cải tiến từ lâu cho vệ tinh LandSat là trung tâm cho việc ghi chép và giải thích các hình ảnh trờn mặt ủất ở toàn ủịa cầu. Những vựng cao nhất vẫn ủược hiểu rừ nhờ kết quả của cỏc vệ tinh ghi chộp mặt ủất. Cỏc vựng thường xuyờn bị bao phủ mõy (cỏc vựng cao và cỏc vựng gần xớch ủạo) sử dụng ảnh viễn thỏm khú khăn hơn. Ảnh viễn thám mùa khô dễ dàng nhận biết hơn mùa mưa vì mùa này ủụi lỳc khụng cú mõy. Vỡ vậy, cỏc cuộc khảo sỏt ủũi hỏi thường xuyờn hơn vào mùa khô.
a- Các kiểu viễn thám liên quan với vùng bước
Viễn thỏm cú thể ủược phõn thành ba loại cơ bản theo bước súng sử dụng 1) Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và phản xạ.
2) Viễn thám hồng ngoại nhiệt 3) Viễn thám siêu cao tần
Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm 1 là bức xạ mặt trời.
Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế ở 0,5 micro mét. Tư liệu viễn thỏm thu ủược trong dải súng nhỡn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trỏi ủất. Vỡ vậy cỏc thụng tin về vật thể cú thể ủược xỏc ủịnh từ cỏc phổ phản xạ. ðõy là nhúm kỹ thuật ủược sử dụng nhiều nhất. Nú cho hỡnh ảnh chất lượng rất cao và hợp với tư duy giải đốn của con người. Yếu điểm của nĩ là rất phụ thuộc vào thời tiết. Chỉ những khi trời trong, khụng mõy, mưa thỡ tư liệu thu ủược mới cú thể sử dụng ủược.
Viễn thám giải sóng nhìn thấy và bức xạ
Viễn thám siêu cao tầng Viễn thám
hồng ngoại nhiệt
Bức xạ Bức xạ nhiệt Bức xạ Hệ số (nhiệt, toả nhiệt) vi sóng tán xạ ngược
Mặt trời Vật thể Vật thể Rada
Nguồn Chủ thể
Dạng bức xạ ủặc biệt
Phổ ủiện từ
Máy quay Máy dò
ảnh ðầu thu
vi sóng
ủầu
Sóng bức xạ phản chiếu
Sóng bức xạ phát ra
UV có thể nhìn bức xạ nhiệt cao tần
ðộ dài bước sóng
Hỡnh 20.1: Sơ ủồ phõn loại viễn thỏm theo bước súng
Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm 2 là bức xạ nhiệt do chính vật thể sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt ủộ bỡnh thường ủều tự phỏt ra một bức xạ cú ủỉnh tại bước súng 10 micro một. Cỏc bộ cảm dựa theo nguyờn lý này thường thu nhận thụng tin về ủờm. Tư liệu thu ủược cho phộp xỏc ủịnh cỏc nguồn nhiệt trờn bề mặt trỏi ủất.
Trong viễn thỏm siờu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ ủộng và bị ủộng ủều ủược ỏp dụng. Trong viễn thỏm siờu cao tần bị ủộng thỡ bức xạ siờu cao tần do chớnh vật thể phỏt ra ủược ghi lại, trong khi viễn thỏm siờu cao tần chủ ủộng lại thu những bức xạ tỏn xạ hoặc phản xạ từ vật thể sau khi ủược phỏt ra từ cỏc mỏy phỏt ủặt trờn vật mang.
Nhỡn chung thỡ kỹ thuật chủ ủộng ủược ứng dụng nhiều và cho hiệu quả cao do việc quan trắc khụng bị giới hạn bởi ủiều kiện khụng mõy của khí quyển. Tuy nhiên việc giải đốn vẫn cịn nhiều khĩ khăn bởi lẽ những thụng tin thu ủược phản ảnh chủ yếu trạng thỏi cấu trỳc vật lý bề mặt của ủối tượng chứ khụng liờn quan nhiều tới thành phần vật chất của ủối tượng.
Nhúm kỹ thuật này vẫn ủang trong giai ủoạn nghiờn cứu và phỏt triển và hứa hẹn một tương lai ứng dụng ủặc biệt cho cỏc vựng nhiệt ủới ẩm cú mưa và mây hầu như quanh năm.
b. Những bộ cảm nhận chủ ủộng hay bị ủộng
Cỏc bộ cảm nhận trong một vệ tinh cú thể ủược dựng ủể khỏm phỏ mà nội dung của nú là ủo lường ba loại năng lượng. Trước tiờn là bộ cảm nhận phản chiếu năng lượng mặt trời từ một bề mặt có thể là mặt nước, một quóng trường lỏng xi măng, một mỏi nhà hoặc một ủỏm mõy. Vật chắn này cú khả năng hấp thụ ỏnh sỏng cú ủộ dài bước súng của năng lượng mặt trời, nó khiến bầu khí quyển tạo ra các ô "cửa sổ", nơi năng lượng xuyên qua dễ dàng và ủấy là do những bước súng thớch hợp hơn cho những mục ủớch nhận biết từ xa (hình 20.1). Thứ hai là các bộ phận cảm nhận có thể dò tìm năng lượng tỏa ra từ bề mặt ủất, bằng cỏch sử dụng bước súng tia hồng ngoại.
ðõy là hai bộ phận cảm nhận bị ủộng và quan trọng bởi vỡ chỳng khụng cú nguồn năng lượng nào khỏc từ mặt trời hoặc sự phỏt xạ từ mặt ủất. Bởi vỡ, tia hồng ngoại cú thể ủo lường vào ban ủờm. Cỏc bộ phận cảm nhận bị ủộng
liờn quan ủến nguồn năng lượng trờn tàu vũ trụ ủược ủiều khiển từ mặt ủất và nguồn năng lượng phản xạ ủo lường trờn vệ tinh - phương phỏp chớnh sử dụng các bước sóng radar.
Hình 20.2: Có ba nguồn chính của dữ liệu vệ tinh nhân tạo.
Thiết bị dũ tỡm thụ ủộng, với nguồn năng lượng chớnh là mặt trời. Cả hai loại năng lượng bức xạ và năng lượng phản xạ có thể nhận thấy do bộ phận cảm nhận chủ ủộng cú nguồn trong vệ tinh nhõn tạo. Súng radar cú thể nhận biết ủược bằng bộ phận cảm nhận thớch hợp.
Nguồn
Thụ ủộng
Bộ phận cảm nhận chủ ủộng
Khí quyển Cảm Cảm Cảm
Bức xạ phản chiếu Bức xạ phát xạ Phân tán phát xạ Nguồn
Hỡnh 20.3: "Cửa sổ" khớ quyển ủó ủược tận dụng bằng hệ thống vệ tinh nhân tạo.
Ngoài ra cũn cú thể nhỡn thấy ủược cỏc bước súng dài (tia hồng ngoại). Sự ủa dạng của bước súng hồng ngoại cú thể xuyờn qua bầu khớ quyển một cỏch hoàn toàn và ủược thu lại bởi bộ phận cảm nhận, do chi tiết của vệ tinh và bộ phận cảm nhận ủặc biệt.
Hình 20.4: Vị trí các vệ tinh Landsat được đặt tại các trạm
trên thế giới. Những vùng không được bao phủ bởi các trạm đất chỉ có thể chụp được rất ít ở các nước đang phát triển và Landsat
không ghi nhận được ở cực Bắc và Nam
c. Sự bùng nổ dữ liệu
Dữ liệu có thể thu thập từ vệ tinh Landsat và Spot của Pháp (hệ thống minh chứng quan trắc từ mặt ủất) và những vệ tinh khỏc. Cỏc hệ thống này ghi chộp cỏc dữ kiện bằng số và hệ số phản xạ ủược ghi lại trong phạm vi những hỡnh chữ nhật và ủược gọi là những "pixel". Những "pixel" này ủược sắp xếp cạnh nhau thành dóy khi vệ tinh di chuyển trờn bề mặt quả ủất ủang quay (hỡnh 20.3). Mỗi hỡnh ảnh LandSat trờn phổ MSS (bộ quột ủa quang phổ) có 2340 dòng quét với 2340 pixel mỗi dòng, tạo ra 7,5 triệu pixel mỗi
và 7 dóy súng cú ủộ phõn giải cao (30mcho toàn bộ ngoại trừ tia hồng ngoại), 79mcho phổ Landsat (MSS) và vì vậy có khoảng 100 triệu pixel mỗi hỡnh ảnh. Mỗi hỡnh ảnh thu ủược trong 35 giõy.
Một vấn ủề liờn quan là nguồn thụng tin. Hầu hết cụng việc ủược thực hiện bằng sử dụng Landsat (Mỹ), một nguồn cung cấp chính gặp khó khăn về giỏ cả. Chi phớ cho hoạt ủộng vệ tinh viễn thỏm rất lớn nờn giỏ của một bức ảnh khỏ cao (khoảng 2000 –3000 USD) dẫn ủến việc sử dụng cũn hạn chế. Hơn nữa, cỏc nước nghốo như Việt Nam khú ủầu tư cho những dự ỏn và trang thiết bị cần thiết. Một lý do nữa là kỹ năng sử dụng bản ủồ giỏm sỏt và thu thập dữ liệu còn khá hạn chế. Nó cần sự phát triển lớn mạnh hơn trong ủào tạo và hệ thống phõn tớch hoàn chỉnh ủối với tiềm lực của dữ kiện vệ tinh ủể ủược cụng nhận trờn toàn thế giới.
d. Các hình ảnh và dữ kiện số
Hiện có một số ít người còn xem nhẹ các hình ảnh vệ tinh, thậm chí, họ chỉ xem như những bức ảnh thông thường. Cuộc cách mạng kỹ thuật số làm thay ủổi chất lượng cỏc bức ảnh. Chỳng thường là cỏc bức ảnh xiờn và tạo ra ủộ trung thực ủối với những hỡnh ảnh lớn khụng rừ trờn tập bản ủồ không bao giờ ngừng ghi hình ảnh. Tuy nhiên, hầu hết các “các sản phẩm”
trắng ủen hay màu ủều ủược tạo từ hỡnh ảnh cú gam màu xỏm từ “pixel” số, dữ liệu pixel ủược ghi chộp và truyền ủi bởi vệ tinh, rất giống hỡnh ảnh trờn tờ bỏo ủược tạo ra bằng hàng ngàn ủiểm chốn lờn nhau, những ủiểm này ủược tạo ra bằng chiếu lờn màn hỡnh những bức ảnh chụp cú ủộ phõn giải cao. Những bức ảnh màu lớn (cú thể ở tỉ lệ 1:250000) ủược tạo ra từ vệ tinh Landsat MSS bằng cách dùng ba màu cơ bản là xanh da trời, xanh lá cây và ủỏ. Quy ước thụng thường là chụp gần tia hồng ngoại IR vỡ dự chựm tia số 7 của vệ tinh Landsat MSS bằng màu ủỏ, ủầu màu ủỏ của quang phổ ủược thấy bằng màu xanh lá cây và màu xanh da trời của quang phổ. Kết quả là những gỡ ủược biết như hỡnh ảnh nhầm màu, với thực vật xanh tốt bằng màu đỏ, nước sâu gần như đen. Việc giải đốn chính xác những hình ảnh vệ tinh sẽ cú giỏ trị rất lớn và thớch hợp với tỉ lệ màn hỡnh ủể tỡm ra kiểu dỏng và thế núi của các dãy sóng vượt quá tầm nhìn. Những dãy sóng này rất hữu ích và ủược dựng nhiều như những bức minh họa giống như trờn truyền hỡnh, ủể mụ tả những hỡnh ảnh ủỏm mõy IR thường ủược chiếu trong cỏc bản dự bỏo thời tiết. Những dữ liệu ủược thể hiện chớnh xỏc nhất (vớ dụ, ủơn giản như
việc ủo diện tớch) bằng những hỡnh ảnh số và phần mềm ủiện toỏn cú thể vận hành và phân tích những hình ảnh vệ tinh trong một vài băng tần sẵn có với cỏc mỏy ủiện toỏn ủể bàn. Trong hầu hết cỏc trường hợp, những hỡnh ảnh ủược vận hành như thể chỳng nằm trờn trục toạ ủộ vuụng Nam – Bắc và đông Ờ Tây (thực sự chúng ựược chụp nghiêng). Những chương trình phần mềm chuyên dụng có thể xử lý hình ảnh một cách chính xác.
e. Cao ủộ tối thiểu của vệ tinh viễn thỏm
Cao ủộ thấp nhất cho một vệ tinh cú thể quay quanh quả ủất khụng bị tỏc ủộng bởi lực cản, bầu khớ quyển là khoảng hơn 700km. ðõy là cao ủộ cho hầu hết cỏc vệ tinh quan sỏt mặt ủất. ðể tăng tối ủa ủộ phõn giải, cỏc vệ tinh Landsat ủầu tiờn (từ năm 1972) ủược ủưa vào quỹ ủạo ủồng bộ với mặt trời. Quỹ ủạo thực hiện vũng quay thế giới trong 18 ngày, riờng vệ tinh Landsat 5 (ủược phúng vào năm 1984) quay quanh quả ủất trong 16 ngày.
Bằng cỏch ủặt một vệ tinh như vậy trong mặt quỹ ủạo và tạo ra hướng quay cựng hướng quay của trỏi ủất, nú sẽ nằm trong một toạ ủộ ủịa lý, nghĩa là nằm trờn một mặt phẳng với mặt ủất và cựng một ủường thẳng với mặt ủất theo chiều thẳng ủứng.
Bằng cỏch giữ cố ủịnh ba vệ tinh ủịa tĩnh như vậy thỡ toàn bộ mặt ủất ủược theo dừi, chủ yếu ủể cung cấp dữ kiện dự bỏo thời tiết. Nhưng ủa số cỏc vệ tinh khụng thay ủổi vị trớ ủịa lý này (vệ tinh ủịa tĩnh). ðộ phõn giải ủối với một vệ tinh ủang bay ở quỹ ủạo thấp là 10 – 17km mỗi pixel, từ 1 – 10km là mức ủặc trưng cho cỏc vệ tinh ủứng yờn.
Cỏc cuộc quan sỏt ủược thực hiện từ bệ phúng, ủược giới hạn bởi những bước súng ủược truyền ủi trong khớ quyển. Những bước súng này ủược ủề cập ủến như những cửa sổ quang phổ. Cỏc dữ kiện quang phổ ủược chia thành cỏc dóy hẹp hoặc rộng MSS (bộ quột ủa quang phổ). ðặc biệt vệ tinh Landsat dựng 4 dóy (quy ủịnh từ số 4 ủến số 7 vỡ hệ thống RBV (Return Beam Vidicon, Vidicon là chựm tia phản xạ cú cỏc dóy từ 1 ủến 3). Ba trong bốn dãy ở trong tầm nhìn và dãy gần tia hồng ngoại, một dãy phát xạ do thực vật xanh tốt và ủược hấp thụ mạnh bởi nước. Hệ thống vẽ bản ủồ chớnh (TM) tiếp theo dùng 7 dãy, 3 dãy ở trong tầm nhìn và rất giống những dãy dùng trong MSS, cùng 4 dãy nằm trong tia hồng ngoại, một dãy nhạy cảm với ủộ ẩm, một dóy tạo ra sự phõn biệt ủịa lý rừ ràng (dóy 7: 2,08 – 2,35) và
dóy cuối cựng (dóy 6) ở trong tia hồng ngoại. ðể lấy ủược năng lượng ủầy ủủ, kớch cỡ pixel của dóy 6 phải lớn hơn 4 lần so với cỏc dóy khỏc. Cỏc bộ cảm khỏc ủược chuyờn chở bởi những vệ tinh quay cú radar, trong khi cỏc vệ tinh khí tượng có kỹ thuật tiên tiến chở nhiều thiết bị chuyên môn. Một trong thiết bị phự hợp nhất cho việc quan sỏt trờn mặt ủất là phúng xạ cú ủộ phân giải cao mang tên “Tiến bộ” (AVHRR). Bức xạ này có nhiều vạch quang phổ. Dụng cụ này thu thập dữ kiện về ủộ bức xạ hàng ngày với phạm vi phõn tớch 4km trờn mặt ủịa cầu. Thụng tin hàng ngày cho phộp sử dụng tất cả những ngày khụng cú mõy. Bằng việc quan sỏt dóy quang phổ ủược hấp thụ mạnh bởi thực vật. Sự chuyển tải dữ kiện bằng vệ tinh ủến mặt ủất bằng vô tuyến. Các vệ tinh Landsat và Spot mang những máy ghi âm tạo ra sự lệch pha trong việc chuyển tải hỡnh ảnh ủến bệ phúng nằm trờn một trạm thu trờn mặt ủất. Cỏc hệ thống phõn tớch cao khụng thể thu thập tất cả cỏc hỡnh ảnh. Vỡ vậy, người ta phải chọn lựa những ủiều kiện ủất ủai, biển cả lớp bao phủ mõy theo các yêu cầu nghiên cứu.
f. ðộ phân giải
ðộ phân giải tăng bằng cách giảm kích cỡ pixel; một phần, qua việc cải thiện trang thiết bị, một phần ủưa cỏc vệ tinh vào quỹ ủạo thấp hơn; vệ tinh Landsat ủặc biệt cú kớch cỡ pixel 79 x 79m, vệ tinh TM cú kớch cỡ pixel 30m (ngoại trừ dóy xa tia hồng ngoại) và vệ tinh Spot ủạt khoảng 10 m. ðối với nhiều người sử dụng, quan sát diện tích lớn bằng hình ảnh vệ tinh thì rất có giá trị. Nó tạo ra một phạm vi nghiên cứu lớn, thậm chí cả với những tấm bản ủồ cú tỷ lệ nhỏ và khú cú hiệu quả với hàng ngàn bức ảnh trờn khụng.
Vì vậy, trong khi phương pháp này hướng về sự chính xác cao trong các dãy súng ủược sử dụng (và sự gia tăng cú ủiều kiện trong cỏc dóy quang phổ) ủược ủng hộ, ủộ phõn giải cần phải ủược cải thiện. Thật ra, ở mức ủộ tối ủa khỏc, một số cụng việc quan trọng ủược thực hiện dựng sự phõn tớch ở phạm vi nhỏ (1 –10km) của cỏc vệ tinh khớ tượng ủịa tuyến. Ở mức phõn giải cao, có những vệ tinh quân sự dùng những kỹ thuật chuyên môn tạo ra những hình ảnh có thể so sánh với những hình ảnh chụp từ máy bay. Chúng chụp những bức ảnh rất rừ ràng từ vũ trụ, rất thớch hợp khi con ủường tiếp cận mặt ủất bị cản trở. Chỳng cũng liờn quan ủến sự cải tiến hỡnh ảnh ủược ghi bằng phương tiện vật lý hơn là sự chuyển tải một hình ảnh bằng dạng số.
Cũng cú vấn ủề quan trọng trong sự phõn tớch quang phổ. Việc thu nhỏ cỏc dóy cũng ủược dựng trong cỏc bộ cảm nhận kế tiếp nhau của vệ tinh Landsat, MSS. ðiều này chỉ ra sự gia tăng trong dóy quang phổ ủược sử dụng, cụ thể là vượt qua tầm nhìn ở phía dài hơn của tia hồng ngoại. Một vài sửa ủổi này ủược tạo ra với những mục tiờu ủặc biệt. Vỡ vậy, sự bổ sung sau cựng ủối với bản ủồ hướng dẫn TM của vệ tinh Landsat D (và những vệ tinh tiếp theo cú bộ phận cảm nhận TM) phản ỏnh quan ủiểm: cú cỏch dựng ủặc biệt trong bản ủồ ủịa chất. Bộ quột quang phổ MSS khụng ủược thử trước khi nú bay lờn vệ tinh Landsat ủầu tiờn. Hệ MSS ủặc biệt ủược duy trỡ cựng bản ủồ hướng dẫn TM từ trờn vệ tinh Landsat 4. ðõy là một phần những hỡnh ảnh tương tự ủược dựng ủể dũ tỡm sự thay ủổi qua thời gian.
20.3.2. Cỏc chương trỡnh ủiện toỏn ủược dựng ủể phõn tớch cỏc hình ảnh số
Khi vệ tinh Landsat ủầu tiờn ủược phúng ủi, cỏc chương trỡnh ủiện toỏn phải ủược soạn thảo ủể phõn tớch dữ kiện. Nghĩa là, ủũi hỏi những mỏy ủiện toỏn chuẩn bị kỹ ủể vận hành, thậm trớ cả những khi cỏc thuật toỏn phức hợp ủược xõy dựng phõn loại cỏc hỡnh ảnh bởi quang phổ. Trong thập kỷ qua, người ta cĩ thể giải đốn ảnh bằng cách sử dụng những chương trỡnh phần mềm như là PCIPS thời kỳ ủầu hoặc IDRISI tinh vi hơn ở thời kỳ sau. Gần ủõy hơn, những chương trỡnh này ủược kết hợp với trỡnh ủộ khỏc nhau trong hệ thống thụng tin ủịa lý (GIS) ủể tạo ra sự kết hợp vệ tinh và dữ kiện quang phổ khỏc. Hầu hết vệ tinh quay trong quỹ ủạo nghiờng. Vỡ vậy, sự kết hợp dữ kiện pixel vệ tinh với dữ kiện bản ủồ ủỳng về mặt hỡnh học cần sự hiệu chỉnh hỡnh ảnh thường liờn quan ủến việc tạo lại mẫu dữ kiện ủể tạo ra những pixel ủược sắp xếp theo ụ toạ ủộ bản ủồ. ðiều này cần cú cụng suất ủiện toỏn lớn và dựng một chương trỡnh như ERDAS. Với phức hợp của dữ kiện vệ tinh lưu trờn mỏy ủiện toỏn ủến hệ thống ủược kết hợp hoàn chỉnh hỡnh ảnh vệ tinh ủược phõn loại với hệ GIS ủược xõy dựng hoàn chỉnh. Với hầu hết cỏc phần mềm ủiện toỏn, trỡnh ủộ hiểu biết nhiều người sử dụng còn hạn chế. ðiều này có những thuận lợi và cả những nguy hiểm.
Thật là tuyệt khi có thể dùng những thuật toán tinh vi, những thuật toán này dựng những kỹ thuật cú liờn quan và mức cực ủại tối ưu ủể bảo ủảm sự phõn loại tối ưu các dữ kiện bội quang phổ. Nhưng nếu không có sự hiểu biết nào ủú về những gỡ ủược vận hành và về dữ kiện ủược sử dụng thỡ một vài kết quả sơ sài thậm chớ là sai lầm cú thể ủược tạo ra. Việc chọn lựa tối ưu cỏc