Tài liệu Giáo trình kỹ thuật viễn thám và thông tin địa lý

Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n PHẦN I: KỸ THUẬT VIỄN THÁM Chương I MỞ ĐẦU 1.1. Các khái niệm Viễn thám tiếng Anh là remote sensing, tiếng Pháp La teledetection có thể xem như 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. Thuật ngữ viễn thám (Remote sensing) điều tra từ xa, xuất hiện từ năm 1960 do một nhà địa lý người Mỹ là E.Pruit đặt ra. Các thông tin thu nhận là kết quả của việc giải mã hoặc đo đạc những biến đổi mà đối tượng tác động tới các môi trường chung quanh như trường điện từ, trường âm thanh hoặc trường hấp dẫn. Ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được phát triển và ứng dụng rất nhanh và rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực. Tuy vậy kỹ thuật viễn thám thường được hiểu từ góc độ của kỹ thuật điện tử, nó bao trùm mọi giải phổ của sóng điện từ, từ sóng rađio tần số thấp tới sóng siêu cao tần, hồng ngoại xa, hồng ngoại gần, sóng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gama. Kỹ thuật viễn thám với những thành phần khác nhau của nó có thể xem như một sự mô phỏng, sự mở rộng khả năng của hệ thống tự nhiên “Mắt - Não ” nghĩa là ta có mối tương đồng như sau: mắt ⇔ não máy ⇔ bộ xử lý Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới vài nghìn km. Kỹ thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn khác nhau như: - Thu nhận thông tin; - Tiền xử lý thông tin; - Phân tích và giải đoán thông tin; - Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp. Vì vậy có thể định nghĩa Viễn thám là sự thu nhận và phân tích thông tin về đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng nghiên cứu. Bằng các công cụ kỹ thuật, viễn thám có thể thu nhận các thông tin, dự kiện của các vật thể, các hiện tượng tự nhiên hoặc một vùng lãnh thổ nào đó ở một khoảng cách nhất định. Chính vì ở một vị trí độ cao như vậy cho nên khả năng thu nhận thông tin ảnh trong một khoảng phổ điện từ rất lớn đối với môi trường quả đất. 1.2. Bước phát triển của kỹ thuật viễn thám và hệ thông tin địa lý 1.2.1. Sự phát triển của kỹ thuật viễn thám Sự phát triển của kỹ thuật 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 mét để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi là năm khai sinh ngành kỹ thuật Viễn 1 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Thám. Năm 1894 Aine Laussedat đã khởi dẫn một chương trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình. Sự phát triển của ngành hàng không đã tạo nên một công cụ tuyệt vời trong việc chụp ảnh từ trên không những vùng lựa chọn và có điều khiển. Những bức ảnh đầu tiên được chụp từ máy bay do Xibur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli ở Italia. Các máy ảnh tự động có độ chính xác cao dần dần được đưa vào thay thế các máy ảnh chụp bằng tay. Năm 1929 ở Liên Xô cũ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật, thổ nhưỡng...Vào những năn 1930 người ta bắt đầu chụp ảnh màu và đồng thời bắt đầu thực hiện nhiều nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp phủ nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng tán xạ và mây mù của khí quyển. Trong chiến tranh thế giới lần 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. Dựa trên kỹ thuật này một kỹ thuật do thám hàng không đã ra đời. Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống siêu cao tần tích cực (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng từ đầu thế kỷ này. Đầu tiên người ta sử dụng để theo dõi và phát hiện những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, kỹ thuật RADAR phát triển mạnh mẽ. Ngày nay sự ứng dụng của nó trong lĩnh vực thăm dò tài nguyên đã trở nên đa dạng và phong phú. Nhiều hệ thống RADAR đã được sử dụng để tiến hành nghiên cứu khí quyển tầng cao, thấp, các cấu trúc bề mặt và gần bề mặt vỏ trái đất, các lớp phủ trên bề mặt trái đất, các tính chất của bề mặt đại dương... Các hệ thống RADAR được thiết kế và chế tạo với nhiều hình thức khác nhau từ những máy đo cao (altimeter) nhằm đo đạc địa hình, máy đo tán xạ (Scatterometerdo) sự gồ ghề của bề mặt địa hình cho đến các hệ thống RADAR tạo ảnh. 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. Cùng thời gian đó công việc nghiên cứu chế tạo các hệ thống RADAR có cửa mở tổng hợp (Syntheric aparture radar - SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu. Các hệ thống này có kích thuớc nhỏ hơn nhiều so với hệ thống có của mở thực và cho phép thu được ảnh có độ phân giải cao, những công việc nhằm hoàn thiện SAR đang được tiến hành và nhiều máy thu SAR đã được phóng lên quỹ đạo như SEASAT SAR (1978), Shurtle Imaging Radar SIR-A (1981) và SIR-B (1984). Vào năm 1956, người ta đã tiến hành thử nghiệm khả năng ảnh máy bay trong việc 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 vào 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 chung quanh. Những máy đặt trên vệ tinh nhân tạo Trái Đất cung cấp thông tin có tính toàn cục về động thái của mây, lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương. 2 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Do tốc độ di chuyển nhanh, độ phủ của ảnh vệ tinh rất lớn nên việc theo dõi động thái của nhiều hiện tượng, đặc biệt là các hiện tượng xảy ra trong khí quyển diễn ra vô cùng thuận lợi. Sự tồn tại tương đối lâu của vệ tinh trên quỹ đạo cũng như khả năng lặp lại đường bay của nó cho phép theo dõi những biến đổi theo mùa, theo hàng năm và trong khoảng thời gian tương đối dài của các đối tượng trên mặt đất như sự biến đổi lớp băng trên vùng cực, sự phát triển của sa mạc, nạn phá rừng, trồng rừng, sự biến đổi lòng sông vv... Hiện nay trong viễn thám công nghệ số chiếm ưu thế, các thông tin Viễn thám được sử dụng kết hợp chặt chẽ với hệ thông tin địa lý (GIS) và hệ định vị bằng vệ tinh (GPS) đã đem lại hiệu quả cao và làm cho công nghệ viễn thám ngày càng thực sự đóng góp vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo an ninh quốc phòng. Để phát triển công nghệ viễn thám nói riêng và công nghệ vũ trụ nói chung nhiều nước đã thành lập cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia NASA của Mỹ, IKI của Nga, NASDA của Nhật Bản, CNES của Pháp, CSA của Canađa ...cũng như trung tâm viễn thám quốc gia như ở Trung Quốc, Canađa. Nhiều nước trên thế giới đã thành lập các công ty viễn thám như công ty SPOT của Pháp, RADARSAT của Canađa EOSAT của Mỹ. Các cơ quan Hàng không vũ trụ liên quốc gia cũng đã được thành lập như Cơ quan Hàng không vũ trụ Châu âu (ESA), Công ty hàng không quân sự và vũ trụ Châu âu (EADS).... Trong khu vực Châu á, các nước Nhật Bản, ấn Độ, Trung Quốc và Hàn Quốc đã đạt được những thành tựu to lớn trong phát triển công nghệ viễn thám. Trong khối ASEAN các nước như như Thái Lan, Indonesia và Singapore đã có các trạm thu ảnh vệ tinh, các tư liệu viễn thám đang được sử dụng phổ biến và đã xây dựng được những cơ sở nghiên cứu và ứng dụng mạnh. Các nước thành viên mới như Lào, Mianma cũng đã bắt đầu tiếp cận với công nghệ viễn thám. Đáng chú ý là nhiều quốc gia đang triển phát khắp các châu lục đều đã hình thành những trung tâm viễn thám quốc gia, đóng vai trò như các cơ quan chuyển giao kỹ thuật vào các mục đích điều tra tài nguyên thiên nhiên, điều kiện tự nhiên và bảo vệ quản lý môi trường. Trong vòng hơn thập kỷ gần đây kỹ thuật viễn thám được hoàn thiện dần dần không những với những thiết bị thu đặc biệt mà nhiều nước dự kiến kế hoạch sẽ phóng vệ tinh điều tra tài nguyên như Nhật, ấn Độ, các nước Châu Âu, đã chế tạo nhiều thiết bị thu (sensor) có độ phân giải cao như TM (Thematic mapper ), rađa, hồng ngoại nhiệt, máy phổ kế tạo ảnh cho phép nâng số kênh phổ lên hàng trăm kênh khác nhau. Tổ chức EOS dự định 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. Ngày nay tia Laze cũng bắt đầu được ứng dụng trong viễn thám. Hiện nay nó được ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu trong khí quyển, làm bản đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang. Viễn thám ngày nay đã cung cấp những thông tin tổng hợp hoặc những thông tin tức thời để có thể khắc phục một loạt các vấn đề thiên tai, theo dõi sự biến động của các tài nguyên hồi phục ( nước, sinh vật ...). 3 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n 1.2.2. Sự phát triển của hệ thông tin địa lý và định nghĩa Hiện nay công nghệ thông tin phát triển rất mạnh mẽ không những ở các nước phát triển mà còn ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, nhiều công nghệ tiên tiến đang được nghiên cứu áp dụng trong đó có công nghệ thông tin chuyên nghiệp như Hệ thông tin địa lý. Lịch sử phát triển của Hệ thông tin địa lý có thể nói bắt đầu từ việc xây dựng các bản đồ. Vào thế kỷ 18, nhu cầu phân định , quản lý biên giới, lãnh thổ trở nên cấp bách các quốc gia bắt đầu công việc vẽ bản đồ có một cách hệ thống. Vấn đề dữ liệu lúc này đã mang tính toàn cầu, vì vậy nó cần được xác định một cách chính xác và khách quan. Xuất phát từ yêu cầu đó đã ra đời phương pháp lập bản đồ và các phương pháp tính toạ độ. Như vậy bản đồ được thành lập một cách khoa học và có hệ thống. ở đây có thể phân biệt hai loại bản đồ cơ bản, đó là bản đồ địa hình là loại thông tin chung cho mọi loại bản đồ chuyên đề khác, loại thứ hai là bản đồ chuyên đề. Thuật ngữ " bản đồ chuyên đề" được sử dụng rất rỗng rãi và không chỉ cho bản đồ về những mục tiêu chung như " đất ", " nước " mà còn được dùng để biểu diễn rất chi tiết các tính chất, thuộc tínhcủa đối tượng nghiên cứu. Mọi bản đồ đều có đặc điểm chung, đó là dự liệu bản đồ được vẽ trên giấy hoặc phim. Thông tin được biểu diễn dưới dạng điểm, đường và vùng. Các đới tượng đị lý được thể hiện trên bản đồ bằng nhiều kỹ xảo, chẳng hạn bằng các ký hiệu, các màu sắc hoặc text mà các ý nghĩa của chúng được để trong phần chú giải, ở đó người ta ghi lại thông tin một cách chi tiết hơn. Như vậy bản đồ giấy cùng với chú giải tạo thành một cơ sở dự liệu có một số hệ quả vô cùng quan trọng cho công tác thu thập dữ liệu, mã hoá các thông tin đựơc ghi trong chú giải. Đó là: - Dữ liệu nguyên thủy là dữ liệu có dung lượng rất lớn, hoặc đã được phân loại một cách rõ ràng hiểu được và dễ biểu diễn được. Vì vậy một số thông tin thứ yếu có thể bị bỏ qua; - Bản đồ được vẽ một cách chính xác và những thể hiện của các đối tượng phức tạp đều phải rất rõ ràng; - Bản đồ được chia thành nhiều mảnh; - Khi dữ liệu được đưa lên bản đồ, nó không dễ dàng xoá được hoặc bổ sung tổng hợp thêm dữ liệu khác; - Bản đồ giấy là các dữ liệu tĩnh, nó khó khăn áp dụng phép phân tích không gian một cách định lượng; Từ những năm 1960 người ta đã sử dụng máy tính trong lĩnh vực bản đồ học, tất nhiên mới ở mức độ trợ giúp vẽ và in. Từ năm 1977 các thử nghiệm sử dụng máy tính trong công tác bản đồ có những bước tiến rõ rệt thể hiện ở các điểm sau: 1. Tăng tốc độ làm việc với bản đồ; 2. Giá thành sản phẩm hạ; 3. Bản đồ gần với mục đích sử dụng của người dùng; 4. Có thể làm bản đồ khi không cần kỹ xảo hoặc vắng kỹ thuật viên; 5. Có khả năng biểu diễn khác nhau cho cùng một dữ liệu 6. Dễ dàng cập nhật dữ liệu mới; 7. Có khả năng phân tích tổng hợp các dữ liệu thống kê và bản đồ; 4 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n 8. Hạn chế sử dụng bản đồ in, hạn chế tác hại làm giảm dữ liệu; 9. Có khả năng thành lập các bản đồ rất khó làm bằng tay, ví dụ như bản đồ 3 chiều; 10. Thành lập bản đồ trong đó có sự lựa chọn và thủ tục tổng quát hoá chắc chắn và rõ ràng. Việc ứng dụng máy tính trong công việc bản đồ cho thấy nó đã phát triển song song tự động hoá công tác thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu, biểu diễn nhiều lĩnh vực rông lớn như: địa chính, giao thông công chính, địa hình, địa lý, đất, nghiên cứu hoá học, ảnh, quy hoạch thành phố, nông thôn, mạng, viễn thám, xử lý ảnh,... Do có nhiều công việc trùng nhau và có nhiều công việc phải phối hợp từ nhiều ngành được giải quyết bằng một hệ thống chung, liên kết nhiều dạng xử lý số liệu không gian như: Bản đồ, CAD, ảnh, phân tích không gian, nội suy và ký thuật viễn thám nên cần phải phát triển một tập các công cụ để thu thập, lưu trử, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhàm thực hiện một mục đích cụ thể. Tập các công cụ kể trên được giọi là Hệ thống Thông tin địa lý. Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua: - Vị trí địa lý của đối tượng thông qua hệ toạ độ; - Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí; - Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topo). Như vậy ta có thể định nghĩa Hệ thống Thông tin địa lý như sau: Định nghĩa: Hệ thống Thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm các phần mềm, các phần cứng và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản lý và phân tích, biểu diễn dữ liệuđịa lý phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất. 1.3 Bước phát triển viễn thám và hệ thông tin địa lý ở Việt Nam Kỹ thuật VT đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 (viện điều tra quy hoạch rừng). Nếu kể đến phương pháp ảnh máy bay thì nhiều ngành đã sử dụng sớm hơn như: lâm nghiệp, địa chất. Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật VT 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. Đây là đợt thí nghiệm khoa học kỹ thuật VT đầu tiên ở Việt Nam có sự phối hợp 3 tầng nghiên cứu - tầng vũ trụ (có tàu vũ trụ Coliut-7 đặt thiết bị MKF-6)tầng máy bay ( máy bay AH-30 đặt thiết bị MKF-6 ) và tầng khảo sát mặt đất. Hai tầng mặt đất và máy bay đều tiến hành đo phổ. Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị khoa học về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ Xô Việt năm 1980 trong đó một phần quan trọng là kết quả 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 vv... Tiếp tục phát huy các kết quả đạt được UB nghiên cứu vũ trụ Việt Nam đã hình thành một tiến bộ khoa học trọng điểm “ Sử dụng các thành tựu vũ trụ ở Việt Nam ” mang mã số 48-07 trong đó có vấn đề Viễn thám. Thông qua chương trình khoa học này kỹ thuật Viễn thám được 5 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n đặt ra để giải quyết các nhiệm vụ thực tiễn với tư cách như một công cụ của phương pháp điều tra cơ bản về tài nguyên thiên nhiên. Chương trình trên 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 vv... - 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. - Thông qua các dự án viện trợ quốc tế của UNDP và FAO như VIE 76/011 và VIE 83/004 Viện khoa học Việt Nam nay là Trung tâm Khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia đã được trang bị một số thiết bị chính cho kỹ thuật VT. Trong đó đáng chú ý nhất là 1. Hệ xử lý ảnh số ROBOTRON 2. Thiết bị tổng hợp ảnh màu 3. Phòng thí nghiệm kỹ thuật ảnh Các thiết bị đặt ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Từ những năm 1990 bên cạnh việc mở rộng công tác nghiên cứu thử nghiệm 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 và đã thu được những kết quả rõ rệt về khoa học công nghệ và kinh tế góp phần thực hiện tốt các chức năng nhiệm vụ của ngành. 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. Nhiều ngành, nhiều cơ quan đã trang bị các phần mềm mạnh phổ biến trên thế giới như các phần mềm ENVI, ERDAS, PCI, ER MAPPER, OCAPI,... cùng với các ohần mềm để xây dựng hệ thông tin địa lý. Tuy nhiên hiện nay việc sử dụng kết hợp công nghệ viễn thám với hệ thông tin địa lý (GIS) và GPS còn chưa đạt được hiệu quả cao. Đến nay ở Việt Nam vẫn chưa có Trung tâm Viễn thám Quốc gia nhưng do yêu cầu cấp thiết của ngành nên đã hình thành 20 Trung tâm và phòng viễn thám, đó là các cở sở nghiên cứu và đưa tiến bộ kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng vào công tác chuyên môn như : - Trung tâm viễn thám Tổng cục địa chính. - Phòng viễn thám của Viện điều tra Quy hoạch Rừng bộ Lâm nghiệp (cũ), nay là bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn. - Các phòng địa chất ảnh của Liên đoàn địa chất - Bản đồ địa chất và intergeo của Tổng cục địa chất. - Trung tâm viễn thám và địa chất - Viện địa chất, trung tâm KH tự nhiên và CNQG. - Trung tâm liên ngành Viễn Thám & GIS của TTKHTN và CNQG với Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn. - Bộ phận viễn thám của Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn. 6 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n - Các trạm thu ảnh vệ tinh khí tượng của Tổng cục Khí tượng Thủy văn. Những cơ sở này được trang bị một số máy móc thiết bị cần thiết cho kỹ thuật viễn thám. Trong những năm qua đội ngũ những người làm công tác viễn thám bằng hình thức đào tạo ngắn hạn trong và ngoài nước đã lên tới con số hàng trăm người. Do tính chất đa ngành và đạt hiệu quả cao nên trong một thời gian ngắn nhiều ngành đã chủ động và đòi hỏi cần nhanh chóng đưa tiến bộ kỹ thuật Viễn thám vào như một nhiệm vụ của ngành. Tuy nhiên do một số khó khăn về thiết bị cũng như tư liệu viễn thám (phim ảnh, băng từ) nên việc ứng dụng kỹ thuật này còn nhiều hạn chế. Đại hội Đảng cộng sản Việt Nam lần thứ IX đã đề ra chiến lược phát triển kinh tế - xã hội 2001 - 2010. Giai đoạn này Việt Nam có những nhiệm vụ to lớn về phát triển kinh tế - xã hội theo hướng vươn tới sự phát triển bền vững trên cơ sở sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và giảm thiểu thiên tai. Để đạt được mục tiêu này các ngành, các cơ quan quản lý nhà nước cũng như các cơ quan quy hoạch, thiết kế cần được cung cấp kịp thời các thông tin liên quan đến tài nguên thiên nhiên, môi trường, thiên tai và các mặt về kinh tế - xã hội trên phạm vi từng vùng, miền cũng như trên cả nước. Bên cạnh đó nước ta có một giải biên giới dài trên đất liền và vùng thềm lục địa rộng lớn bao quanh nên lĩnh vực an ninh quốc phòng cũng cần được cung cấp các thông tin các mặt kịp thời để tránh mọi bất ngờ về chiến lược cũng như để chỉ đạo chiến thuật. Trước tình hình trên đã đặt ra nhiều nhiệm vụ về ứng dụng phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam, trong đó các nhu cầu cấp bách trong giai đoạn 2001 - 2010 (theo dự thảo của đề án " Kế hoạch tổng thể về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam giai đoạn 2001 - 2010 " của bộ Khoa học công nghệ và môi trường III-2002) bao gồm: - Ứng dụng công nghệ viễn thám trong công tác khí tượng và điều tra khảo sát tài nguyên, trước hết là tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, tài nguyên đất, tài nguyên nước cũng như trong công tác bản đồ trên phạm vi toàn quốc. - Ứng dụng công nghệ viễn thám cho mục đích giám sát bảo vệ môi trường và phòng chống thiên tai. - Ứng dụng công nghệ viễn thám để phục vụ cho câc chương trình phát triển kinh tế xã hội. - Ứng dụng công nghệ viễn thám trong điều tra nghiên cứu biển. - Ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ các nhiệm vụ an ninh quốc phòng. - Đẩy mạnh nghiên cứu triển khai công nghệ viễn thám Câu hỏi chương I. 1. Các khái niệm về viễn thám. 2. Những bước phát triển viễn thám ở Việt Nam. 7 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Chương II CƠ SỞ KỸ THUẬT VIỄN THÁM 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Đặc tính của sóng điện từ Viễn thám là một khoa học và một nghệ thuật của sự nghiên cứu các thông tin thu nhận được thông qua sự phân tích các dữ kiện nhận được bằng các công cụ kỹ thuật mà không tiếp xúc với đối tượng, một vùng hoặc một hiện tượng nào đấy. Sự thu nhận dữ kiện (data acquisition) có thể dưới nhiều dạng khác nhau có thể dưới dạng phân bố các năng lượng điện từ hay các trường vật lý. Trong phần này chúng ta chỉ đề cập đến các thiết bị thu (sensor) năng lượng điện từ thông thường được đặt trên vệ tinh hay trên máy bay. 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 một số đặc tính của sóng điện từ ví dụ như thành phần phổ, sự phân cực, cường độ và hướng phản xạ làm cho mỗi đối tượng xác định một cách duy nhất. Mức độ phản xạ hoặc hấp thụ của một vật ở thể khí trong vùng sóng hồng ngoại hoặc milimet sẽ cho ta xác định được thành phần, mật độ cũng như nhiệt độ của nó. Thành phần phổ phản xạ của một vật ở thể rắn trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại cho ta thấy thông tin về thành phần hoá học và trong một số trường hợp cả cấu trúc mạng tinh thể của nó. Mức độ phân cực cũng như thành phần phổ phản xạ của chùm tia rađa từ bề mặt của đối tượng giúp ta phán đoán được mức độ gồ ghề, cấu trúc hình học và một số hằng số điện từ của bản thân bề mặt và lớp gần bề mặt của đối tượng. Cường độ bức xạ của một vật trong vùng sóng nhiệt và sóng micromet cho phép ta xác định tính chất nhiệt của đối tượng. Cường độ và đặc tính phổ của chùm tia X hoặc Gama cung cấp thông tin về cấu trúc hạt nhân của vật 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. Trong vùng sáng nhìn thấy và sóng hồng ngoại máy thu (sensor) nhận được tín hiệu gồm 3 thành phần chính : - Tán xạ từ khí quyển; - Tán xạ từ mặt đất; - Phản xạ từ mặt đất. Trong đó, phần ánh sáng tán xạ từ khí quyển không mang một chút thông tin gì về bề mặt Trái Đất. Trong vùng sóng nhiệt và sóng micromet tín hiệu thu được chỉ gồm hai phần: - Tán xạ từ mặt đất; - Phản xạ từ mặt đất. ảnh hưởng khí quyển gần như không có. 8 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Trong vùng sóng radar do khả năng phân biệt của tần số thấp gây nên bởi các lớp phản xạ khác nhau, tín hiệu thu được bao gồm tán xạ từ bề mặt, trong lòng đối tượng và của lớp cận bề mặt. Bởi vậy một hệ thống radar bao gồm các bước sóng khác nhau sẽ cho phép nghiên cứu cấu trúc bên trong cũng như sự phân bố các lớp của vật thể trên bề mặt Trái Đất. Hình 2.1. Hệ thống thông tin viễn thám Hình 2.2. Các băng phổ sử dụng trong Viễn thám 9 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n 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 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. Những khoảng sóng này gọi là cửa sổ khí quyển. Tất cả các máy thu viễn thám đều được thiết kế những giải phổ nằm trong các cửa sổ khí quyển này. 2.1.2 Các quá trình của kỹ thuật Viễn thám Có thể nói trong kỹ thuật viễn thám có 2 quá trình chính đó là thu nhận dữ kiện (data acquisition) và phân tích dữ kiện (data analysis). Đối với quá trình thứ nhất : Ta có nguồn năng lượng (a), sự truyền năng lượng qua khí quyển (b), năng lượng tác động qua lại với các yếu tố mặt đất (c), Các sensors đặt trên máy bay hoặc vệ tinh (tàu vũ trụ) (d). Các sản phẩm thu nhận được từ các sensors có thể ở dạng hình ảnh hoặc dạng số (e). Tóm lại ở quá trình thứ nhất chúng ta dùng các sensors để nhận các năng lượng điện từ phản xạ từ bề mặt trái đất. Quá trình thứ hai - phân tích dữ kiện, sẽ tiến hành giải đoán bằng mắt các thông tin ảnh hoặc bằng máy tính để xử lý các thông tin thu được dưới dạng số (f). Tất cả các thông tin xử lý được sau này sẽ được thể hiện dưới dạng bản đồ, biểu bảng hoặc các báo cáo (g) và cuối cùng các sản phẩm này được chuyển giao cho những người sử dụng để phục vụ cho các yêu cầu hay nhiệm vụ cụ thể. Hình 2.3. Các quá trình kỹ thuật viễn thám 2.2 Các nguồn năng lượng và 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 10 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n 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 sau : C = f.λ (1) ở đây : c - tốc độ ánh sáng và là một hằng số ( 3 × 108 m/s ) f - tần số λ - bước sóng Trong viễn thám một đặc trưng quan trọng trong 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 - 1.10 -6 m). Hình 2.4. Sóng điện từ Trên giải phổ điện từ (bảng 2.1) khoảng nhìn thấy chiếm một khoảng rất hẹp mà mắt người có thể nhận biết từ 0.4 μm đến khoảng 0.7 μm. Màu xanh (blue) ứng với khoảng phổ 0.4 - 0.5μm, màu xanh lá cây (green) ứng với 0.5 - 0.6μm và màu đỏ (red) ứng với 0.6 - 0.7 μm. Năng lượng cực tím nằm sát với khoảng nhìn thấy về phía sóng ngắn về phía sóng dài tiếp theo vùng nhìn thấy là sóng phản xạ hồng ngoại (IR) và tiếp đến là vùng hồng ngoại. Sóng radio chiếm một vùng dài hơn. Trên bảng 2-1 là sự phân bố các giải sóng điện từ. 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. ở đây cần chú ý phân biệt sự khác nhau giữa vùng phản xạ hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt. Vùng hồng ngoại nhiệt có quan hệ trực tiếp với sự thụ cảm nhiệt còn đối với phản xạ hồng ngoại nhiệt thì không. 11 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Bảng 2-1. Các giải phổ điện từ Giải phổ Bước sóng (micromet) Đặc điểm Tia gama 0.0003μm - Bức xạ tối thường bị hấp thụ toàn bộ bởi tầng khí quyển phía trên và không có khả năng dùng trong VT. Vùng tia X 0.0003-.03 μm - Hoàn toàn bị hấp thụ bởi khí quyển không sử dụng được trong VT. Vùng tia cực tím 0.03- 0.4μm Vùng tia cực tím chụp ảnh Vùng nhìn thấy Vùng hồng ngoại 0.3 - 0.4μm - Các bức xạ tối có bước sóng nhỏ hơn 0.3μm hoàn toàn bị hấp thụ bởi tầng ozôn của khí quyển. - Truyền qua khí quyển ghi nhận được vào phim và các photo detecter nhưng bị tán xạ mạnh trong khí quyển. Vùng hồng ngoại nhiệt Vùng cực ngắn Vùng rađa Vùng rađio - Tạo ảnh với phim và photo detecter, đạt cực đại của năng lượng phản xạ ở bước sóng 0.5. - Phản xạ lại bức xạ mặt trời không có thông tin về tính chất 0.7 - 10μm nhiệt của đối tượng. Băng từ 0.7 - 1.1 μm được nghiên cứu với phim và gọi là hồng ngoại gần. 3-5 đến 8- - Các chỉ số khí quyển chính ở nhiệt ghi được hình ảnh của các bước sóng này, yêu cầu phải có máy quét quang cơ và hệ thống 14μm máy thu đặc biệt gọi là hệ thống “ vibicol ” không phải bằng phim. 0.1 - 30 cm - Các bước sóng dài hơn có thể hay vùng rađa xuyên qua mây, sương mù và mưa. Các hình ảnh có thể ghi được trong dạng chủ động hay bị động. 0.1 - 30 cm - Dạng “ chủ động của VT sóng sóng cực ngắn ”. Hình ảnh rađa được ghi lại ở các băng sóng khác nhau. > 30 cm - Là vùng có bước sóng dài nhất trong phổ điện từ. Một vài sóng rada được phân ra với các bước sóng rất dài được sử dụng trong vùng sóng này. 0.4 - 0.7μm Năng lượng của một quantum được xác định theo công thức : E = hf (2) Ơ đây : E - năng lượng của một quantum tính bằng joul (J) h - hằng số Planek bằng 6.26 × 10 -34 (j.s) Từ phương trình (1) và (2) ta có h.c E = ⎯⎯⎯ λ (3) 12 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n 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 (xem hình 2.5). Điều này có một mối liên quan hết sức quan trọng trong viễn thám. Từ một điểm các tia sóng dài như phát xạ sóng micro từ một mục tiêu của mặt đất sẽ khó thu nhận hơn so với các bức xạ của sóng ngắn hơn như là năng lượng hồng ngoại nhiệt. Hình 2.5. Nguồn năng lượng và mối quan hệ với bầu khí quyển ở các giải sóng Mặt trời là một nguồn bức xạ hiển nhiên nhất cho viễn thám.Theo lý thuyết hạt tất cả các vật có nhiệt độ trên nhiệt độ tuyệt đối (0o K 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 . T4 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/OoK). 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 là năng lượng hấp thụ phát xạ phản hồi. Một số hệ thống thu sensor cần phải sử dụng nguồn năng lượng riêng như hệ thống radar thì được goị là hệ thống “ chủ động “ (active) còn hệ thống thu sensor thu nhận nhờ năng lượng tự nhiên có được thì được gọi là hệ thống “ thụ động “ (passive). Có thể nêu ví dụ như một máy ảnh chụp có đèn chiếu là chủ động còn chụp không đèn là thụ động. 13 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n 2.3 Những tác động của năng lượng đối với các đối tượng bề mặt đất Khi một bức xạ sóng điện từ lan truyền tới bề mặt trái đất, nó có thể bị phản xạ, hấp thụ và truyền qua. Theo định luật bảo toàn năng lượng sự tương quan giữa các phần có thể được mô tả theo công thức sau : Ei ( λ ) = E R ( λ ) + E A ( λ ) + E T ( λ ) Trong đó : E i ( λ ) - năng lượng của chùm tia bức xạ tới; E R ( λ ) - năng lượng của chùm tia bị phản xạ; E A ( λ ) - năng lượng của chùm tia bị hấp thụ; E T ( λ ) - năng lượng của chùm tia truyền qua. Sự tương quan giữa các phần năng lượng E R, E A, E T phụ thuộc vào hai yếu tố sau: Thứ nhất tỷ lệ năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền tải sẽ khác nhau đối với các đối tượng khác nhau phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc bề mặt của nó. Thứ hai tỷ lệ năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền tải trên cùng một đối tượng cũng rất khác nhau ở những bước sóng khác nhau. Vì vậy hai đối tượng có thể phân biệt được trong cùng một giải bước sóng nhưng nó lại rất khác nhau ở bước sóng khác nhau. Có rất nhiều hệ thống viễn thám hoạt động trên những độ dài bước sóng mà năng lượng phản xạ chiếm ưu thế. Ta có thể giải thích mối liên hệ về cân bằng năng lượng theo phương trình sau: E R ( λ ) = Ei ( λ ) - [ E A ( λ ) + E T ( λ ) ] Những đặc điểm về phản xạ của những đối tượng trên bề mặt trái đất có thể định lượng bằng việc xác định phần năng lượng phản xạ. Như vậy thành phần phổ phản xạ được xác định theo tỷ lệ sau: pλ ER(λ) = ⎯⎯⎯⎯ × 100 % Ei ( λ ) Trong đó : p λ - Thành phần phổ phản xạ tính bằng %; E R ( λ ) - Năng lượng của bước sóng λ được phản xạ từ vật thể; E i ( λ ) - Năng lượng của bước sóng λ tới trên bề mặt của vật thể. Từ đường cong phổ phản xạ cho ta biết được đặc tính phổ của vật thể và có ảnh hưởng lớn trong việc chọn vùng độ dài bước sóng mà dữ liệu viễn thám thu nhận được cho mục đích ứng dụng thực tế. Thực vật nhìn chung phản xạ yếu trong giải sóng nhìn thấy . Sự phản xạ của chúng bị ảnh hưởng trước tiên bởi hàm lượng diệp lục. Chất diệp lục hấp thụ hơn 90% năng lượng trong giải sóng blue (0.45 μm) và red (0.65 μm). Giữa hai vùng hấp thụ này là vùng phản xạ ở bước sóng 0.55 μm, năng lượng phản xạ vào khoảng 20%. Trong vùng sóng hồng ngoại gần sự phản xạ của thực vật tăng lên đột ngột ở bước sóng 0.68 - 0.7 μm. 14 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Hình 2.6. Đường cong phản xạ phổ điển hình của nước, thực vật và đất Trong vùng phổ hồng ngoại có bước sóng ngắn sự phản xạ giảm đi khi bước sóng tăng lên. Mức độ phản xạ trong vùng sóng hồng ngoại gần phụ thuộc vào kiểu thực vật vì thế có thể căn cứ vào nó để phân loại phủ thực vật. Hình 2.7. Phản xạ phổ của các loại thực vật khác nhau Trong hình 2.7 cho thấy đường cong phổ phản xạ của thực vật rụng lá hàng năm và thực vật lá kim. Đường cong cho mỗi kiểu đối tượng được biểu thị như là một giải giá trị chứ không phải là một đường đơn. 15 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Hình 2.8. Đường cong phổ phản xạ của các loại đá và khoáng chất khác nhau Từ các hình trên cho ta quyết định về sự lựa chọn một hệ cảm nhận giúp cho việc thành lập bản đồ về những vùng rừng đã tách biệt được cây rụng lá và cây lá kim. Việc lựa chọn bằng mắt cũng có thể là một cách nhưng nó gây ra nhiều vấn đề khó khăn. Chẳng hạn, những đường cong độ phản xạ cho mỗi kiểu cây hầu như phủ lên tất cả phần nhìn thấy của giải phổ, vì vậy mắt thường có thể cùng nhìn thấy một bóng màu xanh lá cây nhưng khó nhận ra được cây rụng lá hay cây lá kim. Tuy nhiên ta có thể suy đoán bằng những chuẩn dạng như kích thước, độ nét, vị trí... nhưng việc nhận dạng rất khó khi ở trên cao, khi các cây xen lẫn nhau. Vậy làm thế nào để phân biệt được hai loại dựa trên đặc tính của giải phổ?. Chúng ta có thể làm việc này bằng cách sử dụng hệ thống bộ phận cảm nhận sensor để ghi lại băng cận hồng nhiệt, quét vào băng từ và đưa ra kết quả trên máy tính. 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phản xạ 2.4.1 Thành phần vật chất Thực vật: Thực vật có màu sắc khác nhau do hấp thụ các giải sóng màu xanh (0.45 - 0.65 μm) khác nhau. Nguyên nhân gây nên bởi hàm lượng nước ở trong lá và bề dày của lá vì trong vùng sóng này nước hấp thụ mạnh các sóng hồng ngoại vì vậy dễ dàng phân biệt được thực vật với các đối tượng khác bằng hai vùng phản xạ sóng xanh lá cây (green) và hồng ngoại gần (near infrared). 16 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Nước : giải sóng 0.4 - 0.5 μm (blue) màu sắc của nước sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào độ khoáng hoá, thành phần lơ lửng, chiết xuất của nước. Đất : thành phần vật chất trong đất (oxit kim loại, chất mùn, các chất khoáng, độ ẩm v.v... Đá : các loại đá khác nhau về thành phần vật chất sẽ có độ phản xạ khác nhau. Ví dụ: cát, đá bazan, đá granit, đá phiến (do chứa các khoáng vật khác nhau). 2.4.2 Cấu tạo vật chất Đất : Đường kính hạt đất tăng thì độ phản xạ giảm nguyên nhân là khi độ hạt tăng có nhiều lỗ hổng và nhiều nước sẽ hấp thụ ánh sáng do đó độ phản xạ giảm. Đá : hạt mịn phản xạ mịn hơn hạt thô. Thực vật : cấu tạo lá khác nhau sẽ phản xạ khác nhau, cấu tạo tán lá khác nhau cũng gây phản xạ khác nhau. Từ các nhận xét trên rút ra kết luận. Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng khác nhau thì sẽ khác nhau. Do đặc điểm phổ phản xạ khác nhau nên các đặc điểm thu được trên ảnh cũng sẽ khác nhau. Vì sự liên hệ giữa phổ phản xạ và độ sáng trên ảnh quan hệ tuyến tính với nhau. Vì vậy bản chất về sự khác biệt độ sáng trên ảnh (hay tôn ảnh) chính là sự khác biệt về phổ phản xạ của đối tượng hay chính là sự khác biệt về bản chất của đối tượng. Tuy nhiên sự phản xạ phổ chỉ là trên bề mặt hoặc sát bề mặt của các đối tượng. 2.5 Hệ thống thông tin viễn thám Hệ thống các thông tin viễn thám thu nhận được nhờ các công cụ thiết bị khác nhau từ một khoảng cách nhất định đối với đối tượng nghiên cứu. Như trên đã nêu kỹ thuật Viễn thám được phát triển trên cơ sở thu nhận các năng lượng điện từ phản xạ từ bề mặt trái đất. Tuỳ thuộc vào các công cụ thu nhận thông tin mà người ta chia ra làm hai loại. 1) Hệ thống thông tin ảnh ( photographic information ); 2) Hệ thống thông tin không ảnh ( nonphotographic information ). 2.5.1 Hệ thống thông tin ảnh Đây là loại thông tin thông thường và phổ biến nhất thường gặp trong Kỹ thuật viễn thám dưới dạng phim ảnh băng từ. Để thu nhận thông tin này người ta thường sử dụng các thiết bị thu khác nhau được gọi chung là các sensor. Hệ thống các sensor thụ động (passive) chủ yếu dùng nguồn năng lượng mặt trời và được phân biệt ba loại sau: c Hệ thống khung (framing systems) Hệ thống còn được gọi là buồng chụp ảnh (Framing camera) - Hệ thống thu nhận liên tục hình ảnh của một vùng hay một khung lên địa hình. Các buồng chụp cảnh sử dụng phim cho phép thu nhận được các ảnh có kích thước lớn, mật độ thông tin cao và độ chính xác hình học tốt. Nhược điểm của nó thể hiện trong việc chuyển phim về trái đất (Mắt người ta cũng có thể xem như hệ thống khung). 17 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Hình 2.9. Hệ thống khung (Framming Camera) Các loại máy ảnh thường là các loại máy ảnh bản đồ (mapping camera) trong đó có loại dùng vào mục đích thăm dò, các loại camera chụp toàn cảnh hoặc loại camera chụp theo từng băng hẹp. Các loại máy này có thể sử dụng phim đen trắng, phim màu, phim hồng ngoại, phim màu hồng ngoại.v.v.. Vidicon là một dạng của máy chụp ảnh vô tuyến mà nó ghi lại hình ảnh lên một lớp bề mặt nạp cảm ưngs điện từ. Các buồng chụp cảnh sử dụng phim điện tử (electronic framing camera) cho phép chụp được ảnh trên nhiều giải phổ khác nhau, tư liệu thu được ở dạng số, độ ổn định hình học tốt, rất khó chụp ở vùng rộng lớn. d Hệ thống quét (scanning systems) Hệ thống sử dụng các tế bào quang điện (detector) với trường nhìn hẹp, trường nhìn này quét dọc theo địa hình để tạo hình ảnh. Khi các phần tử của năng lượng điện từ phát ra hoặc phản xạ lại từ địa hình gặp đột ngột các detector và các tín hiệu điện từ được xuất hiện mà sự khác nhau tỷ lệ với số lượng photon - các tín hiệu điện từ được khuếch đại và ghi lại trên băng từ sau đó tạo nên hình ảnh. Tất cả các hệ thống quét thực hiện quét các trường nhìn của các detector dọc theo địa hình tạo nên một loạt các tia song song. Có bốn kiểu quét là quét dọc, quét ngang, quét vòng cung và quét bên sườn 18 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Hình 2.10. Quét dọc địa hình Hình 2.11. Quét ngang địa hình Hệ thống quét điện tử (Push broom scaner) có nhiều ưu điểm, trong đó phải kể đến sự ổn định hình học trong từng hàng. Tuy vậy yếu điểm chính nằm trong việc sử dụng hệ thống quang học có trường nhìn rộng. e Hệ thống đa phổ Các hệ thống khung và quét nêu trên ghi đơn điệu hình ảnh của một băng phổ đơn điệu. Đối với Viễn Thám cần phải thu ở nhiều băng phổ khác nhau trên các phương khác nhau, vì vậy mà các máy ảnh đa phổ đồng thời ghi hình ảnh ở 3 hoặc 4 băng khác nhau ở khoảng nhìn thấy (blue 0.4-0.5μm, green 0.5-0.6 μm, red 0.6-0.7 μm và hồng ngoại gần 0.7-0.8 μm). Như vậy máy chụp ảnh đa phổ với 4 ống kính, 4 cửa đóng moẻ, cung cấp 4 ảnh của cùng một khu vực trên 4 phim khác nhau tách biệt. Với bất kỳ 3 phimdương bản trắng đen nào của máy chụp ảnh đa phổ cũng có thể ghi lại và chiếu thành các màu cộng cơ bản (xanh da trời - blue, xanh lá cây - green, màu đỏ - red) để tạo nên ảnh màu tổng hợp. Hiện nay trong kỹ thuật viễn thám các loại máy ảnh đa phổ được sử dụng rộng rãi như - I2 S của Mỹ - MB . Y90 của Nhật - KAT7 1000 Liên Xô - MSK .4 CHDC Đức - MKF . 6 CHDC Đức - Hasselblad Thuỵ Điển Kết quả thu nhận thông tin này dưới dạng các bức ảnh đen trắng, màu thật và màu giả để có thể tiếp tục xử lý và giải đoán ảnh. Các thiết bị quét thường phân làm hai loại: máy quét đa phổ (multiscanner) và máy quét đường (linescanner) . 19 Kü thuËt viÔn th¸m vµ hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý Bé m«n tÝnh to¸n thuû v¨n Hình 2.12. Sơ đồ hệ thống quét và thu hình ảnh LANDSAT Ưu điểm của máy quét đa phổ là thu được một giải sóng rộng từ 0.3μm (cực tím) đến hồng ngoại nhiệt (10 - 12 μm). Do khả năng quét trong một khoảng phổ rộng như vậy nên các thông tin thu được hết sức quý giá để giải quyết nhiều nhiệm vụ mà các máy ảnh đa phổ không giải quyết được. Chính nhờ ưu việt này mà hiện nay người ta dần dần thay thế các thiết bị camera bằng các thiết bị quét. Các thông tin thu được do thiết bị quét có thể xử lý bằng các phương pháp tổng hợp màu hoặc xử lý bằng máy tính điện tử và sẽ cho kết quả về các tư liệu phân tích. Hệ thống các sensor chủ động (active) là các loại chụp ảnh hệ thống rada. Các thông tin thu nhận được sẽ xử lý trên các thiết bị máy tính điện tử. 2.5.2 Hệ thống thông tin không bằng ảnh Hệ thống thông tin không bằng ảnh được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám gồm : c Các thông tin về phổ Đây là loại thông tin viễn thám hết sức quan trọng và ngày càng sử dụng rộng rãi trong KTVT. Có thể xác định các giá trị phản xạ phổ tự nhiên của các đối tượng nghiên cứu ở mặt đất để suy ra bản chất và phát hiện trực tiếp không cần thông qua ảnh. Thí dụ với sự hiểu biết đầy đủ về phổ phản xạ một số khoáng sản kim loại có thể giúp phát hiện các thân quặng chính xác và dự đoán được trữ lượng. d Các thông tin về trường vật lý 20