Tài liệu Giáo trình cơ sở viễn thám

BÔÔ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NÔÔI TS VŨ DANH TUYÊN TS TRỊNH LÊ HÙNG ThS PHẠM THỊ THƯƠNG HUYỀN CƠ SỞ VIỄN THÁM HÀ NÔÔI 2013 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU................................................................................................................................4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUÂÂT VIỄN THÁM..................................................4 1.1 MỞ ĐẦU......................................................................................................................6 1.1.1 Khái niê Âm về viễn thám.........................................................................................6 1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển............................................................8 1.1.3 Các ứng dụng của viễn thám................................................................................11 1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM............................................................11 1.3 CƠ SỞ VÂÂT LÝ CỦA VIỄN THÁM........................................................................15 1.3.1 Tính chất của bức xạ điê n tư................................................................................15 1.3.2 Tương tác năng lượng sóng điê n tư trong khí quyển..........................................18 1.3.3 Tương tác năng lượng sóng điê n tư với các đối tượng tự nhiên.........................19 1.3.4 Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.............................................21 1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên...26 Chương 2: BÔ CẢM BIẾN VÀ VÊ TINH VIỄN THÁM..................................................28 2.1 NHỮNG KHÁI NIÊÂM CHUNG VỀ BÔ CẢM BIẾN..............................................28 2.2 BÔ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG KỸ THUÂÂT VIỄN THÁM...........................31 2.2.1 Máy quét quang cơ...............................................................................................31 2.2.2 Máy quét điê Ân tử..................................................................................................31 2.2.3 Các bô  cảm biến thông dụng................................................................................32 2.3 VÂÂT MANG VÀ QUỸ ĐẠO BAY...........................................................................33 2.4 VÊ TINH GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN......................................................................37 2.4.1 Vê  tinh LANDSAT...............................................................................................37 2.4.2 Vê  tinh SPOT.......................................................................................................40 2.4.3 Mô t số vê  tinh khác..............................................................................................41 Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM...............................................................46 3.1 VIỄN THÁM HÀNG KHÔNG..................................................................................47 3.2 VIỄN THÁM HỒNG NGOẠI NHIÊÂT......................................................................51 3.2.1 Khái niê m  và nguyên lý cơ bản...........................................................................51 3.2.2 Đă Âc điểm hình học của ảnh hồng ngoại nhiê .Ât.....................................................56 3.2.3 Khả năng ứng dụng của ảnh hồng ngoại nhiê Ât....................................................57 3.3 VIỄN THÁM RADAR...............................................................................................65 3.3.1 Khái niê m  và nguyên lý cơ bản...........................................................................65 3.3.2 Đă Âc điểm hình học của ảnh radar........................................................................70 3.3.3 Khả năng ứng dụng của ảnh radar.......................................................................74 Chương 4: ẢNH VÊ TINH QUANG HỌC VÀ XỬ LÝ ẢNH VÊ Â TINH QUANG HỌC81 4.1 KHÁI NIÊÂM VỀ ẢNH SÔ.........................................................................................81 4.2 ĐÔ PHÂN GIẢI CỦA ẢNH VÊ TINH.....................................................................83 4.2.1 Đô  phân giải không gian......................................................................................83 4.2.2 Đô  phân giải bức xạ.............................................................................................84 4.2.3 Đô  phân giải phổ..................................................................................................84 4.2.4 Đô  phân giải thời gian..........................................................................................85 4.3 KHUÔN DẠNG DỮ LIÊÂU ẢNH..............................................................................85 2 4.4 PHÂN TÍCH ẢNH BẰNG MẮT...............................................................................87 4.4.1 Khái niê m  .............................................................................................................87 4.4.2 Các dấu hiê Âu phân loại.........................................................................................88 4.5 XỬ LÝ ẢNH SÔ........................................................................................................90 4.5.1 Tiền xử lý ảnh.......................................................................................................90 4.5.2 Tăng cường chất lượng ảnh...............................................................................101 4.5.3 Chuyển đổi ảnh..................................................................................................104 4.5.4 Phân loại ảnh......................................................................................................120 LỜI NÓI ĐẦU 3 Viễn thám là mô Ât ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, tuy nhiên sự phát triển mạnh mẽ của khoa học viễn thám chỉ bắt đầu tư những thâ Âp kỷ cuối thế kỷ 20. Với những ưu điểm nổi bâ t so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống như đô  phủ trùm rô Âng, có khả năng chụp lă Âp lại trong thời gian ngắn, có thể chụp ảnh những vùng mà viê Âc điều tra, thăm dò, đi lại rất khó khăn, … ngày nay kỹ thuâ t viễn thám đã được ứng dụng hiê u quả trong nghiên cứu, giám sát tài nguyên và môi trường cũng như trong mục đích quân sự. Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên, môi trường trở thành xu hướng phát triển tất yếu của mọi quốc gia, trong đó có Viê Ât Nam. Ở Viê Ât Nam, kỹ thuâ t viễn thám bắt đầu được sử dụng tư những năm cuối cuối của thế kỷ XX, ban đầu nhằm thành lâ Âp và hiê u chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lê Â. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuâ t , tư liê u ảnh vê  tinh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, tư lâ Âp bản đồ hiê n trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên nước, tài nguyên rưng, dự báo năng suất lúa, …Tháng 5 năm 2013, vê  tinh viễn thám đầu tiên của nước ta mang tên VNREDSAT đã được phóng thành công lên quỹ đạo. VNREDSAT sẽ cung cấp nguồn dữ liê Âu ảnh phong phú phục vụ nghiên cứu, giám sát tài nguyên, môi trường và đảm bảo quốc phòng, an ninh. Dự kiến trong thời gian tới, các thế hê  vê  tinh viễn thám tiếp theo, đă Âc biê Ât là viễn thám radar sẽ tiếp tục được triển khai nhằm chủ đô n g nguồn tư liê u phục vụ nghiên cứu, sản xuất. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học Trái đất nói chung, kỹ thuâ Ât viễn thám nói riêng dẫn tới nhu cầu cấp bách về nguồn nhân lực có chuyên môn cao về lĩnh vực này. Chuyên ngành Viễn thám đã được đưa vào đào tạo ở nhiều trường đại học ở trình đô  kỹ sư, cao học và nghiên cứu sinh cũng như các khóa ngắn hạn. Mă Âc dù mô Ât số giáo trình đã được xuất bản, trong thực tế giảng dạy ở Viê Ât Nam vẫn còn thiếu giáo trình về viễn thám tư mức cơ sở đến chuyên sâu. Bên cạnh đó, chương trình đào tạo của các trường đại học cũng có đă Âc thù riêng đòi hỏi giáo trình về viễn thám cũng phải phù hợp với các lĩnh vực đào tạo cụ thể của trường. Mục đích của viê Âc biên soạn cuốn “Cơ sở Viễn thám” này nhằm làm giáo trình phục vụ sinh viên đại học các chuyên ngành thuô Âc khoa học Trái đất tại trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nô i . Cuốn sách cung cấp những kiến thức cơ bản, nền tảng nhất của kỹ thuâ t viễn thám, giúp sinh viên nắm được bản chất của khoa học viễn thám, nguyên lý hoạt đô Âng, các phương pháp xử lý và phân loại ảnh. Kiến thức trong giáo trình cũng là kiến thức bắt buô c để sinh viên có thể theo học các học phần tiếp theo về viễn thám. Giáo trình “Cơ sở viễn thám” gồm 4 chương do TS Vũ Danh Tuyên làm chủ biên, các cán bô  giảng dạy có nhiều kinh nghiê m  của Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nô Âi, Học viê Ân Kỹ thuâ t Quân sự đảm nhâ n . Phân chia nhiê m  vụ viết các chương trong giáo trình như sau: 1. TS Vũ Danh Tuyên, chủ biên, biên soạn chương 1,4. 2. TS Trịnh Lê Hùng, biên soạn chương 3,4. 4 3. Th.S Phạm Thị Thương Huyền, biên soạn chương 2. Mă Âc dù được chuẩn bị kỹ lưỡng nhưng trong cuốn sách này chắc chắn còn tồn tại những thiếu sót. Các tác giả rất mong được các nhà khoa học, các bạn sinh viên và đô Âc giả quan tâm góp ý để giáo trình được hoàn thiê Ân hơn. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn. Thay mặt nhóm biên soạn: TS. Vũ Danh Tuyên 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUÂÔT VIỄN THÁM 1.1 MỞ ĐẦU 1.1.1 Khái niê Ôm về viễn thám Khái niê Ôm Viễn thám là mô Ât ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời. Sự phát triển của khoa học viễn thám bắt đầu tư mục đích quân sự khi nghiên cứu các ảnh chụp sử dụng phim và giấy ảnh tư khinh khí cầu, máy bay. Ngày nay, cùng sự phát triển của khoa học kỹ thuâ Ât, viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, nông nghiê Âp, lâm nghiê Âp,... Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách gián tiếp với đối tượng nghiên cứu. Tư những ảnh chụp phim ban đầu thu nhâ n tư khinh khí cầu, máy bay, …hiê Ân nay, nguồn dữ liê u chính trong viễn thám là ảnh số thu nhâ n tư các hê  thống vê  tinh quan sát Trái đất. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng xét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có mô Ât đă Âc điểm chung, nhấn mạnh “viễn thám là khoa học nghiên cứu các thực thể, hiê Ân tượng trên trái đất tư xa mà không cần tác đô n g trực tiếp vào nó”. Mô Ât số định nghĩa tiêu biểu về viễn thám của các nhà khoa học khác nhau như: 1. Viễn thám là mô t nghê  thuâ Ât, khoa học, nói ít nhiều về mô t sự vâ Ât không cần phải chạm vào vâ Ât đó (Ficher and others, 1976); 2. Viễn thám là quan sát về mô Ât đối tượng bằng mô Ât phương tiê Ân cách xa vâ Ât trên mô Ât khoảng cách nhất định (Barrer and Curtis, 1976); 3. Viễn thám là mô Ât khoa học về lấy thông tin tư mô Ât đối tượng, được đo tư mô Ât khoảng cách xa vâ Ât không cần tiếp xúc với nó. Năng lượng được đo trong các hê  viễn thám hiê n nay là năng lượng điê n tư phát ra tư vâ Ât quan tâm(Landgrete, 1978); 4. Viễn thám là ứng dụng vào viê Âc lấy thông tin về mă Ât đất và mă Ât nước của Trái đất bằng viê Âc sử dụng các ảnh thu được tư mô Ât đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điê Ân tư, đơn kênh hoă Âc đa phổ, bức xạ hoă Âc phản xạ tư bề mă t Trái đất(Janes Capbell, 1996); 5. Viễn thám là khoa học và nghê  thuâ Ât thu nhân thông tin về mô t vâ Ât thể, mô t vùng, hoă Âc mô t hiê n tượng, qua phân tích dữ liê Âu thu được bởi những phương tiê n không tiếp xúc với vâ Ât, vùng hoă Âc hiê Ân tượng khi khảo sát(Likkesand and Kiefer, 1986); Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điê Ân tư hoă Âc được phản xạ, hoă Âc bức xạ tư vâ Ât thể. Thiết bị dùng để cảm nhâ n sóng điê Ân tư phản xạ hoă Âc bức xạ tư vâ Ât thể được gọi là bô  cảm biến (sensor). Bô  cảm biến có nhiê m  vụ chuyển đổi 6 giá trị điê Ân tư sang giá trị số để thu được ảnh số (digital number). Phương tiê Ân dùng để mang các bô  cảm được gọi là vâ Ât mang. Hiê n nay, vâ Ât mang rất đa dạng, có thể là khinh khí cầu, máy bay, vê  tinh, tàu vũ trụ,... Các thành phần chính của mô Ôt hê Ô thống viễn thám Mô t hê  thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hê  chă t chẽ với nhau. Trình tự hoạt đô n g của các thành phần trong hê  thống viễn thám được mô tả trong hình sau: Hình 1.1 Các thành phần trong hê ê thống viễn thám Nguồn năng lượng (A): thành phần đầu tiên của hê  thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điê Ân tư tới đối tượng cần nghiên cứu. Trong viễn thám chủ đô n g sử dụng năng lượng phát ra tư nguồn phát đă Ât trên vâ Ât mang, còn trong viễn thám bị đô n g, nguồn năng lượng chủ yếu là bức xạ mă Ât trời. Những tia phát xạ và khí quyển (B): bức xạ điê n tư tư nguồn phát tới đối tượng nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó đi qua. Sự tương tác với đối tượng (C): sau khi truyền qua khí quyển đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tùy thuô Âc vào đă Âc điểm của đối tượng và sóng điê Ân tư. Sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ trở lại khí quyển. Thu nhâ ân năng lượng bằng bô â cảm biến (D): sau khi năng lượng được phát ra hoă Âc bị phản xạ tư đối tượng, cần có bô  cảm biến để tâ Âp hợp lại và thu nhâ n sóng điê Ân tư. Năng lượng điê Ân tư truyền về bô  cảm sẽ mang thông tin của đối tượng. Sự truyền tải, thu nhâ ân và xử lý (E): năng lượng được thu nhâ n bởi bô  cảm cần được truyền tải (thường dưới dạng điê Ân tư) đến mô Ât trạm thu nhâ n dữ liê Âu để xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này là dữ liê u thô. Phân loại và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong các mục đích khác nhau. Để nhâ n biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giải đoas chúng. 7 Ảnh được phân loại bằng viê Âc kết hợp các phương pháp khác nhau (phân loại bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự đô Âng,...). Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hê  thống viễn thám, được thực hiê Ân khi ứng dụng thông tin thu nhâ n được trong qúa trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toán cụ thể. 1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển Mô Ât số tài liê u nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính tư thế ký thứ 4 trước công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera – obscura (obscura dark). Mă Âc dù những thành tựu đáng kể trong lý thuyết quang học đã đạt được tư thế kỷ 17 cũng như thấu kính quang học đã xuất hiê n sớm hơn, bước phát triển thực sự đầu tiên của khoa học viễn thám là vào giữa thế kỷ 19. Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp bề mă t trái đất tư khinh khí cầu được thực hiê n vào năm 1858 bởi nhà nhiếp ảnh người Pháp Gaspard Tournachon. Ông đã sử dụng khinh khí cầu ở đô  cao 80 m để chụp ảnh vùng Bievre nước Pháp. Tư sự viê Âc này, năm 1858 được coi là năm khai sinh của kỹ thuâ t viễn thám. Năm 1860, James Black đã chụp ảnh vùng Boston, Mỹ cũng tư khinh khí cầu. Năm 1863, Mackwell đã tìm ra các định luâ t về sóng điê n tư, kết quả này là cơ sở vâ Ât lý cơ bản của lý thuyết viễn thám. Hình 1.2 Ảnh viễn thám đầu tiên trên thế giới (vùng Bievre, Pháp, 1858) Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghê  chụp ảnh tư máy bay phục vụ mục đích quân sự. Công nghê  chụp ảnh tư máy bay đã kéo theo sự ra đời của rất nhiều thiết kế về các loại máy chụp ảnh, là cơ sở hình thành 8 mô Ât ngành khoa học mới: đo đạc ảnh (photogrammetry). 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 vâ Ât, thổ nhưỡng. Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 đã chứng kiến những bước nhảy thực sự trong kỹ thuâ t viễn thám. Ngành khoa học đo đạc ảnh đã phát triển lên tầm cao mới: tạo ra các dụng cụ cảm biến bước sóng hồng ngoại, các hê  thống radar,...Trong thời gian này đã chứng kiến những cuô c thử nghiê m  nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mă t địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho chụp ảnh màu hồng ngoại. Dựa trên kỹ thuâ Ât này, mô Ât kỹ thuâ Ât do thám hàng không đã ra đời. Trong vùng sóng dài của sóng điê n tư, các hê  thống siêu cao tần (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng để theo dõi và phát hiê n những vâ Ât thể chuyển đô n g, nghiên cứu tầng ion. Vào những năm 50 của thế kỷ 20 người ta tâ Âp trung nghiên cứu nhiều vào viê Âc phát triển các hê  thống radar tạo ảnh có cửa mở thực (RAR), đồng thời hê  thống radar có cửa mở tổng hợp (Syntheric Aparture Radar SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu. Vào năm 1956, tại Mỹ đã tiến hành thử nghiê m  khả năng dủng ảnh hàng không trong viê Âc phân loại và phát hiê Ân kiểu thực vâ Ât. Đến những năm 1960, các cuô Âc thử nghiê Âm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và đa phổ đã được tiến hành. Năm 1972, mô Ât mốc quan trọng trong lịch sử phát triển viễn thám được đánh dấu với viê Âc Mỹ đã phóng thành công lên quỹ đạo vê  tinh nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên LANDSAT. Sự kiê n này mang đến khả năng thu nhâ n thông tin có tính chất toàn cầu về môi trường xung quanh. Cho đến hiê n nay, đã có 8 vê  tinh trong chương trình LANDSAT được thực hiê n , trong đó có 7 vê  tinh được phóng thành công lên quỹ đạo. Hiê n nay, vê  tinh LANDSAT 8 sau khi phóng thành công lên quỹ đạo đầu năm 2013 đang hoạt đô n g tốt và cung cấp mô Ât kho dữ liê u lớn trong nghiên cứu tài nguyên Trái đất. Trong những năm 60, 70 thế kỉ 20, tàu Apollo đã chụp Trái đất dưới dạng ảnh nổi và đa phổ, cho ra các thông tin hữu ích trong nghiên cứu mă t đất. Ngành hàng không vũ trụ Liên Xô (cũ) và Nga ngày nay đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái đất tư vũ trụ. Các nghiên cứu đã được thực hiê Ân trên các tàu vũ trụ có người như Soynz, Meteor, Cosmos hoă Âc trên các trạm Salyut. Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ đô  phân giải cao, như MSU - E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp tư vê  tinh Cosmos có 5 kênh phổ khác nhau, với kích thước 18 x 18 cm. Ngoài ra các ảnh chụp tư các thiết bị chụp KATE - 140, MKF - 6M trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra 6 kênh ảnh thuô Âc dải phổ tư 0.4 µm đến 0.89 µm. Đô  phân giải mă Ât đất tại tâm ảnh đạt 20m. Kỹ thuâ t viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Viê Ât Nam tư năm 1976 để điều tra quy hoạch rưng. Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuâ Ât viễn thám ở Viê Ât Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter Cosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Liên Xô – Viê Ât Nam tháng 07 năm 1980. Kết 9 quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hô Âi nghị khoa học về kỹ thuâ Ât vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ năm 1980, trong đó mô Ât phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF - 6M vào mục đích thành lâ Âp mô Ât loạt bản đồ chuyên đề như địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước, thủy văn, rưng,...Cô Ât mốc quan trọng nhất đánh dấu sự phát triển của kỹ thuâ Ât viễn thám ở Viê Ât Nam là sự kiê n vê  tinh viễn thám VNREDSat 1 Vietnam ( Natural Resources, Environment and Disaster - monitoring Satellite - 1A) được phóng thành công lên quỹ đạo vào 07/05/2013 tại sân bay vũ trụ Kourou (Pháp). Hiê n nay, VNREDSat 1 bắt đầu cung cấp dữ liê u ảnh phục vụ nhu cầu quốc phòng, an ninh cũng như nghiên cứu, giám sát tài nguyên môi trường ở nước ta. Hình 1.3 Hình ảnh thủy điện Sông Bung 2, tỉnh Quảng Nam ngày 9/8/2013 do vệ tinh VNREDSAT - 1 chụp Tư những năm 1990 nhiều ngành đã đưa kỹ thuâ t viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn như các ngành khí tượng, đo đạc và bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên rưng và đã thu được những kết quả rõ rê Ât. Kỹ thuâ t viễn thám kết hợp với hê  thống thông tin địa lí GIS đã được ứng dụng để thực hiê Ân nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiều dự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiê n tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất thiên tai ở mô Ât số vùng. Hiê n nay, viễn thám ở nước ta đã chuyển dần tư công nghê  tương tự (analog) sang công nghê  số kết hợp với GIS giúp xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về đô  chính xác với quy mô sản xuất công nghiê Âp. 1.1.3 Các ứng dụng của viễn thám 10 Với những ưu điểm nổi bâ t so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, lĩnh vực ứng dụng của viễn thám rất đa dạng. Hiê Ân nay, kỹ thuâ t viễn thám đã được ứng dụng rô n g rãi trong nông nghiê Âp, lâm nghiê Âp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất, môi trường, … và thu được những thành tựu to lớn. Trong nông – lâm nghiê Âp, kỹ thuâ Ât viễn thám được ứng dụng nhằm xác định các loài thực vâ Ât, dự báo mùa vụ và đánh giá khả năng sinh trưởng của cây trồng, kiểm kê rưng, đánh giá mâ t đô  lớp phủ, dự báo và phát hiê n cháy rưng, …Trong địa chất, kỹ thuâ t viễn thám đã được sử dụng rô n g rãi nhằm phát hiê Ân và lâ Âp bản đồ phân bố các loại khoáng sản, lâ Âp bản đồ cấu trúc các lớp địa chất, địa mạo, nghiên cứu dự báo đô Âng đất, núi lửa, …Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biển và tài nguyên nước là mô Ât trong những lĩnh vực đạt được những kết quả quan trọng nhất. Kỹ thuâ Ât viễn thám đã được sử dụng để nghiên cứu biến đô Âng đường bờ, nghiên cứu quần thể đô n g – thực vâ Ât biển, theo dõi các dòng chảy và đô  đục/trong của nước, … Ở nước ta, kỹ thuâ t viễn thám bắt đầu được sử dụng tư những thâ p kỷ cuối của thế kỷ XX, ban đầu nhằm thành lâ Âp và hiê u chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lê Â. Ngày nay, tư liê u ảnh vê  tinh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, tư lâ p bản đồ hiê Ân trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên nước, tài nguyên rưng, dự báo năng suất lúa, … Lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều cơ quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùng lãnh thổ khác nhau, tư khu vực nhỏ đến tỉnh, vùng và toàn quốc. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các vùng như Tây Nguyên, đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng,… được thành lập trong khuôn khổ các chương trình điều tra tổng hợp, đều đã sử dụng ảnh vệ tinh như một nguồn tài liệu chính. Những bản đồ này được thành lập trong những năm 1989, 1990 và do các cơ quan nghiên cứu khoa học và điều tra cơ bản thực hiện. Bản đồ được thành lập chủ yếu ở tỉ lệ 1: 250 000. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc năm 1990 tỉ lệ 1: 1 000 000 được thành lập bằng nhiều nguồn tài liệu, trong đó ảnh vệ tinh LANDSAT - TM. Bản đồ này do Tổng cục Quản lý ruộng đất (nay thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường), cùng một số các cơ quan khác thực hiện. Bên cạnh đó, năm 1993 Tổng cục Quản lý đất đai, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Điều tra Quy hoạch rưng, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) đã thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc tỉ lệ 1: 250 000 bằng ảnh LANDSAT - TM. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh và các khu vực hẹp hơn của một số địa phương cũng được thành lập bằng ảnh vệ tinh. Những bản đồ này thường được thành lập ở các tỉ lệ 1:100 000 (cấp tỉnh) đến 1: 25 000 (khu vực cụ thể) và do các Viện thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Quy hoạch và Thiết kế nông 11 nghiệp, Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số Trường Đại học thực hiện trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu và các dự án. Năm 2000, một số Sở Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng ảnh vệ tinh. Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên Môi trường đã thành lập bình đồ ảnh vũ trụ tỷ lệ 1: 10 000 phục vụ kiểm kê đất đai của 13 tỉnh trong đợt kiểm kê đất năm 2005. Tư 1979 ảnh vệ tinh được bắt đầu sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rưng và trở thành một công cụ quan trọng trong điều tra quy hoạch và thiết kế kinh doanh rưng. Ảnh vệ tinh LANDSAT TM được sử dụng rất nhiều trong xây dựng các bản đồ rưng cấp vùng và toàn quốc (1985 -1990). trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rưng toàn quốc, giai đoạn 1991-1995”, nghiên cứu biến động rưng ngập mặn trong 20 năm ở Minh Hải, dự án Mê Công “Theo dõi, đánh giá biến động lớp phủ rưng” (Forest Cover Monitoring). Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ được sử dụng trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rưng toàn quốc, giai đoạn 2001 - 2005” để lập bản đồ rưng và sử dụng đất cho 64 tỉnh, thành phố hoàn toàn bằng công nghệ xử lý ảnh số. Ảnh vệ tinh SPOT được sử dụng trong các Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rưng toàn quốc, giai đoạn 19962000” để xây dựng bản đồ hiện trạng rưng và sử dụng đất cấp tỉnh tỷ lệ 1:100.000, dự án phục hồi rưng ngập mặn Cà Mau, dự án “Phát triển hệ thống thông tin rưng nhiệt đới – Information System Development Project for Tropical Forests”. Ảnh vệ tinh độ phân giải cao Quickbird được sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rưng và sử dụng đất tỷ lệ 1:10000 cho 2 lâm trường M’drac và Nam Nung (2004 - 2005), các xã vùng đệm thuộc dự án Bảo vệ và Phát triển những vùng đất ngập nước ven biển miền Nam Việt Nam do WB tài trợ (2005). Đối với nông nghiệp. Ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu được triển khai trong các công trình nghiên cứu đơn lẻ hay môt số các dự án do nước ngoài tài trợ. Trong khuôn khổ các dự án “Quy hoạch nguồn nước lưu vực Srepok” và “Phát triển bền vững đất nông nghiệp Tây Nguyên” Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp đã phối hợp với một số cơ quan, tổ chức trong và ngoài nước lập bản đồ sử dụng đất trên cơ sở giải đoán bằng mắt ảnh vệ tinh LANDSAT MSS, TM và SPOT. Viện đã sử dụng kết hợp các phần mềm xử lý ảnh viễn thám và GIS xây dựng bản đồ lớp phủ một số xã thí điểm tỉnh Bắc Kạn tư ảnh SPOT. Một dự án thử nghiệm “Hệ thống thông tin cây trồng Việt Nam” đã thực hiện ở huyện Đại Tư, Thái Nguyên với mục tiêu cung cấp nhanh chóng, xác thực số liệu về qui mô diện tích cây trồng (trọng tâm là cây chè) tư tư liệu viễn thám, so sánh số liệu thu thập tư nguồn này với thống kê và đề xuất một số giải pháp phát triển vùng sản xuất chè. Dự án đã góp phần chứng minh khả năng lớn của công nghệ viễn thám và GIS trong đáp ứng kịp thời nhu cầu giám sát diễn biến diện tích cây trồng nông nghiệp và dự báo những vùng có thay đổi lớn ở cấp quốc gia, đồng thời tạo cơ sở khoa học tin cậy cho 12 những quyết định về quy hoạch nông nghiệp nông thôn và những quyết sách về chuyển đổi cơ cấu nông nghiệp và phát triển nông sản hàng hóa. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã giao cho viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp chủ trì dự án “ Điều tra hiện trạng sản xuất một số cây công nghiệp lâu năm toàn quốc (chè, cà phê, cao su, hồ tiêu và điều) ”. Ảnh viễn thám SPOT 5 với độ phân giải 10m ở các kênh đa phổ và 2,5m ở kênh toàn sắc được sử dụng trong điều tra diện tích các loại cây công nghiệp lâu năm trọng điểm. Nghiên cứu biến động sử dụng đất. Nghiên cứu biến động sử dụng đất là một trong những lĩnh vực quan trọng và khó khăn trong điều tra, giám sát môi trường, trong đó ảnh vệ tinh đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu. Nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, điều tra cơ bản, giáo dục ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công nghệ viễn thám để thực hiện nhiệm vụ này như Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý, Nghiên cứu biển thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Liên đoàn Bản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường... , đã tiến hành nhiều thử nghiệm dưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án và đã thu được những kết quả ban đầu quan trọng. Trong chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường, Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số cơ quan khác đã sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để khảo sát biến động của bờ biển, lòng sông, biến động rưng ngập mặn, diễn biến rưng, biến động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một số vùng). thành lập các bản đồ rưng ngập mặn tỉ lệ 1: 100 000 phủ trùm toàn dải ven biển và tỉ lệ lớn hơn cho tưng vùng, bản đồ đất ngập nước toàn quốc tỉ lệ 1: 250.000. Sử dụng ảnh radar theo dõi lúa. Cho đến nay ở Viê Ât Nam đã có một số nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học như ảnh NOAA/AVHRR hoặc SPOT/Vegetation cho việc theo dõi sự tăng trưởng mùa màng, nói chung, và mùa vụ lúa nói riêng. Tuy nhiên độ phân giải không gian của chúng (1 km) không cho phép theo dõi tưng thửa ruộng. Các tư liệu viễn thám quang học khác như LANDSAT và SPOT có thể sử dụng cho mục đích này, nhưng phần lớn thời gian gieo trồng lúa ở vùng nhiệt đới là mùa mưa, nhiều mây. Vì vậy không hoặc ít khi có được ảnh quang học có chất lượng tốt. Để khắc phục hạn chế này, các tư liệu viễn thám radar được sử dụng vì ảnh radar cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời, thích hợp cho việc giám sát sự tăng trưởng cây lúa, lập bản đồ và dự báo năng suất mùa vụ. Tại Việt Nam, thông qua một dự án hợp tác giữa viện nghiên cứu lúa IRRI, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Đại học Cần Thơ đã chọn một khu vực tại Đồng Bằng Sông Cửu Long làm thử nghiệm theo dõi lúa (1998). Trong khuôn khổ chương trình công nghệ thông tin IT 2000, Trung tâm liên ngành viễn thám và GIS thực hiện dự án nghiên cứu “Sử dụng tư liệu RADARSAT trong theo dõi lúa ở đồng bằng sông Cửu Long”. Có thể nói tư năm 2000 trở về trước, các nghiên cứu ở Việt Nam dưng ở mức lập bản đồ các 13 vùng trồng lúa tư ảnh radar. Sau này, vấn đề theo dõi sinh trưởng và dự báo năng suất lúa bằng các tư liệu radar được thực hiện ở mô Ât số tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long (Sóc Trăng, An Giang). Trong đó tập trung chủ yếu vào nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám SAR đa thời gian để tìm hiểu mối quan hệ của chúng với chu kỳ sinh trưởng của cây lúa. Trong khuôn khổ dự án thử nghiệm sử dụng ảnh ENVISAT ASAR theo dõi và dự báo lúa ở Bắc Bộ Việt Nam (2005), Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp phối hợp với SARMAP đã tiến hành khảo sát trên 100 điểm ở Thái Bình. Nhìn chung, kết quả sử dụng tư liệu ảnh radar ở nước ta, nhất là trong nông nghiệp còn rất khiêm tốn do công nghệ xử lý khá mới mẻ và phức tạp, đặc điểm manh mún, xen kẽ trong phương thức canh tác. Nhưng về lâu dài, nó rất phù hợp với Việt Nam bởi cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tài nguyên và môi trường ở nước ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quả song còn ít, tản mạn và trên thực tế chưa đáp ứng được nhu cầu. Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trung vào lĩnh vực hiện chỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đề cập đến ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh của môi trường. Thực tế đó đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Để đạt được nhiệm vụ trên việc đầu tư công nghệ mới nhằm xây dựng đồng bộ hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu và áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ là yêu cầu cần thiết với nước ta hiện nay. 1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM Nguyên lý cơ bản của kỹ thuâ Ât viễn thám là thu nhâ n năng lượng phản hồi của sóng điê Ân tư chiếu tới vâ Ât thể, thông qua bô  cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽ được chuyển về giá trị số. Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản xạ hay phát xạ của các vật thể tư mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện tư. Bô  cảm biến chỉ thu nhâ n năng lượng sóng điê Ân tư phản xạ hay bức xạ tư vâ Ât thể theo tưng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điê n tư sau khi tới được bô  cảm biến sẽ chuyển thành tín hiê u số (chuyển đổi tín hiê u điê Ân thành mô Ât số nguyên hữu hạn – giá trị pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với tưng bước sóng do bô  cảm biến nhâ n được trong dải phổ đã xác định. Nguyên lý thu nhâ n ảnh viễn thám được mô tả như hình 1.4 dưới đây. 14 Hình 1.4 Nguyên lý thu nhâ ên dữ liêuê viễn thám Sóng điê Ân tư dùng trong viễn thám tuân theo các định luâ t bức xạ điê n tư (định luâ t Plank, định luâ t Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hê  phương trình Maxwell. Năng lượng phổ dưới dạng sóng điê n tư, cùng cho thông tin về mô Ât vâ Ât thể tư nhiều góc đô  sẽ góp phần phân loại vâ t thể mô t cách chính xác hơn. 1.3 CƠ SỞ VÂÔT LÝ CỦA VIỄN THÁM 1.3.1 Tính chất của bức xạ điê Ôn từ Thuật ngữ bức xạ điện tư, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát tư những tính chất điện và tư đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và tư khi sóng truyền trong không gian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện tư (hình 1.6), trải ra tư các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp. Sóng điện tư di chuyển theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ điện trường (E) và tư trường (B). Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau và dao động cùng pha theo dạng đồ thị hàm số sin. Các vectơ điện trường và tư trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng. Để đơn giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và tư trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại (hình 1.5). Khi lan truyền, sóng điện tư mang theo năng lượng, động lượng và thông tin. Sóng điện tư với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằng mắt người và gọi là ánh sáng. Bức xạ điê Ân tư truyền năng lượng trên cơ sở các dao đô n g trường điê n tư trong không gian hoă Âc trong lòng các vâ Ât chất. Quá trình truyền của sóng điê n tư tuân theo định luâ t Maxwell. Bức xạ điê Ân tư có tính chất sóng và hạt. 15 Hình 1.5 Bức xạ điê ên từ Tính chất sóng của bức xạ điê n tư được xác định bởi bước sóng, tần số và tốc đô  truyền. Tính chất hạt được mô tả theo tính chất quang lượng tử (photon). Bức xạ điê Ân tư có 4 thông số cở bản: tần số (bước sóng), hướng truyền, biên đô  và mă Ât phân cực. Tất cả các vâ Ât thể đều phản xạ và hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điê Ân tư theo các cách khác nhau và đă Âc trưng này được gọi là đă Âc trưng phổ. Hiê n tượng phản xạ phổ có liên quan mâ Ât thiết với môi trường mà sóng điê n tư lan truyền. Dải sóng điê n tư được coi là dải sóng có bước sóng tư 0.1 micromet đến 100 km. Hình 1.6 Phân loại sóng điênê từ Căn cứ vào bước sóng, sóng điê n tư được chia làm các loại sau:  Sóng tử ngoại: có bước sóng tư 0.1μm đến 0.4 μm ;  Bức xạ điê ên từ ở bước sóng nhìn thấy: có bước sóng tư 0.4 μm đến 0.7 μm ;  Bức xạ hồng ngoại: câ Ân hồng ngoại (0.7 μm – 1.3 μm ), hồng ngoại ngắn (1.3 μm – 3 μm ), giữa hồng ngoại (3 μm – 8 μm ), hồng ngoại nhiê Ât (8 μm – 14 μm), hồng ngoại xa (14 μm – 1mm); 16  Sóng radio: 1. Sóng micro: milimet (EHF): bước sóng tư 1 mm – 10 mm, centimet (SHF): 1 cm – 10 cm, decimet (UHF): 10 cm – 1 m; 2. Sóng cực ngắn (VHF): 1 m – 10 m; 3. Sóng ngắn (HF): 10 m – 100 m; 4. Sóng trung (MF): 0.1 km – 1 km; 5. Sóng dài (LF): 1 km – 10 km; 6. Sóng rất dài (VLF): 10 km – 100 km. Hê Ô phương trình Maxwell Ðể diễn tả trường điện tư một cách định lượng, Maxwell đã thiết lập nên hệ phương trình mang tên Maxwell. Trước Maxwell, những hiểu biết của con người về các hiện tượng điện còn rời rạc, chưa được tập hợp và tổng quát hoá lại. Ngay đến khoảng năm 1820, người ta vẫn còn quan niệm là điện và tư là hai hiện tượng khác nhau, không có liên hệ gì với nhau cả. Bảng 1.1 Hê  phương trình Maxwell STT Phương trình Maxwell thứ nhất Phương trình Maxwell thứ hai Phương trình Maxwell thứ ba Dạng tích phân   Hd   S S D  dS t  B  L Ed l   S t d S      Dd S  S Phương trình Maxwell thứ tư    Jd S   l  L Dạng vi phân   dV  Q  D rot . H  J  t    B rot . E   t   div D   V   B.d S  0  div B  0 S Thí nghiệm của Oersted năm 1820 đã chứng tỏ rằng giữa điện và tư có liên quan, và dòng điện cũng gây nên tác dụng tư. Ampere sau khi nghiên cứu kỹ về các hiện tượng điện tư, đã kết luận rằng mọi hiện tượng tư trong tự nhiên, kể cả tư tính của nam châm vĩnh cửu, đều được gây nên bởi dòng điện (giả thuyết về dòng điện phân tử của Ampere). Sau đó, là những phát minh lớn của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện tư. Xuất phát tư quan điểm đúng đắn về sự liên quan chặt chẽ giữa các hiện tượng tự nhiên, Faraday cho rằng nếu dòng điện có thể gây nên tác dụng tư thì ngược lại, nam châm (hay các dòng điện) cũng có thể gây nên dòng điện. Sau nhiều thí nghiệm, Faraday chứng minh được rằng điều đó là đúng. Ðồng thời Faraday nêu lên ý kiến về vai trò của môi trường trung gian trong các hiện tượng điện. Ông không thưa nhận sự tương tác xa, và cho rằng 17 tương tác điện và tư truyền qua một môi trường nào đó, và môi trường đó đóng vai trò cơ bản trong quá trình điện và tư. Maxwell đã phát triển những ý kiến của Faraday một cách sâu sắc và đã xây dựng nên những thuyết định lượng, dùng công cụ toán học. Sự liên quan chặt chẽ giữa điện trường và tư trường được xây dựng trên cơ sở lý thuyết chắc chắn, và được biểu diễn bằng các phương trình Maxwell. Vì thế thuyết Maxwell là một bước phát triển mới, hoàn thiện những hiểu biết của con người về điện. Nó đưa ra khái niệm về điện tư trường, bao gồm điện trường và tư trường, có liên hệ chặt chẽ và chuyển hoá lẫn nhau. Các phương trình Maxwell bao gồm mọi định luật cơ bản của điện trường và tư trường, đó là những phương trình cơ bản, tổng quát của điện tư trường trong các môi trường đứng yên. Thuyết Maxwell không những giải thích được các hiện tượng đã biết, mà còn tiên đoán được nhiều hiện tượng mới, quan trọng. Giả thuyết hoàn toàn mới trong thuyết của Maxwell là giả thuyết về trường của dòng điện dịch. Trên cơ sở đó, Maxwell đã tiên đoán bằng lý thuyết sự tồn tại của sóng điện tư, tức là tư trường biến thiên, truyền trong không gian với vận tốc xác định. 1.3.2 Tương tác năng lượng sóng điê Ôn từ trong khí quyển Giữa bề mặt vỏ Trái đất và vâ Ât mang bao giờ cũng có một khoảng khí quyển ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình truyền dẫn thông tin. Những vật thể gây nên sự tương tác năng lượng sóng điê Ân tư trong khí quyển bao gồm các phân tử khí và các hạt dạng lỏng hay rắn (aerosol, bụi, giọt nước). Các hạt này gây ra những biến đổi như hấp thụ, tán xạ và phản xạ năng lượng sóng điê Ân tư. Trong thực tế, các phần tử trong khí quyển hấp thụ năng lượng trong một số khoảng bước sóng nhất định gọi là các kênh hấp thụ. Chỉ có bức xạ của sóng siêu cao tần và bước sóng dài hơn là có khả năng xuyên qua mây, mà không bị tán xạ, phản xạ hay hấp thụ. Khí quyển cũng là mô Ât nguồn bức xạ điê Ân tư tự nhiên quan trọng. Tương tác năng lượng sóng điê Ân tư trong khí quyển diễn ra ở hai dạng: tỏa nhiê Ât của chính khí quyển và tỏa nhiê t do tái phân tán. Khí quyển có đă c tính giống vâ t đen, sự tỏa nhiê t ở khí quyển có giá trị giống tỏa nhiê Ât của vâ Ât đen ở nhiê Ât đô  200 – 300 K. Tính chất tỏa nhiê Ât của khí quyển phụ thuô Âc vào mă Ât cắt nhiê Ât của nó và có giá trị cao tại các kênh phổ mà nó hấp thụ nhiê Ât. Sự tỏa nhiê Ât của khí quyển tuân thủ theo nguyên lý cân bằng nhiê Ât (định luâ t Kirchoff). Định luâ Ôt Kirchoff. Tỉ số giữa năng lượng điênê từ tỏa ra trên mô êt phần diê ên tích và phần năng lượng đến bị hấp thụ là không đổi với tất cả các vâ êt trên cùng mô êt nhiêtê đô ê cho trước. Khi mô êt vâ êt ở mô êt trạng thái cân bằng nhiê êt lượng, tổng năng lượng hấp thụ bằng tổng năng lượng tỏa ra (đô ê hấp thụ = đô ê tỏa nhiê êt). 18 r  ,  fa a ,  , r  , (1.1) - năng lượng tỏa ra trên mô t phần diê n tích; a , - năng lượng hấp thụ trên mô Ât phần diê Ân tích; f a , - hàm số chung cho mọi vâ Ât (hàm phổ biến). Đối với vâ Ât đen tuyê Ât đối, ở mọi giá trị nhiê Ât đô Â, giá trị hàm phổ biến là không đổi và bằng 1. Nếu giá trị hàm phổ biến không đổi và nhỏ hơn 1, vâ Ât được gọi là vâ Ât xám. Đồ thị thể hiê Ân khả năng hấp thụ bức xạ điê n tư của vâ Ât đen, vâ Ât xám và các vâ Ât khác được thể hiê Ân trên hình 1.7 Hình 1.7 Hàm phổ biến cho vâ êt đen và các vâ êt khác Tái phân tán năng lượng tại khí quyển xảy ra do cơ chế của sự khuyếch tán và phụ thuô Âc vào hợp chất và thành phần của khí quyển. Có hai kiểu tái phân tán năng lượng trong khí quyển: phân tán bức xạ kiểu Reyleigh (khi bức xạ tương tác với các phân tử của khí quyển và các hạt vâ Ât chất nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điê Ân tư) và kiểu Mie (xảy ra do các hạt trong khí quyển có kích thước bằng bước sóng của năng lượng được dùng trong viễn thám như hơi nước và bụi bẩn). 1.3.3 Tương tác năng lượng sóng điê Ôn từ với các đối tượng tự nhiên Sóng điê n tư chiếu tới mă t đất, năng lượng của nó sẽ tác đô Âng lên bề mă t vâ Ât thể và xảy ra các hiê n tượng: phản xạ năng lượng, hấp thụ năng lượng và thấu quang năng lượng. Năng lượng bức xạ sẽ chuyển đổi thành ba dạng năng lượng khác nhau. Quá trình trên được mô tả theo công thức: E  E   E  E 0 (1.2) Trong đó: E0 – năng lượng ban đầu của bức xạ khi chiếu xuống; E  - năng lượng phản xạ; E - năng lượng hấp thụ; E - năng lượng thấu quang 19 Năng lượng của bức xạ điê n tư phụ thuô Âc vào cấu trúc bề mă t đối tượng. Tùy thuô Âc đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ mô Ât phần, tán xạ toàn phần, tán xạ mô Ât phần (hình 1.8) a) b) c) d) Hình 1.8 Phản xạ toàn phần (a), phản xạ mô êt phần (b), tán xạ toàn phần (c), tán xạ mô êt phần (d) Đô  hấp thụ năng lượng điê n tư được tính là tỉ số giữa năng lượng phát xạ bị hấp thụ và năng lượng tới:  E E0 (1.3) Đô  phản xạ năng lượng điê Ân tư là tỉ số giữa năng lượng phản xạ và năng lượng tới:  E (1.4) E0 Đô  truyền năng lượng điê Ân tư hay đô  thấu quang: = năng lượng thấu quang/ năng lượng tới. Năng lượng bức xạ điê Ân tư chiếu tới đối tượng được phản xạ không những phụ thuô Âc vào bề mă Ât đối tượng mà còn phụ thuô Âc vào bước sóng. Tại các bước sóng khác nhau sẽ nhâ n được khả năng phản xạ phổ khác nhau. Sự phụ thuô c của năng lượng phản xạ bức xạ điê n tư vào bước sóng của mô Ât số đối tượng tự nhiên được mô tả trên hình 1.9. 20