Tài liệu Một số kỹ thuật ứng dụng trong xây dựng cơ sở dữ liệu viễn thám

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN BÁ QUÂN MỘT SỐ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên, năm 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN BÁ QUÂN MỘT SỐ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số chuyên ngành: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS ĐẶNG VĂN ĐỨC Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của luận văn này hoàn toàn được hình thành và phát triển từ quan điểm của chính cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của PGS.TS Đặng Văn Đức. Các số liệu kết quả có được trong luận văn tốt nghiệp là hoàn toàn trung thực. Học viên Nguyễn Bá Quân ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông. Đặc biệt là những thầy cô ở Viện công nghệ thông tin Hà Nội đã tận tình dạy bảo cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Văn Đức đã dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả năng lực của mình, song không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn. Tôi xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................. v MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM .......................................... 2 VÀ CSDL ẢNH VIỄN THÁM .......................................................................... 2 1.1. Khát quát về ảnh viễn thám ..................................................................... 2 1.1.1. Khái niệm về ảnh viễn thám ............................................................. 2 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám ............................................ 2 1.1.3. Ứng dụng của ảnh viễn thám trong việc quản lý tài nguyên, thiên nhiên và môi trường. ................................................................................ 11 1.2. Hệ thống thông tin địa lý ....................................................................... 21 1.2.1. Tổng quan về hệ thông tin địa lý ..................................................... 21 1.2.2. Khái niệm về Hệ thông tin địa lý .................................................... 22 1.2.3 Các thành phần của Hệ thông tin địa lý ........................................... 22 1.2.4 Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý ................................... 24 1.2.5 Hệ thông tin địa lý được biểu diễn như thế nào ................................ 26 1.2.6. Hệ quản trị CSDL không gian ......................................................... 29 1.3. Kết chương ............................................................................................ 30 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ỨNG DỤNG TRONG CSDL ẢNH VIỄN THÁM ................................................................................................... 31 2.1. Nâng cao chất lượng ảnh viễn thám ....................................................... 31 2.1.1. Biến đổi độ tương phản................................................................... 32 2.1.2. Tăng cường độ tương phản theo tuyến ............................................ 33 2.1.3 Làm biến đối màu sắc, mật độ và cường độ màu trên ảnh ............... 35 2.1.4. Kỹ thuật tăng cường đường gờ....................................................... 36 2.1.5. Kỹ thuật ghép nối ảnh số. ............................................................... 39 2.1.6. Thiết lập hình ảnh tổng hợp nổi. ..................................................... 41 2.1.7. Kỹ thuật chiết tách thông tin. .......................................................... 41 2.2. Nắn chỉnh và tham chiếu địa lý ảnh viễn thám....................................... 48 2.2.1.Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ ..................................... 48 2.2.2. Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ ................................................................ 54 2.2.3. Đơn giản hóa dữ liệu không gian .................................................... 61 2.2.4. Chồng ghép bản đồ ......................................................................... 63 2.2.5.Một số thuật toán minh họa ............................................................. 67 2.3. Kết chương ............................................................................................ 71 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM ......................................................................... 72 3.1. Lựa chọn bài toán xây dựng chương trình thử nghiệm: .......................... 72 3.2. Thu thập dữ liệu thử nghiệm.................................................................. 72 3.3. Phát triển chương trình thử nghiệm ....................................................... 75 iv 3.4. Đánh giá kết quả thu được ..................................................................... 82 3.5. Kết chương.............................................................................................. 83 KẾT LUẬN...................................................................................................... 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 85 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Tiến trình viễn thám ........................................................................... 3 Hình 1.2. Các vector điện (E) và từ (M) của sóng điện từ................................... 4 Hình 1.3. Phổ điện từ ......................................................................................... 5 Hình 1.4. Cửa sổ khí quyển ................................................................................ 8 Hình 1.5. Bức xạ tương tác với mặt Trái đất....................................................... 8 Hình 1.6. Phản xạ toàn phần và phản xạ khuyếch tán ......................................... 9 Hình 1.7. Đáp ứng phổ của lá cây đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại ... 9 Hình 1.8. Đáp ứng phổ của nước đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại .. 10 Hình 1.9. Đường cong đáp ứng phổ của thực vật, đất và nước.......................... 10 Hình 1.10. Ảnh Landsat và bản đồ sử dụng đất tỉnh Hòa Bình (11/2000) ......... 18 Hình 1.11: Cấu trúc vector và raster ................................................................. 26 Hình 2.1. Ảnh nguyên thuỷ và ảnh tăng cường độ tương phản. ........................ 34 Hình 2.2. Sơ đồ thể hiện kỹ thuật làm tăng độ tương phản không theo tuyến, chú ý các đoạn dốc là khoảng được tăng cường. ..................................................... 34 Hình 2.3. Liên hệ giữa hai hệ thống RGB và HIS ............................................. 36 Hình 2.4. Lọc đường biên không theo hướng sử dụng filter laplacian .............. 37 Hình 2.5. Ảnh lọc không theo hướng và lọc theo hướng từ ảnh ........................ 39 Landsat và bản đồ phân tích lineament. ............................................................ 39 Hình 2.6. Cửa lọc kenel và kết quả lọc. ........................................................... 40 Hình 2.7. Các dạng mạng lưới thuỷ văn căn bản .............................................. 42 Hình 2.8. Phương pháp biến đổi thành phần chính dùng để tạo ảnh thành phần chính (PC) cho 6 band của LANDSAT. ........................................................... 43 Hình 2.9. Nguyên tắc phân loại ảnh đa phổ. ..................................................... 46 Hình 2.10. Sơ đồ mô tả sự phân loại đa phổ ..................................................... 46 Hình 2.11. Chuyển đổ tam giác trên bản đồ sang tam giác trên thực địa ........... 59 Hình 2.12 Điểm tam giác được chuyển trực tiếp từ bản đồ sang thực địa. ........ 59 Hình 2.13. Các điểm bên trong trong bản đồ được chiếu từ một đỉnh đến cạnh đối diện, và sau đó hai hình chiếu được tính toán cho tam giác trong khảo sát bằng cách áp dụng một tỷ lệ đơn giản. ............................................................. 60 Hình 2.14 Các điểm trên bản đồ được chuyển đến trung tâm của hình tam giác trong thực tế. .................................................................................................... 61 Hình 2.15. Minh họa thuật toán Douglas-Peucke ............................................. 62 Hình 2.16. Chồng ghép dữ liệu......................................................................... 63 Hình 2.17. Chồng ghép đa giác ........................................................................ 65 Hình 2.18. Tiến trình phủ đa giác ..................................................................... 66 Hình 2.19. Đường và đa giác lệch nhau ............................................................ 67 Hình 2.20. Giao của các đoạn thẳng ................................................................. 69 Hình 2.21. Điểm trong đa giác ......................................................................... 70 Hình 2.22. Phương pháp kiểm tra góc .............................................................. 70 Hình 2.23. Diện tích đa giác ............................................................................. 71 vi Hình 3.1. Giao diện chương trình và giao diện chức năng nắn chỉnh bản đồ .... 79 Hình 3.2. Bản đồ địa giới hành chính Tỉnh Thái Nguyên trước (màu đỏ) và sau khi nắn chỉnh (màu xanh). ................................................................................ 80 Hình 3.3. Bản đồ địa giới Thành phố Thái Nguyên trước khi nắn chỉnh ........... 80 Hình 3.4. Bản đồ địa giới Thành phố Thái Nguyên sau khi nắn chỉnh .............. 81 Hình 3.5. Ảnh được cắt theo địa giới hành chính của Phường Tân Lập ............ 81 Hình 3.6. Ảnh được cắt theo địa giới hành chính của Phường Hoàng Văn Thụ 82 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển các ứng dụng của công nghệ, thuật ngữ “Viễn Thám” (Remote Sensing) đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các ngành khoa học về trái đất. Trên thế giới công nghệ viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi vào sự phát triển kinh tế xã hội nói chung. Trong lĩnh vực khoa học công nghệ nói riêng, công nghệ viễn thám và đã chứng tỏ được tính hiệu quả cả về mặt công nghệ cũng như kinh tế, đồng thời cũng chứng tỏ được khả năng cung cấp thông tin độc đáo mà chưa có công nghệ nào có thể thay thế như khả năng cung cấp thông tin lặp đa thời gian có tính trung thực cao, khả năng cung cấp thông tin trên diện rộng, có tính bao quát cao, khả năng cung cấp thông tin không bị hạn chế trong ranh giới lãnh thổ, khả năng cung cấp thông tin phục vụ đa ngành, đa lĩnh vực. Viễn thám đã có những bước phát triển vượt bậc với những dạng tư liệu mới và những công nghệ xử lý hết sức đa dạng. Ở Việt Nam công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ... trong đó các thuật toán như: nâng cao chất lượng ảnh viễn thám, nắn chỉnh ảnh, xếp chồng bản đồ được sử dụng trong cơ sở dữ liệu (CSDL) ảnh viễn thám. Xuất phát từ vấn đề thực tiễn trên, tôi lựa chọn đề tài: “Một số kỹ thuật ứng dụng trong xây dựng Cơ sở dữ liệu viễn thám”. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng: Thuật toán trong CSDL ảnh viễn thám. Phạm vi: Một số thuật toán ứng dựng trong CSDL ảnh viễn thám. Những nội dung nghiên cứu chính: Chương 1: Khái quát về ảnh viễn thám và cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám Chương 2: Một số thuật toán ứng dụng trong cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám Chương 3: Thử nghiệm 2 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ẢNH VIỄN THÁM VÀ CSDL ẢNH VIỄN THÁM 1.1. Khát quát về ảnh viễn thám 1.1.1. Khái niệm về ảnh viễn thám Viễn thám được định nghĩa là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Thuật ngữ viễn thám được sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm tất cả các lĩnh vực như không ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh… Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về sự phản xạ và bức xạ. Theo các định nghĩa trong [CAN][KER] thì viễn thám (Remote Sensing) được hiểu như một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hay hiện tượng trên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Công việc này được thực hiện bởi cảm nhận (sensing) và lưu trữ các năng lượng phản xạ hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu. Sau đó, các thông tin này được phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau. 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ảnh viễn thám Tiến trình viễn thám bao gồm nhiều công đoạn, trong đó có tương tác giữa bức xạ và đối tượng nghiên cứu. Khái niệm đối tượng nghiên cứu trong tài liệu này được hiểu là các đối tượng, khu vực hay hiện tượng nào đó trên bề mặt Trái đất mà con người muốn thu thập thông tin về nó. Trên hình 1.1 là mô tả vắn tắt bảy thành phần của hệ thống thu ảnh viễn thám [CAN]. 3 © CCRS Hình 1.1. Tiến trình viễn thám Nguồn năng lượng hay nguồn sáng (A): Yêu cầu đầu tiên của viễn thám là phải có nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ đến đối tượng nghiên cứu. Bức xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn tới đối tượng đích cho nên nó tiếp xúc và đi qua khí quyển. Việc tương tác này còn xảy ra lần nữa khi năng lượng đi từ đối tượng đích tới cảm biến (sensor). Tương tác với đối tượng đích (C): Sau khi năng lượng được truyền qua khí khuyển nó sẽ tương tác với đối tượng đích. Cách thức tương tác của chúng phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đích và bức xạ. Thu nhận năng lượng bằng đầu cảm biến (D): Sau khi năng lượng bị đối tượng đích truyền đi hay phân tán (scattered), đầu cảm biến sẽ thu nhận (không tiếp xúc) và lưu trữ bức xạ điện từ. Truyền, nhận và xử lý năng lượng (E): Năng lượng được cảm nhận bởi Sensor sẽ được truyền đi, thông thường dưới dạng điện tử, đến trạm thu và xử lý, nơi mà dữ liệu được xử lý thành ảnh (dưới dạng hard-copy hay dạng số). Diễn giải và phân tích (F): Ảnh được diễn giải bằng trực giác hay hệ thống số để trích chọn các thông tin về đối tượng nghiên cứu. Ứng dụng (G): Phần tử cuối cùng của tiến trình viễn thám là áp dụng các thông tin vừa trích chọn từ ảnh về đối tượng nghiên cứu để hiểu rõ hơn về nó, làm nổi lên các thông tin mới hay hỗ trợ giải quyết một số vấn đề cụ thể. 4 Năng lượng điện từ Viễn thám phụ thuộc vào việc đo đạc nguồn năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (Electromagnetic – EM). Nguồn năng lượng EM quan trọng nhất là Mặt trời, nó cung cấp ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím hay nhiệt độ. Thực tế có nhiều sensor của vệ tinh đo ánh sáng phản xạ của Mặt trời. Ngoài ra, có một số sensor với khả năng đo được năng lượng truyền bởi chính Trái đất hay năng lượng của chính nó. Bức xạ EM bao gồm trường điện (E) và trường từ (M). Chúng vuông góc với nhau (hình 1.2). Hai trường này dao động vuông góc với hướng truyền đi của sóng (bức xạ). Cả hai lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng (C) xấp xỉ 299.799.000 m/s. Hình 1.2. Các vector điện (E) và từ (M) của sóng điện từ Hai đặc tính quan trọng của sóng điện từ để hiểu được viễn thám là bước sóng () và tần số (v). Bước sóng và tần số có quan hệ như sau: c=v trong đó,  - bước sóng (m), v- tần số (Hz) và c- tốc độ ánh sáng Phổ điện từ Phổ của sóng điện từ là dải bức xạ điện từ liên tục từ tia gama (bước sóng ngắn nhất) đến sóng radio (bước sóng dài nhất) như trên hình 2.3. Có nhiều vùng của phổ điện từ được sử dụng trong viễn thám, ví dụ vùng tia cực tím (Ultraviolet - UV). Đá, khoáng... trên mặt Trái đất phát ánh sáng nhìn thấy khi chúng được chiếu bức xạ UV. 5 Hình 1.3. Phổ điện từ Mắt người chỉ có thể nhận biết được phần phổ nhìn thấy, có bước sóng từ 0.4m đến 0.7m. Còn nhiều sóng điện từ xung quanh chúng ta mà nó không được phân biệt bởi mắt người nhưng nó có thể được nhận biết bằng các thiết bị viễn thám. Bước sóng nhìn thấy dài nhất là đỏ và ngắn nhất là tím. Bước sóng của một số màu cơ bản như sau:  Violet: 0.4-0.446 m  Blue: 0.4446-0.500 m  Green: 0.500-0.578 m  Yellow: 0.578-0.592 m  Orange: 0.592-0.620 m  Red: 0.620-0.700 m Các màu Red, Green và Blue là các màu cơ bản của phổ nhìn thấy. Bất kỳ một màu nào khác đều có thể được tạo bởi tổ hợp của ba màu cơ bản này và bất kỳ màu nào trong ba mầu cơ bản này đều không thể tạo bởi hai màu kia. Chú ý rằng chỉ một phần rất nhỏ của dải phổ điện từ là kết hợp với khái niệm màu. Phần phổ điện từ quan tâm khác là vùng tia hồng ngoại (Infrared-IR), có bước sóng từ 0.7m đến 100m. Vùng này chia làm hai nhóm, nhóm thứ nhất gọi là tia hồng ngoại phản xạ (Reflected IR), có bước sóng từ 0.7m đến 3.0m và vùng tia hồng ngoại nhiệt (Thermal IR), có bước sóng từ 3.0m đến 100m. Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại phản xạ được sử dụng trong viễn thám theo 6 cách tương tự bức xạ trong vùng nhìn thấy. Bức xạ trong vùng tia hồng ngoại nhiệt được sử dụng khác hẳn hai vùng nói trên, trong đó, năng lượng được phát đi từ bề mặt Trái đất dưới dạng nhiệt. Phần phổ mới được quan tâm trong viễn thám là vùng vi sóng (microwave), có bước sóng từ 1mm đến 1m. Đây là bước sóng dài nhất được sử dụng trong viễn thám. Khoảng sóng ngắn hơn của vùng này được sử dụng tương tự vùng hồng ngoại nhiệt, trong khi khoảng sóng dài hơn được sử dụng để phát sóng radio. Tương tác giữa bức xạ và khí quyển Trước khi bức xạ đến bề mặt Trái đất thì nó phải đi qua khí quyến Trái đất. Các hạt và khí (gas) trong khí quyển ảnh hưởng đến ánh sáng và bức xạ đi qua nó. Ngoài hơi nước, gas trong khí quyển bao gồm các thành phần chính sau:  Nitrogen (N2) 78.084%  Oxygen (O2) 20.946%  Argon (Ar) 0.934%  Carbon dioxide (CO2) 0.0383 %  Neon (Ne) 0.001818 %  Helium (He) 0.000524 %  Methane (CH4) 0.0001745 %  Krypton (Kr) 0.000114%  Hydrogen (H2) 0.000055 % Ảnh hưởng này được gây ra bởi cơ chế tán xạ (scattering) hay hấp thụ (absorption). Tán xạ xảy ra khi các thành phần của khí quyển tác động lên bức xạ điện từ làm cho nó đổi hướng chuyển động so với hướng ban đầu. Tán xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm, bước sóng bức xạ, mức độ đậm đặc của hạt và gas và khoảng cách mà bức xạ đi qua khí quyển. Có ba loại tán xạ sau đây: 7 Tán xạ Rayleigh: Tán xạ này xảy ra khi hạt trong khí quyển nhỏ hơn nhiều so với bước sóng bức xạ. Với tán xạ Rayleigh, năng lượng có sóng ngắn sẽ tán xạ nhiều hơn năng lượng có sóng dài. Ban ngày bầu trời có màu Blue vì hiện tượng này. Ánh sáng Mặt trời đi qua khí quyển, các bước sóng ngắn (màu Blue) của phổ nhìn thấy sẽ tán xạ nhiều hơn so với các bước sóng nhìn thấy khác. Vào thời điểm Mặt trời mọc và Mặt trời lặn, các tia sáng phải truyền trong khoảng xa hơn trong khí quyển so với giữa trưa. Tán xạ của các bước sóng ngắn kết thúc, một phần nhỏ của tia sáng với bước sóng dài hơn (Red và Magenta) được tán xạ. Hiện tượng tán xạ này là nguyên nhân gây ra sương mù, làm giảm độ nét trên ảnh viễn thám. Với ảnh màu, sẽ xuất hiện màu xanh lơ trên toàn ảnh. Do vậy, trước ống kính chụp, người ta thường đặt tấm lọc để ngăn chặn các tia sáng có bước sóng ngắn vào ảnh. Tấm lọc đó được gọi là lọc sương mù. Tán xạ Mie: Xảy ra khi các hạt trong khí quyển có cùng kích thước với bước sóng của bức xạ. Bụi, phấn, hơi nước và khói có đường kính từ 5-100m là nguyên nhân của tán xạ Mie. Tán xạ này xảy khi bức xạ đi qua khí quyển và có bước sóng dài hơn so với tán xạ Rayleigh. Tán xạ này là nguyên nhân thấy màu trắng khi trong khí quyển có mây. Tán xạ không lựa chọn (nonselective): Xảy ra khi các hạt trong khí quyển có đường kính lớn hơn bước sóng bức xạ. Giọt nước nhỏ và hạt bụi lớn là nguyên nhân của loại tán xạ này. Tất cả các bước sóng của bức xạ đều tán xạ như nhau, do vậy có tên là tán xạ không lựa chọn. Tán xạ này là nguyên nhân nhìn thấy sương mù và mây có màu trắng vì các màu cơ bản Red, Green và Blue đều tán xạ gần như nhau. Hấp thụ: Ngược lại với tán xạ, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân các phân tử trong không khí hấp thụ năng lượng với các bước sóng khác nhau. Ozone (O3), carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O) là nguyên nhân gây ra hấp thụ bức xạ. Ozone hấp thụ bức xạ cực tím từ Mặt trời. Nó bảo vệ da người khỏi bị cháy dưới ánh nắng Mặt trời. Carbon dioxide (còn gọi là khí nhà kính) hấp thụ bức xạ mạnh hơn trong phần cao của tia cực tím trong dải phổ. Nó ngăn 8 chặn Trái đất nóng lên. Hơi nước trong không khí hấp thụ phần sóng ngắn của tia cực tím và phần sóng dài của vi sóng (22m – 1m). Các vùng sóng trong dải phổ điện từ mà ở đó bức xạ bị hấp thụ ít nhất và được truyền đi nhiều nhất thì gọi là cửa sổ khí quyển (atmospheric windows). Chỉ những vùng có bước sóng ngoài băng tần hấp thụ của các thành phần khí quyển thì mới sử dụng trong viễn thám. Cửa sổ khí quyển bao gồm (hình 1.4): Hình 1.4. Cửa sổ khí quyển  Một cửa sổ trong vùng nhìn thấy hoặc tia cực tím phản xạ với bước sóng 0.4-2m là nơi sensor quang học hoạt động.  Ba cửa sổ trong vùng tia hồng ngoại nhiệt: Hai cửa sổ hẹp, khoảng từ 3-5m và cửa sổ thứ ba tương đối rộng, từ 8-14m.  Một cửa sổ lớn ở vùng vi sóng, ngoài 1mm. Tương tác giữa bức xạ và đích Bức xạ không bị hấp thụ hay tán xạ trong không khí sẽ tương tác với bề mặt Trái đất. Toàn bộ năng lượng sẽ tương tác với bề mặt theo một trong ba cách thức như sau: Hấp thụ (A-Absorption), Truyền qua (T-Transmission) và Phản xạ (R-Reflection) như trên hình 1.5. Hình 1.5. Bức xạ tương tác với mặt Trái đất 9 Trong viễn thám, việc đo bức xạ phản xạ từ các đối tượng đích là được quan tâm nhất. Sau đây là ví dụ hai loại phản xạ: Phản xạ toàn phần (Specular reflection) và phản xạ khuếch tán (Diffuse reflection) như trên hình 1.6. Hình 1.6. Phản xạ toàn phần và phản xạ khuyếch tán Khi bề mặt trơn tru, ta có phản xạ toàn phần. Nói cách khác, toàn bộ năng lượng sẽ phản xạ ra khỏi bề mặt theo cùng một hướng. Phản xạ khuếch tán xảy ra khi bề mặt thô và năng lượng phản xạ theo nhiều hướng.Phần lớn bề mặt Trái đất là ở giữa biên phản xạ toàn phần và phản xạ khuếch tán hoàn toàn. Loại phản xạ phụ thuộc vào độ thô của đặc trưng so với bước sóng của bức xạ. Nếu bước sóng nhỏ hơn sự biến đổi bề mặt hay kích thước hạt tạo nên bề mặt thì phản xạ khuếch tán chiếm ưu thế. Ví dụ, với cát mịn được xem như trơn tru so với bước sóng microwave nhưng lại khá thô so với bước sóng nhìn thấy. Ví dụ ta có bức xạ với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại đi đến lá và nước trên bề mặt Trái đất. Lá cây: Chất diệp lục (chlorophyll) trong lá cây hấp thụ bức xạ với bước sóng Red và Blue và phản xạ bước sóng Green. Lá cây có khả năng phản xạ rất mạnh bức xạ ở vùng hồng ngoại phản xạ. Ở vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng, khả năng phản xạ của lá cây giảm đi rõ rệt (hình 1.7). Hình 1.7. Đáp ứng phổ của lá cây đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại 10 Nước: Bức xạ có bước sóng nhìn thấy dài hơn và cận hồng ngoại bị nước hấp thụ nhiều hơn so với bước sóng nhìn thấy ngắn hơn. Vậy, nước nhìn thấy màu blue hay blue-green vì nó phản xạ mạnh tại sóng ngắn hơn và tối hơn khi quan sát tại bước sóng red hay cận hồng ngoại. Nếu tính chất của nước (độ đục, trong, mặn, sâu...) thay đổi làm phổ của chúng cũng thay đổi. Hình 1.8 mô tả đáp ứng phổ của nước và trầm tích (sediment) đối với bước sóng nhìn thấy và bước sóng hồng ngoại. Hình 1.8. Đáp ứng phổ của nước đối với bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại Hình 1.9 là đồ thị đường cong phổ của thực vật, đất và nước. Hình dạng đường cong phổ phụ thuộc vào dải sóng năng lượng mà ở đó được thiết bị viễn thám ghi lại và phụ thuộc vào tính chất của đối tượng đích trên mặt Trái đất. Hình 1.9. Đường cong đáp ứng phổ của thực vật, đất và nước Đáp ứng phổ là thông tin quan trọng trong viễn thám. Ta có thể phân tích, nhận dạng đối tượng trên bề mặt Trái đất thông qua đáp ứng phổ của chúng. 11 Như trình bày trên đây, Mặt trời được xem như nguồn năng lượng hay bức xạ của viễn thám. Năng lượng mặt trời hoặc là phản xạ (ví dụ bước sóng nhìn thấy) hay bị hấp thụ và truyền trả lại (ví dụ bước sóng hồng ngoại nhiệt). Bộ cảm nhận trong hệ thống viễn thám này gọi là bộ cảm nhận thụ động (Passive Sensors). Mặt khác, hệ thống viễn thám có thể có bộ cảm nhận tích cực (Active Sensors), chính nó cung cấp nguồn năng lượng hay chiếu sáng. Bộ cảm nhận tích cực được ứng dụng vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày, mùa. Nó có thể được sử dụng với bước sóng dài (ví dụ vi sóng) mà năng lượng mặt trời không đáp ứng. 1.1.3. Ứng dụng của ảnh viễn thám trong việc quản lý tài nguyên, thiên nhiên và môi trường. Trong các hệ thống viễn thám, mỗi loại cảm biến được thiết kế cho một mục đích riêng, ví dụ cảm biến quang học được thiết kế dành cho việc thu thập các băng phổ. Mỗi ứng dụng bản thân nó có những yêu cầu riêng, như độ phân dải phổ, phân dải không gian, phân dải thời gian. Thông thường phải sử dụng nhiều cảm biến mới đáp ứng mọi yêu cầu của một ứng dụng. Sau đây là ứng dụng ảnh viễn thám trong một vài lĩnh vực khác nhau. Nông nghiệp Nông nghiệp đóng vai trò chủ đạo trong nền kinh tế của cả các nước phát triển và đang phát triển. Những công cụ này sẽ giúp người nông dân hiểu được tình trạng mùa màng của mình, mức độ phá hoại hoặc thiệt hại nghiêm trọng, hoặc năng suất tiềm năng và điều kiện đất đai. Ảnh vệ tinh được sử dụng làm công cụ lập bản đồ phân loại cây trồng, kiểm tra sức khỏe và khả năng tồn tại của chúng, và giám sát hoạt động nông nghiệp. Các ứng dụng về nông nghiệp của viễn thám bao gồm:  Phân lớp các loại cây trồng  Đánh giá các điều kiện cây trồng  Ước tính năng suất mùa vụ  Lập bản đồ các đặc tính của đất trồng 12  Lập bản đồ quản lý đất đai  Giám sát (các hoạt động nông nghiệp) Lập bản đồ các loại cây trồng Việc xác định và lập bản đồ cây trồng là quan trọng. Nó phục vụ mục đích dự báo nguồn cung cấp lương thực (sản lượng dự báo), thu thập thống kê sản lượng mùa màng, tạo điều kiện lưu lại luân canh mùa vụ, lập bản đồ năng suất đất, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng, đánh giá thiệt hại cây trồng do bão và hạn hán, và giám sát hoạt động nông nghiệp. Giám sát cây trồng và đánh giá thiệt hại Đánh giá về tình trạng của cây trồng, cũng như phát hiện sớm hư hại cây trồng, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tốt năng suất nông nghiệp. Những yếu tố gây hại liên quan, ví dụ, thiếu độ ẩm, côn trùng, nấm và cỏ dại phá hoại, phải được phát hiện sớm để cung cấp cơ hội cho nông dân giảm thiểu thiệt hại. Lâm nghiệp Các ứng dụng lâm nghiệp của viễn thám có thể được sử dụng bao gồm phát triển bền vững, đa dạng sinh học, gán nhãn và sở hữu đất đai (địa chính), theo dõi nạn phá rừng, theo dõi và quản lý tái trồng rừng, hoạt động khai thác gỗ thương mại, bảo vệ rừng bờ biển và rừng đầu nguồn, theo dõi lý sinh (đánh giá môi trường sống của động vật hoang dã), và các vấn đề khác liên quan đến môi trường. Thông tin về độ bao phủ của rừng rất có giá trị cho các nước đang phát triển có hiểu biết trước đây hạn chế về tài nguyên lâm nghiệp của họ. Nó bao gồm việc lập bản đồ và theo dõi, nhất là rừng ven biển và rừng đầu nguồn để bảo vệ, giám sát các hoạt động chặt phá và trồng rừng, và lập bản đồ về cháy rừng, đốt rừng. Các ứng dụng viễn thám trong lâm nghiệp bao gồm:  Lập bản đồ khảo sát: Mục tiêu để đáp ứng yêu cầu của các tổ chức lâm nghiệp/môi trường quốc gia bao gồm cập nhật độ che phủ của rừng, theo dõi sự suy giảm, và đo những đặc tính lý sinh của rừng, lập bản đồ phân biệt các