Bài giảng Viễn thám đại cương - Chương 2: Một số khái niệm cơ bản và nguyên tắc vận hành của viễn thám - Lê Thị Kim Thoa

9/28/2013 1 Chương II: MỘT SỐ KHÁI NiỆM CƠ BẢN VÀ NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH CỦA ViỄN THÁM GVGD: TS. Lê Thị Kim Thoa Khoa Địa Lý Trường ĐH Khoa học Xã Hội và Nhân văn TP HCM I. Một số khái niệm cơ bản  Viễn : xa Thám: thám sát, quan sát. Viễn thám: quan sát từ xa  Một ví dụ đơn giản: mắt con người  Các dụng cụ hỗ trợ tầm nhìn quan sát  Các dụng cụ ghi nhận đối tượng quan sát  Các ‘photographs’ là viễn thám? 1. Viễn thám là gì? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa  VT là 1 môn khoa học thu thập các thông tin về các đối tượng trên bề mặt trái đất thông qua các thiết bị quan sát từ xa.  VT là 1 môn khoa học thu thập các thông tin về các đối tượng từ một khoảng cách nào đó mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể đó. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản  Là ảnh của các đối tượng trên bề mặt trái đất được ghi nhận từ vệ tinh hay các thiết bị bay chụp khác. 2. Thế nào là ảnh viễn thám? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản  Nguồn năng lượng mà nó lan truyền dựa trên các dao động của trường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất  Sóng điện từ được mô tả qua 3 khái niệm: bước sóng, tần số và tốc độ lan truyền. C =  .  : tần số dao động của ánh sáng (frequency- Hz) : bước sóng của sóng điện từ (m) C: tốc độ lan truyền = tốc độ ánh sáng (Velocity of light-m/s) C=299.793 km/s (trong môi trường chân không) Đối với mục đích ứng dụng C= 3.108 m/s = tốc độ ánh sáng 3. Năng lượng sóng điện từ Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản C =  .  3. Năng lượng sóng điện từ  Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo kiểu hình sin với tốc độ gần bằng với tốc độ ánh sáng. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 9/28/2013 2 Unit Cycles per second Unit Distance Hertz (Hz) 1 Kilometer (Km) 1000 m Kilohertz (KHz) 103 Milimeter (mm) 0.001 m = 10 –3 m Megahertz (MHz) 106 Micrometer (m) 10 –6 m Gigahertz (GHz) 109 Nanometer (nm) 10 –9 m Terahertz 1012 Angstrom (Ao) 10–10 m Low Frequency Low Energy High Frequency High Energy Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản  Tất cả sóng điện từ được truyền đi với cùng 1 tốc độ. Khi tương tác với các vật chất khác nhau, sóng điện từ sẽ biến đổi tính chất thể hiện qua nguồn bức xạ tới (incident radiation)  Phương pháp viễn thám đo đạc và ghi nhận những thay đổi này dưới dạng ảnh (photographs hoặc images) => Nhà phân tích rút trích thông tin.  Ba loại năng lượng sóng điện từ cơ bản: (1) năng lượng tự nhiên, (2) năng lượng từ vệ tinh, (3) bức xạ nhiệt của vật thể. 3. Năng lượng sóng điện từ Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản  Đây là bảng phân loại biến thiên của năng lượng điện từ trong dãi bước sóng từ mét đến nanomet (nm) truyền tới với tốc độ ánh sáng đi qua chân không. • X-Rays and Gamma Rays • Ultraviolet: 3 to 400 nm • Visible Light: Red: 610 - 700 nm Orange: 590 - 610 nm Yellow: 570 - 590 nm Green: 500 - 570 nm Blue: 450 - 500 nm Indigo: 430 - 450 nm Violet: 400 - 430 nm 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản • Infrared: 0.7 to 1000 µm - Near Infrared (NIR): 0.7 to 1.5 µm. - Short Wavelength Infrared (SWIR): 1.5 to 3 µm. - Mid Wavelength Infrared (MWIR): 3 to 8 µm. - Long Wanelength Infrared (LWIR): 8 to 15 µm. - Far Infrared (FIR): longer than 15 µm. 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản • Microwaves: 1 mm to 1 m - P band: 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm) - L band: 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) - S band: 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) - C band: 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) -X band: 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS) - Ku band: 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) - K band: 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) -Ka band: 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm) • Radio: 10 cm to 10 km Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 9/28/2013 3 - Thiết bị chứa các con mắt điện tử, dùng để ghi nhận sóng phản xạ hay bức xạ của vật thể lên các kênh phổ nhất định. 5- Con mắt điện tử - Detector 6- Bộ cảm biến điện từ- sensor - Thiết bị dùng để ghi nhận sóng phản xạ hay bức xạ của vật thể lên các kênh phổ nhất định. - Một sensor có thể chứa từ một đến hàng ngàn con mắt điện tử. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản - Có 2 loại bộ cảm biến điện từ (bộ cảm) Passive (thụ động) Active (Chủ động) Sensors ghi nhận hình ảnh các đối tượng dựa vào nguồn năng lượng bên ngoài Vd: MSS, TM, HRV Sensor ghi nhận hình ảnh các đối tượng dựa vào chính nguồn năng lượng thiết bị này phát ra Vd: Radar Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 7- Vật mang- Flatform - Phương tiện dùng để chuyên chở các bộ cảm biến điện từ. Spaceborne - Satellite - Shuttle Ground-based - Hand-held - Raised platform Airborne - Aeroplane - Helicopter - Hot air balloon - Air ship - Tethered balloon Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản - Ảnh được ghi nhận từ các sensors 8- Ảnh viễn thám- imageries/ photographs Digital - Sensor - Camera - Video - Radar - LiDAR Analogue: ảnh được lưutrên giấy hoặc phim - Camera  Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 9- Trường nhìn tức thời - IFOV IFOV- Instantaneous Field of view: - Góc không gian tương ứng với 1 đơn vị chia mẫu trên mặt đất (pixel) hoặc. - Giá trị của pixel tương ứng với lượng thông tin ghi được trong góc nhìn đó. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 10- Trường nhìn -FOV - FOV- Field of view: Góc không gian bao gồm toàn bộ các góc nhìn của IFOV nằm trên 1 đường quét của 1 ảnh viễn thám Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 9/28/2013 4 Satellite path Field of view 59 88 132 128 134 135 12 14 56 124 118 128 5 8 15 25 78 112 5 7 7 12 18 45 ‘Raster’ grid Viewed numerically as Digital Numbers (DNs) Viewed graphically as image Picture element or ‘pixel’Imagedata set Ground track (imaged area) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 3- Vật truyền tải thông tin (information carrier)  Trong nguyên tắc vận hành của viễn thám, để có được bức ảnh viễn thám, cần quan tâm 3 vấn đề sau: 2- Thiết bị ghi nhận (sensors) 1- Đối tượng quan sát (objects) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Incoming solar radiation Atmospheric distortion Reflected radiation Scattered radiation Received radiation Sensor Data download User Data supply Sun Ground receiving station Absorbed/transmi tted radiation Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Trình tự của nguyên tắc vận hành viễn thám như sau: 1- Sự hiện diện của nguồn năng lượng điện từ 2- Sự lan truyền nguồn năng lượng điện từ đến bầu khí quyển 3- Sự tương tác giữa sóng điện từ với bề mặt trái đất 4- Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ bề mặt trái đất đến sensor 5- Các sensors ghi nhận dữ liệu 6- Dữ liệu được truyền về trạm mặt đất và ghi vào băng từ 7- Phân tích, xử lý dữ liệu 8- Ứng dụng Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 1- Sự tương tác giữa sóng điện từ với bầu khí quyển: Bầu khí quyển -Phần tử khí: Nitơ, oxy, carbon, Argon, hơi nước - Các vật thể khác: bụi, sương mù, đất, mãnh vỡ Sóng điện từ Lan truyền (transmission) Hấp thụ (absorption) Bề mặt trái đất Tán xạ (Scattering) -Vật thể kích thước lớn Phần tử khí Trong suốt Atmospheric windows Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 9/28/2013 5 2- Sự tương tác giữa sóng điện tới bề mặt trái đất: Hấp thụ (absorption) Lan truyền (transmission) Tán xạ (Scattering) Bức xạ (Emission) Phản xạ (Reflectance) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám (tán xạ/ khuếch tán) (hấp thu) (lan truyền) (phản chiếu) - Thông tin viễn thám về các vật thể trên bề mặt trái đất được hệ thống sensor ghi nhận dựa vào sóng phản xạ hay bức xạ phát ra từ chính vật thể đó. 3- Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ trái đất đến sensor Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Cường độ sóng điện từ phản xạ từ các vật thể đến các sensor phụ thuộc vào nhiều yếu tố: + Tính vật lý của vật thể + Địa hình ghồ ghề hay bằng phẳng + Góc tới của sóng điện từ + Độ dài của bước sóng - Do những khác biệt trên, phổ phản xạ của mỗi đối tượng sẽ khác nhau. Dựa vào sự khác biệt này, ta có thể nhận diện ra chúng. 3- Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ trái đất đến sensor Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Water ‘Low’ reflectance ‘Dark’ appearance Concrete ‘High’ reflectance ‘Light’ appearance Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Near infrared RedGreen - Ảnh vệ tinh có nhiều kênh phổ - Bức xạ của 1 đối tượng sẽ khác nhau trên từng kênh phổ - Mỗi kênh phổ được xem là 1 lớp dữ liệu Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 9/28/2013 6 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Ảnh chụp vùng nhìn thấy (màu thật) Ảnh chụp vùng cận hồng ngoại (màu giả) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa - Sơ đồ phản xạ phổ của một số đối tượng Phản xạ phổ của 5 loại thực phủ - Nước sạch: max 4% - Nước dơ: max 4,5 % - Đất trống: 5 – 20% - Thực vật: 1- 4% - 50% 2- 1% - 90% Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Sơ đồ phản xạ phổ của một số đối tượng Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Sơ đồ phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Phaûn xaï phoå öùng vôùi töøng loaïi lôùp phuû maët ñaát Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 9/28/2013 7 Nhựa đường Đất khô Đá cuộiBê tông Sỏi Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Sự đồ phản xạ phổ của cây tùng bách và cây rụng lá Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Aûnh chuïp trong vuøng nhìn thaáy: 0.4 - 0.7 um Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Aûnh chuïp trong vuøng caän hoàng ngoïai: 0.7 - 0.9 um Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Aûnh chuïp trong vuøng caän hoàng ngoïai: 0.7 - 0.9 um Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Thực tế, sơ đồ phản xạ phổ của từng đối tượng ngoài sự ảnh hưởng của bầu khí quyển, còn chịu ảnh hưởng của 2 yếu tố sau: + Ảnh hưởng không gian (spatial effect): • Cùng 1 đối tượng trong cùng 1 thời điểm nhưng vị trí khác nhau có thể sẽ có phổ phản xạ khác nhau. • Nguyên nhân? + Ảnh hưởng thời gian (temporal effect): • Sự thay đổi đặc tính của đối tượng theo thời gian • VD: theo mùa, chu kỳ tăng trưởng Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 9/28/2013 8 4- Sensor (bộ cảm biến) ghi nhận dữ liệu - Sensor ghi nhận năng lượng phản xạ của các vật thể dưới dạng các tín hiệu (signal). - Các tín hiệu này được mã hóa thành dữ liệu dạng số, băng từ hay trên phim. - Việc ghi nhận này được tiến hành qua 3 giai đoạn: thám sát (detection), ghi nhận (record) và mã hóa (interpretation) Thank you! Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám