Bài giảng Viễn thám đại cương - Chương 3: Các loại bộ cảm biến điện từ và hệ thống tạo ảnh viễn thám - Lê Thị Kim Thoa

11/1/2013 1 Chương III: CÁC LOẠI BỘ CẢM BiẾN ĐiỆN TỪ VÀ HỆ THỐNG TẠO ẢNH VIỄN THÁM GVGD: TS. Lê Thị Kim Thoa Khoa Địa Lý Trường ĐH Khoa học Xã Hội và Nhân văn TP HCM I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1- Xét về nguồn năng lượng: - chủ động (active) - bị động (passive)Bộ cảm có 2 loại: Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor): - Ghi nhận sóng phản xạ của vật thể khi có nguồn năng lượng tự nhiên => Khi nguồn năng lượng tự nhiên không còn, bộ cảm ghi nhận các đối tượng trên bề mặt trái đất ntn? => Vào ban đêm, thiết bị ghi nhận này sẽ không ghi nhận được hình ảnh? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor): Hoặc - Ghi nhận sóng bức xạ phát ra từ chính vật thể đó. - Mỗi vật thể thường có nguồn bức xạ nhiệt riêng, tồn tại trong thành phần cấu tạo của chúng. => Bộ cảm thụ động có thể ghi nhận bức xạ nhiệt của các vật thể này cả ban ngày lẫn đêm? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor): - Ưu khuyết điểm? + Lệ thuộc vào nguồn năng lượng tự nhiên. + Bộ cảm này hoạt động kém tại những vùng ở gần vĩ độ cực. + Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết - Các vệ tinh mang các bộ cảm thụ động: Landsat, SPOT, IRS. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor): - Bộ cảm phát ra nguồn năng lượng điện từ đến các vật thể quan tâm. - Khi chùm tia năng lượng này tới các vật thể thì nó phản xạ về thiết bị ghi nhận => Ưu khuyết điểm của bộ cảm chủ động? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 11/1/2013 2 1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor): + Ưu khuyết điểm: - Ghi nhận cả ngày lẫn đêm, hay tất cả các mùa trong năm, ngay cả điều kiện thời tiết xấu. - Có thể bổ sung nguồn thông tin đối tượng quan tâm trong thời điểm bộ cảm thụ động không cung cấp được. - Cần có nguồn năng lượng lớn đủ sức thay thế nguồn năng lượng tự nhiên Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor): - SLR (Side Looking Radar) - SLAR (Side Looking Airborne Radar) + Lập bản đồ địa chất + Thăm dò quặng mỏ + Lập bản đồ ngập lũ + Bản đồ mưa, độ ẩm.... - Ứng dụng bộ cảm radar + Thám sát bề mặt đại dương: xác định sóng, gió, điều kiện băng tuyết, đáy đại dương Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Bão Juan trước khi đổ bộ vào đất liền vùng Harifax, Canada ngày 29/9/2003 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2- Xét về bước sóng của phổ điện từ: Bộ cảm được chia thành 3 loại: - Bộ cảm quang học :cận cực tím,nhìn thấy, gần hồng ngọai - Bộ cảm nhiệt: phổ sóng hồng ngọai giữa - Bộ cảm radar : phổ sóng microwave Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.1. Bộ cảm quang học - Các vật thể khi tiếp xúc với năng lượng sóng điện từ sẽ phát ra nguồn năng lượng phản xạ ở vùng phổ cực cực tím, nhìn thấy và gần hồng ngọai. Nguồn năng lượng này được bộ cảm viễn thám quang học ghi nhận. Bộ cảm quang học Spectrum of lightUV Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.1. Bộ cảm quang học - Các sóng phản xạ của vật thể hầu như chỉ diễn ra trong vùng cận cực tím, nhìn thấy và gần hồng ngoại (0,25 – 3µm) Bộ cảm quang học Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 11/1/2013 3 - Vùng tia cực tím – Ultraviolet (UV) - Vùng phổ có bước sóng ngắn nhất nằm ngay sau vùng nhìn thấy - Một vài đối tượng trên trái đất: đá hay các khoáng vật được các thiết bị viễn thám ghi nhận trong vùng cận cực tím. - UV-A (315 - 400 nm): hấp thụ ít khi qua tầng ozone - UV-B (280 - 315 nm): hấp thụ mạnh khi qua tầng ozone => Có hại cho da và mắt. - UV-C (100 - 280 nm): hấp thụ hoàn toàn khi qua tầng ozone => không tới được trái đất. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám - Vùng nhìn thấy (thị phổ) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám - Vùng hồng ngoại - Trong vùng hồng ngoại, bộ cảm quang học chỉ ghi nhận được phản xạ của vật thể ở vùng hồng ngoại phản xạ (0,7 – 3µm) 0,7 1000 um3 um Reflected IR Thermal IR Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Sattlite Sensors Bands Landsat 185x185 km RBV – Return Bean Vidicon (80m) MSS – Multi-Spectral Scanner (79) TM – Thematic Mapper (30m) ETM –Enhanced Thematic Mapper (15m) 1: 0.45 – 0.52 μm(TM) 2: 0.52 – 0.60 μm 3: 0.63 – 0.69 μm 4: 0.76 – 0.90 μm 5: 1.55 – 1.75 μm 6: 10.40 – 12.50 μm 7: 2.08 – 2.35 μm NOAA 2700x2700km Res: 1km VHRR -Very High Resolution Radiometer AVHRR-Advanced Very High Resolution Radiometer SARSAT -Search and Rescue Satellite-Aid Tracking (AVHRR) 1: 0.58 – 0.68 μm 2: 0.72 – 1.10 μm 3: 3.55 – 3.93 μm 4: 10.50 – 11.50 μm 5: 11.50– 12.50 μm - Một số bộ cảm quang học Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Sattlite Sensors Bands SPOT 60x 60km HRV- High resolution visible (10/20m) HRVIR- High Resolution Visible Infrared HRG - High Resolution Geometric (5/10m -> 2,5m) Pan:0,51 – 0,73µm Mul Spectral: 0,5-0,59µm 0,61 – 0,68m 0,79 – 0,89µm IKONOS 11x11 km (Sep 1999) Pan: 1m Mul: 4 m Pan: 0,45 – 0,9µm Mul: 0,45 – 0,52µm 0,51 – 0,60 µm 0,63 – 0,7 µm 0,76 – 0,85 µm - Một số bộ cảm quang học Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Sattlite Sensors Bands Quickbird (Oct/2001) 18 x 18 km Pan: 0,61 m Mul: 2,44 m Pan : 450 - 900 nm Mul : 450 - 520 nm 520 - 600 nm 630 - 690 nm 760 -900 nm OrbView (Apr 1995) (8x8km) Pan: 1m Mul: 4 m Pan: 0,45 – 0,9µm Mul: 0.45-0.52 (blue) 0.52-0.60 (green) 0.625-0.695 (red) 0.76-0.90 (NIR) - Một số bộ cảm quang học 11/1/2013 4 2.2. Bộ cảm nhiệt: - Bộ cảm ghi nhận tín hiệu các vật thể bằng nguồn năng lượng bức xạ do chính vật thể phát ra trong vùng hồng ngọai giữa và xa. 3 µm 1000µm Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.2. Bộ cảm nhiệt: Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.2. Bộ cảm nhiệt: Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.2. Bộ cảm nhiệt: Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.2. Bộ cảm nhiệt: I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa - Một số sensor tạo ảnh nhiệt Images Sensor Resolution TERRA ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) TIR (thermal infrared) 10- 8.125 - 8.475 m 11- 8.475 - 8.825 m 12- 8.925 - 9.275 m 13- 10.25 - 10.95 m 14- 10.95 - 11.65 m 90 m Landsat TM - 10.40 -12.50 m ETM+ 120m 60m RESURS-01-4 Soviet Union MSU-SK 10.40 - 12.60 520m(AlT) 680m (AcT) CBERS-1 (China-Brazil) IR-MSS 10.40 -12.50 160m NOAA (National Oceanic & Atmospheric Addministration) AVHRR- Advanced Very High Resolution Radiometer 10.30-11.30 11.50 – 12.50 1100m Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 11/1/2013 5 2.3. Bộ cảm radar - Bộ cảm radar phát ra xung điện từ ở bước sóng microwave theo hướng quan tâm và ghi nhận cường độ của xung phản hồi từ các đối tượng. - Vùng họat động của bộ cảm radar có bước sóng từ 1mm - 1 m. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Some return Radar Emitted microwaves Little/ no return Scattered microwaves Forest ‘rough’ surfaceWater‘smooth’ surface - Radar là hệ thống viễn thám chủ động - Hệ thống này phát ra xung năng lượng tới địa hình và ghi nhận xung trở về từ địa hình. - Các đối tượng được nhận diện trên ảnh radar căn cứ vào cấu trúc cơ bản của chúng. + Bề mặt ghồ ghề: năng lượng trở về nhiều + Bề mặt nhẵn: năng lượng trở về ít - Xung phát ra có thể xuyên qua mây, mưa nhẹ, sương mù, tuyết, khói và vỏ thạch quyển - Họat động cả ngày lẫn đêm I- Các loại bộ cảm trong viễn thám - Một số sensor tạo ảnh radar Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Satellite Mission Spatial resolution Almaz (Soviet Union) Almaz - 1 Almaz – 1B 10-15 m ( S band) 5-7m ( X band) 15-40m (S band) 20-40m (P band) Seasat-1 25m SIR (Shuttle Imaging Radar) SIR-A SIR-B SIR-C 40m 25m/15-45m 25m/ 15-45m Radarsat Radarsat-1 Radarsat - 2 8-100 m 3-100 m II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Có 2 hệ thống tạo ảnh viễn thám 1- Hệ thống chụp ảnh khung 1.1. Hệ thống chụp ảnh phim (ảnh tương tự - giấy) 1.2. Hê thống chụp ảnh băng từ (ảnh raster - ảnh số) 2- Hệ thống quét ảnh đa phổ 2.1. Hệ thống quét ảnh quang học 2.2. Hệ thống quét ảnh nhiệt 2.3. Hệ thống quét ảnh siêu cao tần/radar Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 1- Hệ thống chụp ảnh khung- Framing system - Thu nhận tức thời hình ảnh của 1 vùng hay tạo thành 1 “khung” lên địa hình. - Có 2 dạng hệ thống khung 1.1. Hệ thống chụp khung trên phim (Framing system films) VD: Các camera chụp phim - Các camera chụp phim có bước sóng từ vùng cận cực tím, nhìn thấy đến cận hồng ngoại Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Bộ cảm này có 1 hoặc 4 camera được thiết kế cho vệ tinh Landsat 1,2,3 1.2. Hệ thống khung trên băng từ (RBV Sensor) - Bộ cảm Return Bean Vidicon (vô tuyến truyền hình tia ngược) sử dụng camera ghi nhận tức thời hình ảnh của 1 vùng. Sau đó ghi chúng vào băng từ dạng raster. - Các camera chụp phim hay ghi băng từ có bước sóng từ vùng cận cực tím, nhìn thấy đến cận hồng ngoại II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 11/1/2013 6 - VD: Ảnh IKONOS Pan: chỉ có 1 sensor với độ phân giải 1 m ghi trong vùng bước sóng: 0.45 - 0.90µm - Ảnh chụp hệ thống dạng khung có 2 dạng: + Ảnh Panchromatic (trắng và đen): chỉ có 1 sensor ghi nhận ảnh trong vùng nhìn thấy. + Ảnh đa phổ (Multispectral): có nhiều sensors có đặc tính giống nhau ghi nhận ảnh trong vùng nhìn thấy và cận hồng ngọai. - Ảnh SPOT HRV Pan: chỉ có 1 sensor với độ phân giải 10 m ghi trong vùng bước sóng: 0.50 - 0.73 µm và 0.48 - 0.71 µm cho 2,5 hoặc 5m Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - VD ảnh khung đa phổ + Ảnh Landsat RBV: có 3 sensors với độ phân giải 80m ghi nhận ở vùng bước sóng: RBV Sensitivity (m) Resolusion (m) 1 2 3 0.475 - 0.575 m 0.580 - 0.680 m 0.690 - 0.830 m 80 80 80 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám 2- Hệ thống quét ảnh đa phổ - scanning system - Các sensor chứa các detectors (con mắt điện tử/ tế bào quang điện) với trường nhìn hẹp quét lên địa hình. - Mỗi sensor sẽ ghi nhận hình ảnh của 1 vùng ở bước sóng hẹp. Kết quả, trong cùng một thời điểm, 1 vùng sẽ ghi nhận được nhiều hình ảnh với các kênh phổ khác nhau. - Số lượng các kênh phổ trên hệ thống quét đa phổ có thể có từ hàng chục đến hàng trăm. A: Rotating Mirror B: Detectors C: Instantaneous Field of View D: Ground Resolution Cell E: Angular Field of View F: Swath Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Dựa vào số lượng các kênh phổ, hệ thống tạo ảnh quét đa phổ có 3 dạng: + Ảnh quét đa phổ (Multiple spectral): số lượng kênh phổ < 10. + Ảnh quét siêu phổ (supperspectral): số lượng kênh phổ trên 10. + Ảnh quét siêu siêu phổ (hyperspectral imageries): có số lượng kênh phổ từ 200 hơn. VD: - Landsat đa phổ: 7 kênh - sensor MODIS trên vệ tinh TERRA: 36 kênh - sensor Hyperion ( vệ tinh EO-1): 220 kênh Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Dựa vào cách thức quét, có 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ + Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét ngang (across track scanning- whisk broom scanning) + Hệ thống tạo ảnh theo quét dọc (Along track scanning – Push broom scanning) + Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét bên sườn : Radar Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ + Hệ thống quét ngang (across track scanner) - Từng detector hoặc 1 dãi detectors quét ngang với đường bay. Whiskbroom scanner-Across track scanner ETM+ GOES MODIS MSS TM Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám 11/1/2013 7 - Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ + Hệ thống quét dọc - along track scanner: Along track scanner – Push broom scanner • Hệ thống quét dọc trang bị 1 dãi các detectors quét dọc theo đường bay. • Ưu điểm: • Cho phép các detectors quan sát các đối tượng trên bề mặt trong 1 khoảng thời gian lâu hơn. II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa + Hệ thống quét dọc - along track scanner:  Các detectors không di chuyển  Nhiều phản xạ được ghi nhận  -> Chất lượng hình ảnh cao Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám + Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét bên sườn : Radar Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Akutan Island (August 1993 to October 1996), (C-band radar) Akutan Island (October 1994 to June 1997 (L-band radar) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Lower Manhattan as imaged by Radarsat prior to 11 Sep Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa - Dựa vào bước sóng trong dãy phổ điện từ, ảnh được chụp từ hệ thống quét đa phổ có 3 loại: - Ảnh quang học: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng vùng cận cực tím, nhìn thấy, cận hồng ngọai (0,3 – 3m). - Ảnh nhiệt: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng vùng hồng ngọai giữa ( 3m – 1000 m). - Ảnh radar: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng vùng microwave (1mm-1m). Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám 11/1/2013 8 - Ảnh quang học  Raát nhieàu veä tinh cung caápaûnh quang hoïc vôùi nhieàuñoä phaân giaûi khaùc nhau:Landsat, Spot, IRS,Quickbird, Ikonos, EROS ... Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh quang học (a) Dry season (b) Harvest season Landsat TM-bands 7-3-4 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh quang học (a) Dry season (b) Wet season (c) Harvest season Landsat ETM-bands 7-3-4 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa - Ảnh quang học (a) Worldview 2- 0.5m Pan (b) Worldview 1- 0.5 m Pan Houston, Texas, US Yokohama, Japan Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Example of thermal image - Ảnh nhiệt Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Thermal image of lava - Ảnh nhiệt Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám 11/1/2013 9 - Ảnh nhiệt London, 17th Sep 1991 Kuro Shio - Honshu island-August 1991 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh radar (a) Radarsat- Mekong Delta (b) ERS radar - Bac Lieu-Soc Trang Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Ảnh quang học Ảnh nhiệt Ảnh Radar - Bị động - Bị động - Chủ động - Cực tím, nhìn thấy, cận hồng ngoại - Vùng hồng ngọai giữa và xa - Vùng sóng microwave - Năng lượng phản xạ của các đối tượng - Năng lượng bức xạ nhiệt của các đối tượng - Cường độ xung phản hồi từ các đối tượng - Quét ngang, dọc? Quét ngang, dọc? Quét 1 (2) bên sườn - Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết - Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết - Không ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết - Dạng phim, số - Dạng số - Dạng số - Độ phân giải: thấp đến siêu cao - Độ phân giải: thấp đến trung bình - Độ phân giải: thấp đến trung bình Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám