Bài giảng Viễn thám đại cương - Chương II: Một số khái niệm cơ bản và nguyên tắc vận hành của viễn thám

9/28/2013

I. Một số khái niệm cơ bản

Chương II:

1. Viễn thám là gì?



Viễn : xa

Thám: thám sát, quan sát.

Viễn thám: quan sát từ xa

MỘT SỐ KHÁI NiỆM CƠ BẢN

VÀ NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH

CỦA ViỄN THÁM



Một ví dụ đơn giản: mắt con

người

Các dụng cụ hỗ trợ tầm nhìn

quan sát

GVGD: TS. Lê Thị Kim Thoa

Khoa Địa Lý

Các dụng cụ ghi nhận đối

tượng quan sát

Các ‘photographs’ là viễn

thám?

Trường ĐH Khoa học Xã Hội và Nhân văn TP HCM

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

I. Một số khái niệm cơ bản

2. Thế nào là ảnh viễn thám?



Là ảnh của các đối tượng trên bề mặt trái đất được

ghi nhận từ vệ tinh hay các thiết bị bay chụp khác.



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

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

I. Một số khái niệm cơ bản

3. Năng lượng sóng điện từ



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 truyền trong môi trường đồng nhất theo

kiểu hình sin với tốc độ gần bằng với tốc độ ánh sáng.

Sóng điện từ được mô tả qua 3 khái niệm: bước sóng, tần

số và tốc độ lan truyền.

C

=

 . 

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= 3.10⁸m/s = tốc độ ánh sáng

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

1

9/28/2013

I. Một số khái niệm cơ bản

3. Năng lượng sóng điện từ



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)

Low Frequency

Low Energy

High Frequency

High Energy



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.

Unit

Cycles per second

Unit

Distance

Hertz (Hz)

Kilohertz (KHz)

1

Kilometer (Km)

Milimeter (mm)

Micrometer (m)

Nanometer (nm)

Angstrom (A^o)

1000 m

10³

0.001 m = 10 ^–3

10 ^–6

m

Megahertz (MHz) 10⁶

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.

Gigahertz (GHz)

Terahertz

10⁹

10 ^–9

10¹²

10^–10

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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)



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.

• 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.

• 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

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS)

I. Một số khái niệm cơ bản

4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS)

• 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)

- 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

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

2

9/28/2013

I. Một số khái niệm cơ bản

5- Con mắt điện tử - Detector

- Có 2 loại bộ cảm biến điện từ (bộ cảm)

- Thiết bị dùng để ghi nhận sóng phản xạ hay bức

xạ của vật thể lên các kênh phổ nhất định.

Passive (thụ động)

6- Bộ cảm biến điện từ- sensor

Sensors ghi nhận hình ảnh

các đối tượng dựa vào nguồn

năng lượng bên ngoài

- 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.

Active (Chủ động)

Sensor ghi nhận hình ảnh các

Vd: MSS, TM, HRV…

đối tượng dựa vào chính nguồn

năng lượng thiết bị này phát ra

- Một sensor có thể chứa từ

một đến hàng ngàn con mắt

điện tử.

Vd: Radar

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

I. Một số khái niệm cơ bản

7- Vật mang- Flatform

8- Ảnh viễn thám- imageries/ photographs

- Phương tiện dùng để chuyên chở các bộ cảm biến điện từ.

- Ảnh được ghi nhận từ các sensors

Analogue: ảnh được lưu

trên giấy hoặc phim

- Camera

Spaceborne

- Satellite

Airborne

- Aeroplane

- Shuttle

Digital

- Sensor

- Camera

- Video

- Radar

- LiDAR

- Helicopter

- Hot air balloon

- Air ship

Ground-based

- Hand-held

- Raised platform

- Tethered balloon



Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

I. Một số khái niệm cơ bản

10- Trường nhìn -FOV

9- Trường nhìn tức thời - IFOV

- 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

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

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

3

9/28/2013

I. Một số khái niệm cơ bản

III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám



Trong nguyên tắc vận hành của viễn thám, để có

được bức ảnh viễn thám, cần quan tâm 3 vấn đề

sau:

Viewed numerically as

Digital Numbers (DNs)

59

12

5

88

14

8

132

128

124

25

134

118

78

135

128

112

Satellite

path

56

15

1- Đối tượng quan sát

(objects)

5

7

12

18

45

Picture

element

or ‘pixel’

Image

data set

‘Raster’ grid

2- Thiết bị ghi nhận

(sensors)

Field of

view

3- Vật truyền tải thông tin

(information carrier)

Ground track

(imaged area)

Viewed graphically

as image

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám

User

- Trình tự của nguyên tắc vận hành viễn thám như sau:

Sun

Sensor

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

Atmospheric

distortion

Incoming

solar

radiation

Data

supply

Received

radiation

Data

download

6- Dữ liệu được truyền về trạm mặt đất và ghi vào băng từ

7- Phân tích, xử lý dữ liệu

Scattered

radiation

Reflected

radiation

Ground

receiving

station

8- Ứng dụng

Absorbed/transmi

tted radiation

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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:

Sóng điện từ

Tán xạ

(Scattering)

Phần tử khí

-Vật thể kích

thước lớn

Bầu khí quyển

-Phần tử khí: Nitơ, oxy,

carbon, Argon, hơi nước…

- Các vật thể khác: bụi,

sương mù, đất, mãnh vỡ…

Trong suốt

Atmospheric

windows

Hấp thụ

(absorption)

Lan truyền

(transmission)

Bề mặt trái đất

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

4

9/28/2013

III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám

2- Sự tương tác giữa sóng điện tới bề mặt trái đất:

(lan truyền)

(phản chiếu)

Phản xạ

(Reflectance)

Tán xạ

(Scattering)

Bức xạ

(Emission)

(hấp thu)

(tán xạ/ khuếch tán)

Hấp thụ

(absorption)

Lan truyền

(transmission)

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám

3- Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ trái đất đến sensor

- 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.

- 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.

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám

Near infrared

- Ảnh vệ tinh có nhiều kênh phổ

- Bức xạ của 1 đối tượng sẽ khác

nhau trên từng kênh phổ

Concrete

‘High’ reflectance

‘Light’ appearance

- Mỗi kênh phổ được xem là 1 lớp

dữ liệu

Green

Red

Water

‘Low’ reflectance

‘Dark’ appearance

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

5

9/28/2013

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

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

- Nước sạch: max 4%

- Nước dơ: max 4,5 %

- Đất trống: 5 – 20%

- Thực vật: 1- 4% - 50%

2- 1% - 90%

Phản xạ phổ của 5 loại thực phủ

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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

- Sơ đồ phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

6

9/28/2013

III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám

- Sự đồ phản xạ phổ của cây tùng bách và cây rụng lá

Bê tông

Đá cuội

Đất khô

Nhựa đường

Sỏi

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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

Aûnh chuïp trong vuøng caän hoàng ngoïai: 0.7 - 0.9 um

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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 …

Aûnh chuïp trong vuøng caän hoàng ngoïai: 0.7 - 0.9 um

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

7

9/28/2013

III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám

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

8