Bài giảng Viễn thám đại cương - Chương III: Các loại bộ cảm biến điện từ và hệ thống tạo ảnh viễn thám

11/1/2013

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

Chương III:

1- Xét về nguồn năng lượng:

Bộ cảm có 2 loại: - bị động (passive)

- chủ động (active)

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

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):

- Ghi nhận sóng phản xạ của

vật thể khi có nguồn năng

lượng tự nhiên

Hoặc

- Ghi nhận sóng bức xạ phát ra

từ chính vật thể đó.

=> Khi nguồn năng lượng tự

nhiên không còn, bộ cảm ghi

nhận các đối tượng trên bề mặt

trái đất ntn?

- Mỗi vật thể thường có nguồn

bức xạ nhiệt riêng, tồn tại trong

thành phần cấu tạo của chúng.

=> Vào ban đêm, thiết bị ghi nhận này sẽ không ghi

nhận được hình ảnh?

=> 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

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):

1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor):

- Ưu khuyết điểm?

- Bộ cảm phát ra nguồn năng

lượng điện từ đến các vật thể

quan tâm.

+ Lệ thuộc vào nguồn năng lượng tự

nhiên.

+ Bộ cảm này hoạt động kém tại

những vùng ở gần vĩ độ cực.

- Khi chùm tia năng lượng này

tới các vật thể thì nó phản xạ về

thiết bị ghi nhận

+ Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết

=> Ưu khuyết điểm của bộ cảm

chủ động?

- Các vệ tinh mang các bộ cảm thụ

động: Landsat, SPOT, IRS….

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

1

11/1/2013

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)

- Ứng dụng bộ cảm radar

+ Thám sát bề mặt đại dương: xác định sóng, gió,

điều kiện băng tuyết, đáy đại dương

+ 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.

+ Lập bản đồ địa chất

+ Thăm dò quặng mỏ

+ Lập bản đồ ngập lũ

+ Bản đồ mưa, độ ẩm....

- 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

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:

Bão Juan trước

khi đổ bộ vào

đất liền vùng

Harifax, Canada

ngày 29/9/2003

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

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.

- 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

Spectrum of light

UV

Bộ

cảm

quang

học

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

2

11/1/2013

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

- Vùng tia cực tím – Ultraviolet (UV)

- Vùng nhìn thấy (thị phổ)

- 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

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

- Một số bộ cảm quang học

- Vùng hồng ngoại

Sattlite

Landsat

185x185 km

Sensors

Bands

- 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)

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

(AVHRR)

NOAA

VHRR -Very High Resolution

Radiometer

AVHRR- Advanced Very High

Resolution Radiometer

SARSAT -Search and Rescue

Satellite-Aid Tracking

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

2700x2700km

Res: 1km

0,7

3 um

1000 um

Reflected IR

Thermal IR

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

- Một số bộ cảm quang học

Sattlite

Quickbird

(Oct/2001)

Sensors

Pan: 0,61 m

Mul: 2,44 m

Bands

Sattlite

SPOT

60x 60km

Sensors

HRV- High resolution visible

(10/20m)

HRVIR- High Resolution Visible

Infrared

HRG - High Resolution

Geometric (5/10m -> 2,5m)

Pan: 1m

Bands

Pan:0,51 – 0,73µm

Mul Spectral:

0,5-0,59µm

0,61 – 0,68m

0,79 – 0,89µm

Pan : 450 - 900 nm

Mul : 450 - 520 nm

520 - 600 nm

18 x 18 km

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)

IKONOS

11x11 km

(Sep 1999)

Pan: 0,45 – 0,9µm

Mul: 0,45 – 0,52µm

0,51 – 0,60 µm

0,63 – 0,7 µm

Mul: 4 m

0,76 – 0,85 µm

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

3

11/1/2013

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

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

1000 µm

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

- Một số sensor tạo ảnh nhiệt

2.2. Bộ cảm nhiệt:

Images

Sensor

Resolution

TERRA

ASTER (Advanced Spaceborne

Thermal Emission and

Reflection Radiometer)

TIR (thermal infrared)

90 m

10- 8.125 - 8.475

11- 8.475 - 8.825

12- 8.925 - 9.275

13- 10.25 - 10.95

14- 10.95 - 11.65

m



Landsat

TM - 10.40 -12.50

ETM+

m



120m

60m

RESURS-01-4

Soviet Union

CBERS-1

MSU-SK

520m(AlT)

680m (AcT)

160m

10.40 - 12.60

IR-MSS

10.40 -12.50

(China-Brazil)

NOAA

AVHRR- Advanced Very High 1100m

(National Oceanic & Resolution Radiometer

10.30-11.30

11.50 – 12.50

Atmospheric

Addministration)

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

4

11/1/2013

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

- Radar là hệ thống viễn thám chủ động

2.3. Bộ cảm radar

- Hệ thống này phát ra xung năng lượng tới địa

hình và ghi nhận xung trở về từ địa hình.

- 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.

- Các đối tượng được nhận diện trên ảnh radar

căn cứ vào cấu trúc cơ bản của chúng.

Radar

+ Bề mặt ghồ ghề: năng lượng trở về nhiều

Some

return

- Vùng họat động của bộ cảm

radar có bước sóng từ 1mm - 1 m.

+ Bề mặt nhẵn: năng lượng trở về ít

Emitted

microwaves

Scattered

microwaves

- Xung phát ra có thể xuyên

qua mây, mưa nhẹ, sương mù,

tuyết, khói và vỏ thạch quyển

- Họat động cả ngày lẫn đêm

Forest

Little/

no return

Water

‘smooth’ surface

‘rough’ surface

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

I- Các loại bộ cảm trong viễn thám

- Một số sensor tạo ảnh radar

Có 2 hệ thống tạo ảnh viễn thám

1- Hệ thống chụp ảnh khung

Satellite

Mission

Spatial resolution

10-15 m ( S band)

5-7m ( X band)

15-40m (S band)

20-40m (P band)

25m

Almaz

(Soviet Union)

Almaz - 1

Almaz – 1B

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

Seasat-1

SIR

2.1. Hệ thống quét ảnh quang học

2.2. Hệ thống quét ảnh nhiệt

SIR-A

40m

(Shuttle Imaging

Radar)

SIR-B

SIR-C

25m/15-45m

25m/ 15-45m

8-100 m

2.3. Hệ thống quét ảnh siêu cao tần/radar

Radarsat

Radarsat-1

Radarsat - 2

3-100 m

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

1- Hệ thống chụp ảnh khung- Framing system

1.2. Hệ thống khung trên băng từ (RBV Sensor)

- Thu nhận tức thời hình ảnh của 1 vùng hay tạo thành 1

“khung” lên địa hình.

- 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.

- Có 2 dạng hệ thống khung

1.1. Hệ thống chụp khung

trên phim (Framing system

films)

- Bộ cảm này có 1 hoặc 4

camera được thiết kế cho

vệ tinh Landsat 1,2,3

VD: Các camera chụp phim

- Các camera chụp phim có

bước sóng từ vùng cận cực

tím, nhìn thấy đến cận hồng

ngoại

- Các camera chụp phim hay ghi băng từ có bước sóng từ

vùng cận cực tím, nhìn thấy đến cận hồng ngoại

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

5

11/1/2013

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

- Ảnh chụp hệ thống dạng khung có 2 dạng:

- VD ảnh khung đa phổ

+ Ảnh Panchromatic (trắng và đen): chỉ có 1

sensor ghi nhận ảnh trong vùng nhìn thấy.

+ Ảnh Landsat RBV: có 3 sensors với độ phân giải 80m ghi

nhận ở vùng bước sóng:

+ Ảnh đa phổ (Multispectral):có nhiều sensors

có đặc tính giống nhau ghi nhận ảnh trong vùng

nhìn thấy và cận hồng ngọai.

RBV

Sensitivity (m)

Resolusion (m)

1

2

3

0.475 - 0.575 m

0.580 - 0.680 m

0.690 - 0.830 m

80

- VD: Ảnh IKONOS Pan: chỉ có 1 sensor với độ

phân giải 1 m ghi trong vùng bước sóng: 0.45 -

0.90µm

- 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

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

- Dựa vào số lượng các kênh phổ, hệ thống tạo ảnh

quét đa phổ có 3 dạng:

- Các sensor chứa các detectors

(con mắt điện tử/ tế bào quang

điện) với trường nhìn hẹp quét lên

địa hình.

+ Ảnh quét đa phổ (Multiple spectral): số lượng kênh phổ

< 10.

+ Ảnh quét siêu phổ (supperspectral): số lượng kênh phổ

trên 10.

- 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 quét siêu siêu phổ (hyperspectral imageries): có

số lượng kênh phổ từ 200 hơn.

A: Rotating Mirror

B: Detectors

ảnh với các kênh phổ khác nhau.

VD: - Landsat đa phổ: 7 kênh

- Số lượng các kênh phổ trên hệ

thống quét đa phổ có thể có từ hàng

chục đến hàng trăm.

C: Instantaneous Field of View

D: Ground Resolution Cell

E: Angular Field of View

F: Swath

- 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

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

- Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ

+ Hệ thống quét ngang (across track scanner)

+ Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét

ngang (across track scanning-

whisk broom scanning)

- Từng detector hoặc 1 dãi

detectors quét ngang với

đường bay.

+ Hệ thống tạo ảnh theo quét dọc

(Along track scanning – Push

broom scanning)

ETM+

GOES

MODIS

MSS

TM

+ Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét

bên sườn : Radar

Whiskbroom scanner-Across track scanner

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

6

11/1/2013

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

- Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ

+ Hệ thống quét dọc - along track scanner:

Các detectors không di chuyển



• Hệ thống quét dọc trang bị 1

dãi các detectors quét dọc theo

đường bay.



Nhiều phản xạ được ghi nhận

-> Chất lượng hình ảnh cao

• Ưu điểm:

• Cho phép các detectors quan

sát các đối tượng trên bề mặt

trong 1 khoảng thời gian lâu

hơn.

Along track scanner – Push broom scanner

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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

Akutan Island (October 1994 to June

1997 (L-band radar)

Akutan Island (August 1993 to

October 1996), (C-band radar)

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

- 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).

Lower Manhattan as imaged

by Radarsat prior to 11 Sep

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

7

11/1/2013

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

- Ảnh quang học



Raát nhieàu veä tinh cung caáp

aûnh quang hoïc vôùi nhieàu

ñoä phaân giaûi khaùc nhau:

Landsat, Spot, IRS,

(a) Dry season

(b) Harvest season

Quickbird, Ikonos, EROS ...

Landsat TM-bands 7-3-4

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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

Landsat ETM-bands 7-3-4

(c) Harvest season

(a) Worldview 2- 0.5m Pan

Houston, Texas, US

(b) Worldview 1- 0.5 m Pan

Yokohama, Japan

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

- Ảnh nhiệt

Example of thermal image

Thermal image of lava

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

8

11/1/2013

II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám

- Ảnh radar

- Ảnh nhiệt

London, 17th Sep 1991

Viễn thám đại cương

Kuro Shio - Honshu island-August 1991

(a) Radarsat- Mekong Delta

(b) ERS radar - Bac Lieu-Soc Trang

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

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

- Chủ động

- Cực tím, nhìn thấy,

cận hồng ngoại

- Vùng hồng ngọai

giữa và xa

- Vùng sóng

microwave

- Năng lượng phản xạ - Năng lượng bức xạ - Cường độ xung

của các đối tượng

nhiệt của các đối

tượng

phản hồi từ các đối

tượng

- Quét ngang, dọc?

Quét ngang, dọc?

Quét 1 (2) bên sườn

- Ảnh hưởng bởi điều - Ảnh hưởng bởi

- Không ảnh hưởng

bởi điều kiện thời tiết

kiện thời tiết

điều kiện thời tiết

- Dạng phim, số

- Dạng số

- Độ phân giải: thấp

đến siêu cao

- Độ phân giải: thấp - Độ phân giải: thấp

đến trung bình

Viễn thám đại cương

GV: TS. Lê Thị Kim Thoa

9