Trong quản lý giao thông đô thị:- Hệ thông tin cầu đường;- Hệ thông tin lưu thông (trafic);- Theo dõi, quản lý, phân tích và quy

hoạch hệ thống đường bộ, đường sắt, đường thủy.

- Quản lý cống thoát nước, hệ thống mạng cung cấp nước, cây xanh, đèn chiếu sáng;

- Dịch vụ phân phối hàng hóa;- Xác định vị trí tiềm năng cho siêu

thị, cửa hàng, nhà bank….- Phân tích tuyến xe buýt;- Hệ thống chỉ đường (GIS + GPS).

V.4/ Ứng dụng GIS trong quản lý các công trình tiện tích (AM/FM)

Quản lý các công trình tiện ích là một lĩnh vực ứng dụng của hệ thông tin địa lý được tổ chức tốt, có ảnh hưởng lớn trong những công ty điện thoại, điện lực, cấp thoát nước, khí đốt...

AM/FM: Automated Mapping and Facilities Management.

AM/FM là sự kết hợp của hai công cụ:

- Quá trình tự động hóa để sản xuất bản đồ;

- Quản lý các công trình tiện ích cung cấp cho mục đích thống kê, đánh gíá.

Menu của chương trình quản lý hệ thống giao thông đường thủy TP. Hồ Chí Minh

Menu của chương trình quản lý hệ thống cầu đường TP. Hồ Chí Minh

AM/FM liên kết hai công cụ này để cung cấp tiếp cận địa lý cho việc đánh giá thống kê. Thông tin có thể được truy tìm bởi việc chỉ ra trên bản đồ.

Những ứng dụng của AM/FM:

- Định vị công trình theo địa chỉ đường;

- Lập báo cáo về hệ thống đèn chiếu sáng;

- Lập bản đồ mạng điện và những đường nhánh theo tỷ lệ quy định;

- Lập báo cáo liên tục về bất động sản;

- Cung cấp báo cáo cho mục đích thuế;

- ....

Ích lợi của AM/FM:

- Giảm giá bảo trì thông tin;

- Tác động tổ chức bằng cách kết hợp các hoạt động;

- Lập những mẫu biểu báo cáo mới có sẳn.

a/ Trong quản lý ngành điện:

- Quản lý tải của máy biến thế;

- Phân tích sự cố;

- Sụt áp;

- Tải đường dây;

- Thành lập và cập nhật;

- Bản đồ hệ thống điện ngầm;

- Phân tích hư hõng

- Sắp xếp lịch công tác;

- Phân tích hệ thống;

- Quy hoạch mạng điện;

- ....

b/ Trong quản lý ngành viễn thông:

- Phân tích sự cố;

- Thành lập và cập nhật bản đồ cáp điện thoại;

- Phân tích thị trường;

- Kiểm kê trang thiết bị;

- Phân tích hỗ trợ ra quyết định;

- Phân tích đầu tư vốn;

- ....

c/ Trong quản lý ngành cấp nước:

- Phân tích dòng chảy và áp lực qua mạng;

- Phân tích thất thoát nước và dò tìm chổ rò rỉ;

- Lập kế hoạch và xử lý tuần tự công việc;

- Thành lập và cập nhật;

- Bản đồ hệ thống cấp nước;

- Quy hoạch các vòi cấp nước;

- Cứu hỏa;

- Dùng geocode để gán địa chỉ;

- Đồng hồ nước với bản đồ;

- ....

d/ Trong quản lý ngành thoát nước:

- Phân tích sự cố và phân tích dòng chảy qua mạng;

- Thống kê trang thiết bị;

- Lập kế hoạch và xử lý tuần tự công việc;

- Thành lập và cập nhật bản đồ hệ thống thoát nước;

- Mô phỏng các nguồn ô nhiểm nước và phân tích ảnh hưởng vùng hạ lưu;

- ....

e/ Trong quản lý ngành địa chính và bản đồ:

- Quản lý hệ thống bản đồ và theo dỏi những biến động về sử dụng đất đai;

- Thành lập, in ấn các loại bản đồ hành chính, địa hình, địa chất, địa chính;

- Quy hoạch sử dụng đất.

f/ Trong quản lý nông nghiệp:

- Quản lý nông nghiệp, quản lý đê điều, công trình thủy lợi;

g/ Trong y tế, xã hội:

- Hệ thống thông tin xã hội và y tế công cộng;

- Hệ thống quản lý các thông tin dân số và tăng trưởng dân số;

- Xác định vị trí bệnh viện và clinic tiềm năng;

- Lập bản đồ thống kê bệnh, dịch tể;

- Quản lý phương tiện, trang thiết bị.

h/ Trong du lịch:

- Hệ thống thông tin du lịch toàn quốc;

- Hệ thống các danh lam thắng cảnh.

i/ Trong kinh doanh:

- Tạo ra một hệ thống cho phép kết nối các CSDL bên trong của doanh nghiệp (như địa chỉ khách hàng, các địa điểm bán hàng,...) với các dữ liệu từ bên ngoài (như các dữ liệu về hệ thống đường sá, các số liệu về nhân khẩu học, về cách sống) để có thể quản lý tốt hơn các hoạt động kinh doanh, đặc biệt trong công tác hổ trợ ra quyết định và phân tích thị trường.

j/ Trong an ninh quốc phòng:

- Xây dựng hệ thống phân tích tội phạm, hỏa hoạn, quản lý giao thông cho ngành an ninh;

- Xây dựng các hệ thống giảng dạy và mô phỏng (hệ thống tập lái ô tô, máy bay với mô hình địa hình);

- Xây dựng các hệ thống bản đồ quân sự, quản lý hệ thống kho tàng quân sự, các mục tiêu quân sự...

V.5/ Các ứng dụng khác:

a/ Tính toán theo các mô hình để tạo ra thông tin mới:

Ví dụ

- Bản đồ thích nghi cây trồng được tính toán dựa trên việc chồng xếp có trọng số các thông tin: bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ độ dốc.

- Bản đồ hiện trạng rừng hai thời kỳ được chồng xếp để có bản đồ về biến động rừng giữa hai thời kỳ;

b/ Các bài toán mô phỏng:

Theo các mô hình lý thuyết (mang tính giả định), GIS còn có ứng dụng trong các bài toán mô phỏng như các ví dụ sau:

- Với một chiều cao đập cho trước, GIS có thể mô phỏng được mức, lượng, diện tích nước ngập.

- Với các chiều rộng mở đường khác nhau trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất, GIS cho phép mô phỏng các phương án mở đường và tiền đền bù.

c/ Các ứng dụng có liên quan đến mô hình số độ cao:

- Như tính toán phạm vi quan sát từ điểm phục vụ cho các yêu cầu quân sự hoặc đặt trạm ăng ten viễn thông (điện thoại di động)

- Các thông số của địa hình được xác định như độ cao, độ dốc còn phục vụ cho công tác qui hoạch (ví dụ phân cấp phòng hộ đầu nguồn) và các khoa học trái đất (địa mạo, địa lý).

d/ Các phân tích mạng

Để giải quyết các bài toán tìm đường ngắn nhất hay thời gian thích hợp để bật tắt đèn xanh đèn đỏ trong giao thông đô thị.

e/ Các phân tích khoảng cách

  Có thể ứng dụng tìm đặt vị trí (allocation) như trạm xe buýt, trạm xăng, siêu thị hay trường học một cách hiệu quả nhất.

Các ứng dụng trên có thể coi là “cổ điển” và đã được áp dụng thành công. Ngày nay GIS đang phát triển mạnh theo hướng tổ hợp, phát triển GIS lớn (enterprise), liên kết mạng, ứng dụng thành quả của các ngành khoa học khác vào GIS, như ứng dụng trí tuệ nhân tạo, lý thuyết mờ vào trong việc xử lý dữ liệu GIS, tích hợp GIS với các thông tin chuyên đề để hình thành hệ thông tin giải quyết một vấn đề cụ thể cũng như trợ giúp quyết định, nhất là trong quản lý lãnh thổ…

CHƯƠNG II VIỄN THÁM VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG QUẢN

LÝ MÔI TRƯỜNG

I. Lịch sử phát triển của Khoa học viễn thám:.................................................42II. Tổng quan về viễn thám:..............................................................................43III. Một số khái niệm cơ bản:............................................................................47III.1/ Bức xạ sóng điện từ:................................................................................47III.2/ Các kiểu viễn thám liên quan đến vùng bước sóng:....................................49IV. Ảnh viễn thám:..........................................................................................50IV.1/ Viễn thám quang học...............................................................................51IV.2/ Viễn thám RADAR.................................................................................57IV.3/ Ảnh máy bay và chụp ảnh máy bay..........................................................59IV.4/ Các ảnh vệ tinh độ phân giải cao:.............................................................60V. Nguyên lý của Viễn thám (Principle of Remote Sensing)...............................61VI. Phương tiện ghi, lưu trữ và phân phối dữ liệu...............................................63VII. Đánh giá hệ thống thu thập dữ liệu viễn thám.............................................64VIII. Giải đoán ảnh trong viễn thám:.................................................................65VIII.1/ Quy trình giải đoán ảnh.........................................................................65VIII.2/ Các kỹ thuật hỗ trợ cho quá trình giải đoán.............................................66VIII.2.1/ Khoá giải đoán...................................................................................66VIII.2.2/ Kiểm tra thực địa...............................................................................66VIII.2.3/ Ứng dụng giải đoán ảnh trong lập bản đồ chuyên đề.............................67VIII.3/ Xử lý ảnh............................................................................................67IX. Sự tương thích giữa dữ liệu viễn thám và GIS..............................................70X. Các vấn đề trong việc sử dụng ảnh:..............................................................70XI. Ứng dụng của viễn thám.............................................................................71

I. Lịch sử phát triển của Khoa học viễn thám:

Viễn thám (Remote sensing)  được định nghĩa bằng nhiều từ ngữ khác nhau, nhưng nói chung đều thống nhất theo quan điểm chung là khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó.

Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng”. Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng.

Trong khoảng 3 thập kỷ gần đây khi công nghệ vũ trụ đã cho ra đời các ảnh số thu nhận từ các vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất viễn thám đã thực sự phát triển mạnh mẽ.  Nhưng thực ra viễn thám đã có lịch sử lâu đời. Ảnh chụp (film) được sử dụng cho nghiên cứu mặt đất đã xuất hiện từ thế kỷ 19. Năm 1839, Louis Daguere (1789-1881) đưa ra báo cáo về thí nghiệm hoá ảnh của mình khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Ảnh chụp về bề mặt trái đất từ khinh khí cầu bắt đầu sử dụng từ năm 1858. Bức ảnh chụp đầu tiên về Trái đất từ khinh khí cầu chụp vùng Bostom vào năm 1860 bởi James Wallace Black, 1860.

Giai đoạn phát triển ngành chụp ảnh photo từ xa được đánh dấu bằng sự ra đời của ngành hàng không. Chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho việc chồng phủ ảnh, chỉnh lý ảnh và chiết suất thông tin từ ảnh nổi. Ảnh chụp từ máy bay đầu tiên mà lịch sử ghi nhận được thực hiện vào năm 1910 bởi Wilbur Wright bằng việc chụp  ảnh di động trên vùng gần Centoceli tại Italia.

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914-1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu cho việc chụp ảnh từ máy bay phục vụ các mục đích quân sự. Những năm sau đó, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ. Đồng thời, kỹ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh cũng đã phát triển mạnh tạo nên sự hình thành một ngành khoa học mới tên là đo đạc ảnh.

Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1945) không ảnh đã được sử dụng chủ yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này ảnh RADAR đã được sử dụng đồng thời với việc phát hiện phổ hồng ngoại. Các ảnh chụp trên kênh phổ hồng ngoại cho phép chiết lọc thông tin được nhiều hơn. Ảnh màu chụp bằng máy ảnh đã được sử dụng trong thế chiến thứ hai.

Việc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằng viễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện đại. Các trung tâm nghiên cứu trái đất bằng công nghệ viễn thám đã ra đời, như cơ quan vũ trụ châu Âu ESA (European Space Agency), chương trình vũ trụ của Mỹ NASA (National Aeronautics and Space Administration). Ngoài ra có thể kể đến các chương trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc.

Bức ảnh đầu tiên từ vũ trụ chụp về trái đất được cung cấp bởi Explorer-6 vào năm 1959. Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960) cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo chất lượng cao, ảnh mầu kích thước 70mm từ một máy tự động. Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TIOS-1) được phóng lên quỹ đạo trái đất vào tháng tư năm 1960 mở đầu cho việc quan sát dự báo khí tượng trái đất. Ảnh chụp từ vệ tinh khí tượng NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) đã được sử dụng  từ sau năm 1972 đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật hàng ngày.

Sự phát triển của viễn thám đi liền với sự phát triển của công nghệ vũ trụ phục vụ cho việc nghiên cứu trái đất và vũ trụ. Các ảnh chụp nổi stereo theo phương đứng và xiên cung cấp bởi GEMINI (1965) đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu Trái đất bằng các bức ảnh của nó. Tiếp theo, tàu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ kích thước 70mm. Ngành hàng không vũ trụ của Liên Xô cũ và hiện nay là Nga góp phần tích cực vào việc nghiên cứu trái đất từ vũ trụ. Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các con tàu vũ trụ có người như Soynz, các tàu Meteor, Cosmos hoặc trên các trạm “Chào mừng” (Salyut). Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân dải cao như MSU_E. Ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos trên 5 kênh phổ khác nhau với kích thước ảnh 18*18cm. Ngoài ra các ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra sau kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89µm với độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20*20m .

Tiếp theo với vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS-1 (Earth Reosourcer Technology Satellite) được phóng lên quỹ đạo trái đất vào năm 1972. Sau vệ tinh này đổi tên là Landsat 1, rồi các vệ tinh thế hệ mới hơn là  Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4 và Landsat 5. Ngay từ đầu ERTS-1 mang theo bộ cảm MSS (máy quét đa phổ) với bốn kênh phổ khác nhau và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau. Ngoài Landsat 2, Landsat3 còn có các vệ tinh khác như SKYLAB (1973) và HCMM (1978). Từ 1982 là các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các các vệ tinh Landsat TM 4 và Landsat TM 5 với 7 kênh phổ khác nhau từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này cho phép nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Đồng thời với việc phát triển của các ảnh vệ tinh Landsat, các ảnh vệ tinh của Pháp là vệ tinh SPOT (1986) đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu ảnh đơn kênh với độ phân giải không gian 10*10m và ảnh đa kênh SPOT-XS với ba kênh (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20*20m. Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh nổi Stereo cung cấp một khả năng tạo ảnh nổi ba chiều. Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là việc nghiên cứu bề mặt địa hình.

Các ảnh vệ tinh của Nhật như MOS-1 phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite) và các ảnh chụp từ các vệ tinh của Ấn Độ I-1A tạo ra các ảnh vệ tinh như LISS thuộc nhiều hệ khác nhau.

Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám được đẩy mạnh do áp dụng kỹ nghệ mới với việc sử dụng các ảnh RADAR. Viễn thám RAĐAR tích cực thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập không phụ thuộc vào mây. Sóng RADAR có khả năng xuyên qua mây, lớp đất mỏng và là nguồn sóng nhân tạo nên có thể hoạt động cả ngày và đêm, không chịu ảnh hưởng của năng lượng mặt trời.

Gần đây nhất là sự ra đời của ảnh vệ tinh IKONOS của Mỹ. Các ảnh IKONOS có độ phân giải đặc biệt cao so với các loại ảnh trước đây. Hiện tại các ảnh IKONOS đã đạt tới độ phân giải 1m, trong thời gian sắp tới sẽ có các ảnh IKONOS độ phân giải 0,5m. Ảnh IKONOS có thể được sử dụng để cập nhật và hiệu chỉnh các bản đồ tỷ lệ trung bình hay làm bản đồ ảnh về hiện trạng sử dụng đất rất tốt.

II. Tổng quan về viễn thám:

Do các tính chất của vật thể (nhà, đất, cây, nước...) 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 phát xạ và bức xạ.

Sóng điện từ được phản xạ hay bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng cần phải đo lường và phân tích trong viễn thám.

Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay phát xạ từ vật thể được gọi là bộ viễn cảm (Remote sensor) thường được gọi tắt là bộ cảm biến (sensor). Các máy quay phim (camera) hoặc máy quét (scanner) là những ví dụ về bộ cảm.

Phương tiện được sử dụng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang (platform). Các vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sử dụng trong viễn thám. Ngoài ra có thể xét đến tàu vũ trụ con thoi, các trạm nghiên cứu vũ trụ như trạm Hòa Bình của Nga cũng là các vật mang lý tưởng cho các bộ cảm viễn thám. Tuy vậy còn có nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở lên.

Bảng 2.1 Hệ thống phân loại vật mang theo độ cao

Vật mang Độ cao Hình thức quan sát Ghi chú

Vệ tinh địa tĩnh 36.000km Quan sát từ một điểm cố định GMS

Vệ tinh qũy đạo tròn

500 – 1000km

Quan sát theo chu kỳ đều đặn LANDSAT, SPOT, MOS-1

Tàu vũ trụ con thoi

240 – 350km Quan sát theo từng cuộc thí nghiệm

Kinh khí cầu 100m – 100km

Nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau

Phản lực tầng cao 10 – 12km “

Máy bay tầng thấp và trung bình

500 – 800m “

Máy bay lên thẳng

100 – 2000m “

Máy bay không người lái

Dưới 500m “

Đo đạc mặt đất 0 – 30m Thu thập số liệu thực địa

Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi sensor đặt trên vật mang. Thông tin về đối tượng có thể nhận biết được thông qua xử lý tự động trên máy tính hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh của đối tượng dựa trên kinh nghiệm của chuyên

gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin dưới dạng ảnh số sẽ được áp dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường…

Vệ tinh Landsat Vệ tinh RadarsatVệ tinh SPOT

Vệ tinh QUICKBIRD Vệ tinh khí tượng NOAA Vệ tinh IKONOS

Hình II.1: Một số vệ tinh viễn thám

Ảnh viễn thám được chia thành nhiều phần tử nhỏ thường được gọi là pixel (phần tử ảnh). Mỗi pixel tương ứng với từng cấp độ xám.

Hình II.2 : Minh họa giá trị cấp độ xám của các pixel trên một diện tích ảnh

Các pixel thường có hình dạng vuông và được xác định bằng tọa độ là chỉ số hàng (tăng dần từ trên xuống) và chỉ số cột (từ trái sang phải). Nếu kích thước pixel quá lớn thì chất lượng ảnh sẽ kém, còn trong trường hợp ngược lại thì dung lượng thông tin cần lưu trữ lại quá lớn. Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất được ghi nhận tương ứng với một pixel

được gọi là độ phân giải của ảnh. Tùy theo loại vệ tinh và lĩnh vực ứng dụng, ảnh viễn thám được cung cấp sẽ có độ phân giải khác nhau.

Quá trình tách thông tin từ ảnh có thể được thực hiện bằng máy tính hay giải đoán bằng mắt. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm của nó, việc xử lý dựa trên cả người và máy được thực hiện thông qua những hệ thống xử lý tương tác người – máy.

Tách thông tin trong viễn thám có thể phân thành 5 loại:

Phân loại: là quá trình tách, gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian cho bởi ảnh của đối tượng cần nghiên cứu.

Phát hiện biến động: là sự phát hiện và tách các sự biến động (thay đổi) dựa trên dữ liệu ảnh đa thời gian.

Tách các đại lượng vật lý: chiết tách các thông tin tự nhiên như đo nhiệt độ, trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ hoặc thị sai của ảnh lập thể.

Tách các chỉ số: tính toán xác định các chỉ số mới (chỉ số thực vật NDVI…)

Xác định các đặc điểm: xác định thiên tai, các dấu hiệu phục vụ tìm kiếm khảo cổ…

Sau khi hoàn tất các khâu xử lý, kết quả nhận được có thể xuất dưới dạng phim ảnh, copy màu (tương tự)…Các kết quả xuất dạng số ngày càng được khai thác sử dụng nhiều vì nó cho phép tích hợp với GIS. Dữ liệu viễn thám là nguồn cung cấp cơ sở dữ liệu cho GIS trên cơ sở các lớp thông tin chuyên đề khác nhau; sử dụng chức năng chồng lớp hay phân tích của GIS để tạo ra một kết quả phong phú hơn. Do đó, việc phối hợp viễn thám và GIS sẽ trở thành công nghệ tích hợp rất hiệu quả để xây dựng và cập nhật dữ liệu không gian phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hình II.3 Các công nghệ chính dùng trong viễn thám

Ưu điểm chủ yếu của công nghệ viễn thám trong nghiên cứu mặt đất bao gồm:

- Viễn thám cho phép nghiên cứu tổng quan mối quan hệ không gian giữa các đối tượng và phác thảo các đặc điểm/ khuynh hướng/ các hiện tượng về khu vực

- Khi các khu vực không thể đến khảo sát, cách tiếp cận duy nhất để có thông tin về các khu vực này là sử dụng các vật mang viễn thám

- Kỹ thuật viễn thám cho phép tiết kiệm thời gian và nhân lực, thông tin về một khu vực lớn được thu thập nhanh

- Ứng dụng đa ngành: cùng một dữ liệu viễn thám có thể được các nhà nghiên cứu sử dụng trong các ngành khác nhau như địa chất, rừng, sử dụng đất, nông nghiệp, thủy văn, môi trường…

III.Một số khái niệm cơ bản:

III.1/ Bức xạ sóng điện từ:

Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trường và từ trường trong không gian.

Hình II.4: Bức xạ sóng điện từ Hình II.5 Khả năng khai thác thông tin từ bức xạ điện từ

Trên hình II.4 trình bày một số khái niệm cơ bản về bức xạ điện từ và hình II.5 các thông tin có thể nhận biết được thông qua những tính chất của nó. Bốn thuộc tính cơ bản của bức xạ điện từ liên quan tới các nội dung thông tin khác nhau. Ví dụ tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc. Sự phân cực liên quan đến hình dạng bên ngoài của vật thể. Hướng lan truyền được sử dụng để phát hiện cấu trúc vật thể.

Quá trình lan truyền của sóng điện từ qua môi trường vật chất sẽ tạo ra phản xạ, hấp thụ, tán xạ và bức xạ sóng điện từ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc vào bước sóng.

Phổ trong toàn bộ giải sóng điện từ được mang tên khác nhau bắt đầu từ tia gamma, tia x, tia cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến.

Nhìn chung, giải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3 ÷ 0,4 µm), sóng ánh sáng (0,4 ÷ 0,7 µm), hồng ngoại gần, hồng ngoại sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt (8,0 ÷ 100 µm). Các sóng hồng ngoại ngắn mới đây được sử dụng rộng rãi trong

phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt được sử dụng trong đo nhiệt, sóng microwave được sử dụng trong kỹ thuật rada.

Hình II.6: Các dải sóng điện từ

Hình II.7 Các kênh sử dụng trong viễn thám

Khí quyển của trái đất hấp thụ năng lượng ở các vùng tia gamma, tia X và phần lớn ở tia cực tím (UV), do đó những sóng điện từ vùng này không được sử dụng trong viễn

thám. Viễn thám ghi lại năng lượng ở vùng sóng cực ngắn, hồng ngoại nhìn thấy và cả phần bước sóng dài ở vùng cực tím -  sóng điện từ mang thông tin.

Trong vùng hồng ngoại (infrared - IR) có bước sóng từ (0,7 ÷ 100 µm), kỹ thuật viễn thám thường sử dụng sóng hồng ngoại phản xạ (0,7 ÷ 3,0 µm)

Tùy thuộc vào bước sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ các vật thể được thu nhận bởi bộ cảm biến sẽ tạo ra các ảnh viễn thám có màu sắc khác nhau. Màu của dữ liệu ảnh vệ tinh giữ vai trò rất quan trọng trong việc giải đoán ảnh bằng mắt, nếu ảnh đa phổ gồm 3 kênh được ghi nhận tương ứng cùng vùng phổ của đỏ, lục và xanh lơ sẽ cho phép tái tạo màu tự nhiên trên màn hình hiển thị ảnh. Ngược lại, nếu thông tin ghi nhận trên vùng phổ không nhìn thấy (sóng hồng ngoại) sự tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại sẽ không cho màu tự nhiên, trường hợp này được gọi là tổ hợp màu hồng ngoại. Trên tổ hợp màu này, các đối tượng được thể hiện giống như thể hiện trên film hồng ngoại.

Hình II.8: Minh họa tổ hợp màu của các kênh ảnh

Hình II.9 : Vùng ánh sáng khả kiến minh họa theo màu sắc

Bảng 2.2. Các dải phổ của sóng điện từDải phổ Bước sóng Ðặc điểm

Tia gamma <0,03nm Bức xạ tới thường hấp thụ toàn bộ bởi tầng khí quyển phía trên và không có khả năng dùng trong viễn thám.

Vùng tia X 0,03÷30nm Hoàn toàn bị hấp thụ bởi khí quyển phía trên và

Dải phổ Bước sóng Ðặc điểmkhông được sử dụng trong viễn thám.

Vùng tia cực tím 0,03÷0,4µmCác bước sóng tới nhỏ hơn 0,3µm thì hoàn toàn bị hấp thụ bởi tầng ôzôn trong tầng khí quyển bên trên.

Vùng tia cực tím chụp ảnh 0,3÷0,4µm

Truyền qua khí quyển, ghi nhận được vào phim và các photodetector (con mắt điện tử), nhưng bị tán xạ mạnh trong khí quyển.

Vùng nhìn thấy 0,4÷0,7µm Tạo ảnh với phim và photodetector, có cực đại của năng lượng phản xạ ở 0,5µm.

Vùng hồng ngoại 0,7÷3µm

Phản xạ lại bức xạ mặt trời, không có thông tin về tính chất của đối tượng. Band từ 0,7-0,9µm, được nghiên cứu với phim và được gọi là band ảnh hồng ngoại.

Vùng hồng Ngoại  nhiệt

3÷5µm8÷14µm

Các cửa sổ chính ở vùng nhiệt ghi thành ảnh ở các bước sóng này yêu cầu phải có máy quét cơ quang học và hệ thống máy thu đặc biệt, gọi là hệ Vidicon, không phải là bằng phim. 

Vùng cực ngắn 0,1÷30 cmCác bước sóng dài hơn có thể xuyên qua mây, sương mù và mưa. Các hình ảnh có thể ghi lại trong dạng chủ động hay thụ động.

Vùng Radar 0,1÷30 cmDạng chủ động của viễn thám sóng cực ngắn. Hình ảnh radar được ghi lại ở các band sóng khác nhau.

Vùng radio >30 cmÐạt bước sóng dài nhất của quang phổ điện từ. Một vài sóng radar được phân ra với bước sóng rất dài được sử dụng trong vùng sóng này.

III.2/ Các kiểu viễn thám liên quan đến vùng bước sóng:

Viễn thám được phân thành ba loại cơ bản theo bước sóng sử dụng:

1) Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và phản xạ

2) Viễn thám hồng ngoại nhiệt

3) Viễn thám siêu cao tần

Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm 1 là bức xạ mặt trời. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế ở 0.5 µm. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Vì vậy các thông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ. Đây là nhóm kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất. Nó cho hình ảnh chất lượng rất cao và hợp với tư duy giải đoán của con người. Yếu điểm của nó là rất phụ thuộc vào thời tiết. Chỉ những khi trời trong, không mây, mưa thì tư liệu thu được mới có thể sử dụng được.

Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm 2 là bức xạ nhiệt do chính vật thể sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10 µm. Các bộ cảm dựa theo nguyên lý này thường thu nhận thông tin về đêm. Tư liệu thu được cho phép xác định các nguồn nhiệt trên bề mặt trái đất.

Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được áp dụng. Trong viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát ra được ghi lại, trong khi viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể sau khi được phát ra từ các máy phát đặt trên vật mang.

Nhìn chung thì kỹ thuật chủ động được ứng dụng nhiều và cho hiệu quả cao do việc quan trắc không bị giới hạn bởi điều kiện không mây của khí quyển. Tuy nhiên việc giải đoán vẫn còn nhiều khó khăn bởi lẽ những thông tin thu được phản ảnh chủ yếu trạng thái cấu trúc vật lý bề mặt của đối tượng chứ không liên quan nhiều tới thành phần vật chất của đối tượng. Nhóm kỹ thuật này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển và hứa hẹn một tương lai ứng dụng đặc biệt cho các vùng nhiệt đới ẩm có mưa và mây hầu như quanh năm.