Chơng 5
viễn thám hồng ngoại nhiệt

Phơng pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt là phơng pháp ghi nhận các bức xạ
nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt ( từ 3 đến 14 m). Vì bức xạ nhiệt có cờng độ
yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, nên để thu các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị
quét nhiệt với độ nhạy cao. Dới đây là một số cơ sở vật lý và các nguyên tắc tạo
ảnh hồng ngoại.
5.1. Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất
Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tọng tự nhiên dựa vào nguyên tắc bức xạ
của vật đen tuyệt đối.
5.1.1. Nhiệt độ Kinetic v sự bức xạ
Nhiệt độ của vật chất đo đợc khi tiếp xúc hoặc đặt chìm vào bên trong vật
chất đợc quan niệm là nhiệt độ bên trong của vật chất gọi là nhiệt độ Kinetic. Nhiệt
độ Kinetic là nhiệt độ bên trong của vật chất, thể hiện sự trao đổi năng lợng của các
phân tử cấu tạo nên vật chất. Sự bức xạ năng lợng của vật chất là một hàm số của
nhiệt độ Kinetic của chúng. Khi bức xạ, vật chất có một nhiệt độ khác gọi là nhiệt
độ bên ngoài của vật chất. Viễn thám ghi nhận thông tin về nhiệt độ bên ngoài của
vật chất, cũng có nghĩa là ghi nhận thông tin về sự bức xạ của vật chất.
5.1.2. Sự bức xạ của vật đen tuyệt đối
Nh phần đầu đã mô tả, khi nhiệt độ của một vật lớn hơn nhiệt độ 0
o
K
(-273
0
C) thì nó sẽ phát ra một bức xạ nhiệt. Cờng độ bức xạ và tính chất phổ của
bức xạ là một hàm của thành phần vật chất tại thời điểm đó. Hình 5.1 minh hoạ cho
sự phân bố phổ của năng lợng bức xạ từ bề mặt của vật đen tuyệt đối tại các nhiệt
độ khác nhau. Các đờng cong phân bố năng lợng có hình dạng giống nhau nhng
các tia của chúng có xu hớng chuyển dịch về phía có bớc sóng ngắn hơn khi nhiệt
độ tăng cao (quy luật chuyển dịch cực trị năng lợng bức xạ của Wiens).


lợng phổ phát xạ tại bớc sóng

,
;
- hằng số stefan bolzmal = 5,6697X 10
-8
W/Cm2/K
-4
;

T - nhiệt độ của vật đen ( độ K )
d - diện tích phát xạ của vật đen
Hình 5.1: Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất
Theo phơng trình, tổng lợng nhiệt phát ra từ bề mặt vật đen thì khác nhau
theo tỷ lệ với lũy thừa 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Viễn thám đo đợc năng lợng phát
ra của vật, do đó đo đợc nhiệt độ của vật. Viễn thám đo các bức xạ M theo các dải
bớc sóng khác nhau, tuy nhiên sự bức xạ nhiệt chỉ bắt đầu từ dải hồng ngoại nhiệt.

Tuyết sơng
Da ngời
Băng khô
Thực vật khỏe
Đất ớt
Bê tông nhựa
Cây gỗ
Đá bazal
Đất khô
Tuyết khô
Cỏ
Thép tấm
Thép bóng
0,89 - 0,99
0,98 - 0,99
0,97 - 0,99
0,97 - 0,98
0,96 - 0,99
0,95 - 0,98
0,94 - 0,97
0,93 - 0,94
0,92 - 0,96
0,92 - 0,94
0,85 - 0,90
0,77 - 0,81
0,63 - 0,70
0,16 - 0,21
Các thông số về tính chất nhiệt của đối tợng: bao gồm: tính dẫn nhiệt
(conductivity), nhiệt dung (capacity) và quán tính nhiệt (inertia).


-4
)
- Vào ban ngày ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp làm nóng các đối tợng trên
nguyên tắc hấp thụ nhiệt ở cả dải hồng ngoại, vùng nhìn thấp và hồng ngoại phản
xạ, gần hồng ngoại. Sự phản xạ lại ánh sáng mặt trời thờng ở dải sóng 3 - 5Mm.
nếu dùng phim hồng ngoại ở dải sóng 8 - 14m, vào ban ngày sẽ xuất hiện các
"bóng". ở vùng lạnh do bị khuất bóng mặt trời, ví dụ: bóng cây, bóng nhà, bóng núi.
Thông thờng, vào ban ngày, vùng bị chiếu ánh nắng mặt trời sẽ nóng hơn. Đối với
các vật thể phát nhiệt thì tín hiệu nhiệt cao thấp phụ thuộc vào nhiệt độ thực của
chúng, ví dụ: nhà máy, núi lửa, đám cháy rừng Trên ảnh hồng ngoại, độ sáng của
ảnh (Brightness) sẽ thể hiện nhiệt độ của đối tợng. Vùng nóng nhiệt độ sẽ cao, sẽ
- Vào ban ngày ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp làm nóng các đối tợng trên
nguyên tắc hấp thụ nhiệt ở cả dải hồng ngoại, vùng nhìn thấp và hồng ngoại phản
xạ, gần hồng ngoại. Sự phản xạ lại ánh sáng mặt trời thờng ở dải sóng 3 - 5Mm.
nếu dùng phim hồng ngoại ở dải sóng 8 - 14m, vào ban ngày sẽ xuất hiện các
"bóng". ở vùng lạnh do bị khuất bóng mặt trời, ví dụ: bóng cây, bóng nhà, bóng núi.
Thông thờng, vào ban ngày, vùng bị chiếu ánh nắng mặt trời sẽ nóng hơn. Đối với
các vật thể phát nhiệt thì tín hiệu nhiệt cao thấp phụ thuộc vào nhiệt độ thực của
chúng, ví dụ: nhà máy, núi lửa, đám cháy rừng Trên ảnh hồng ngoại, độ sáng của
ảnh (Brightness) sẽ thể hiện nhiệt độ của đối tợng. Vùng nóng nhiệt độ sẽ cao, sẽ
Thé
p
Giờ trong
ngày
Thực vật
Nhiệt
độ
bức
xạ
Nớc lặn

trong một ngày đêm hơn so với các vật chất có quán tính nhiệt nhỏ.
Trên ảnh hồng ngoại nhiệt ban ngày và ban đêm, có thể tính đợc quán tính
nhiệt T - Sự chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của vật xuất hiện trong
một chu kỳ của mặt trời trong một ngày (giữa tra và nửa đêm)
ảnh chụp ban ngày:
- Các đối tợng có nhiệt độ cao: nhà ở, đờng trải nhựa, bê tông, bãi cỏ, sân xi
măng
- Các đối tợng có nhiệt độ thấp: bóng cây, mặt nớc.
ảnh chụp ban đêm:
- Các đối tợng có nhiệt độ cao: mặt nớc, đờng trải bê tông nhựa, nhà ở,
khu vức nớc thải
- Các đối tợng có nhiệt độ thấp: bóng cây, bãi cỏ, sân xi măng, băng, tuyết
Trong nghiên cứu địa chất, nhiều loại đá có đặc điểm giống nhau trên ảnh ở
vùng nhìn thấy song lại có đặc điểm về nhiệt khác nhau, ví dụ: đá vôi và manhefit,
các nguồn nớc nóng nằm ở nông, các hệ thống đứt gãy có thể đợc phát hiện rất rõ
trên ảnh quét nhiệt.
5.2. Các ảnh hởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại
Khí quyển có ảnh hởng nhiều đến quá trình thu nhận tín hiệu bức xạ nhiệt.
Trong việc chế tạo thiết bị thu, các cửa sổ khí quyển đợc lựa chọn để những ảnh
hởng của khí quyển là thấp nhất. Mặt khác đối với mỗi cửa sổ đợc lựa chọn thì
ảnh hởng của khí quyển cũng đợc tăng lên hay giảm xuống tùy theo mức độ phát
xạ của các đối tợng trên bề mặt. Nh vậy, các tín hiệu nhiệt thu đợc phụ thuộc vào
ảnh hởng mạnh hay yếu của khí quyển, cụ thể là tỷ lệ giữa các thành phần: hấp thụ
và truyền qua. 75
Do ảnh hởng của các thành phần nhỏ bé trong khí quyển mà nó có thể hấp thụ
bớt một phần tín hiệu truyền từ đối tợng trên mặt đất, trớc khi các tín hiệu đó tới
đợc thiết bị thu. Ngợc lại, chúng cũng có thể phát ra tín hiệu bức xạ về nhiệt của

I
ET
E
I
ER
E
I
EA
EI ++=

nếu gọi: () =
E
I
EA
là hệ số hấp thụ nhiệt tại bớc sóng
()=
E
I
ER
là hệ số phản xạ nhiệt tại bớc sóng 76
()=
E
I
ET
là hệ số truyền nhiệt tại bớc sóng
ta có: 1 = () + () + ()
Một thành phần khác đợc xem xét đến là theo định luật phát xạ Kirch Hoff

0
K) song sự phát xạ nhiệt lại rất khác nhau do các vật chất có hệ số phát xạ nhiệt
khác nhau.
Có thể biến đổi công thức thành:
T
ad
=
ẳ
T
kin
trong đó : T
Rad
- nhiệt độ phát xạ của vật chất;
T- nhiệt độ Kinetic (nhiệt độ bên trong);
- hệ số phát xạ nhiệt của vật chất. 77
Vì T
Rad
tỉ lệ với căn bậc 4 của T
Kin
nên nhiệt độ phát xạ của vật chất luôn nhỏ
hơn nhiệt độ bên trong của vật chất (nhiệt độ Kinetic) xem bảng 5 2.
Bảng 5.2: Các thông số về hệ số nhiệt của một số vật chất
Nhiệt độ Kinetic
(T
Kin
)
Nhiệt độ phát xạ

Khuyếch đại
Ghi băng
Ghi
phim
Hớng
bay
Gơng hội tụ
Bộ điều chỉnh
nguồn tia
Hình 5.3: Cơ chế thu ảnh nhiệt theo phơng pháp quét 78
Do các tín hiệu là thấp và chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố môi trờng nên
phơng pháp thu ảnh nhiệt đợc áp dụng là phơng pháp quét với các sensor nhiệt,
có trờng nhìn tức thời( IFOV) lớn.
Cấu tạo của hệ thống tạo ảnh hồng ngoại nhiệt bao gồm (hình 5.3):
- Sensor nhiệt: hệ thống này có trờng nhìn tức thời rộng.Các tín hiệu do thiết
bị thu thờng phải đợc khuyếch đại lên nhiều lần trớc khi ghi lại thành hình ảnh.
- Hệ thống quét cơ quang học hoạt động theo nguyên tắc quét ngang theo đờng
vuông góc với đờng bay.
- Hệ thống tạo ảnh: tín hiệu do sensor thu, sau khi đợc khuyếch đại sẽ đợc
ghi lại thành dạng hình ảnh theo cơ chế 8 bit.
Trên hình 5.3 minh họa qui trình ghi phổ của máy quét đa phổ ngang mô
phỏng cả quá trình thu năng lợng phổ từ đất đến giai đoạn ghi lại tín hiệu điện từ
trong tape. Khi năng lợng phản xạ, phát xạ từ mặt đất tới gơng quay sẽ đi qua một
thấu kính và bộ tách phổ lỡng sắc chia phổ ra làm hai phần chính: 1- các dải phổ từ
cực tím (UV), nhìn thấy, và hồng ngoại gần sẽ đợc dẫn qua một lăng kính và tại đó
sẽ có các đầu ghi phổ theo các kênh phổ nhỏ hẹp ghi nhận chúng; 2- phần phổ nhiệt
(Thermal) sau khi đi qua bộ cách lỡng sóng sẽ tiếp tục đợc các bộ cảm nhiệt ghi

bay
a - Đờng quét tạo ra khi bay
Hình 5.4. Nguyên tắc vận hành một hệ quét đa phổ ngang:
a- sơ đồ thu và ghi tín hiệu. b- đờng quét tạo ra khi bay
(Theo Thomas) M. lillesand và Ralph W. Kiefer, 1999)
Bảng 3.2: Đặc tính của máy đo phổ Photons thờng dùng
Kiểu Tên
Khoảng phổ hữu ích
( m)
Thủy ngân - Germani Ge:Hg 3-14
Indi-antimon InSb 3-5
Thủy ngân-Carmi-Telluarit
HbCdTe (MTT)
hay ba kim loại
8-14
Trong bộ ghi phổ kênh nhiệt quét ngang, năng lợng từ mặt đất đợc gơng
quét chiếu sang thấu kính quét. Tại đây, năng lợng đợc đầu ghi phổ nhiệt của các
kênh có các bớc sóng khác nhau ghi nhận và chuyển từ tín hiệu nhiệt sang tín hiệu
điện. Tín hiệu điện truyền qua máy khuyếch đại và đợc ghi trong băng từ sau khi
đã chuyển đổi từ dạng tơng tự sang dạng số.
5.3.2.Đặc điểm của ảnh hồng ngoại nhiệt
-Phân giải không gian và diện phủ mặt đất
Thông thờng, ảnh quét đa phổ ngang đợc ghi nhận trên cao độ từ 300-12000
mét. Bảng 3.2. liệt kê độ phân giải không gian và diện phủ trên các độ cao khác 80
nhau khi sử dụng hệ quét có các giá trị trờng nhìn 90
o
và góc IFOV là 2,5 mili

Ghi vo
Motor
quay
Hình 5.5. Sơ đồ bộ ghi phổ kênh nhiệt theo nguyên tắc quét ngang

Bảng 3.3: Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) và độ rộng của đờng quét cho các cao độ
khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90
o
và trờng nhìn tổng là 2,5 mili radian IFOV.
Độ cao Cao độ bay (m) Độ phân giải tại
Nadir (m)
Độ rộng đờng quét (m)
Thấp 300 0.75 600
Trung bình 6000 15 12000
Cao 12000 30 24 000 81
- Biến dạng tiếp tuyến - tỷ lệ
V
ận tốc góc không đổi
Hình 5.6. Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng
ảnh ghi nhận bởi hệ quét đa phổ ngang cha đợc nắn sẽ bị biến dạng hình
học, đặc biệt trên đờng vuông góc với hớng bay.
Trên hình 3.23 ta thấy rõ rằng cứ sau một khoảng tăng thời gian, gơng quay
sẽ quét đi một góc không đổi vì vận tốc góc của gơng quay là không đổi. Hiện
tợng này gọi là biến đổi hình học ảnh kiểu tỷ lệ tiếp tuyến. Tỷ lệ ảnh sẽ thay đổi
chỉ theo phơng vuông góc với hớng bay và không thay đổi theo hớng bay.

Hớng bay

an
g
,
các đối tợng không gian biến dạng theo một góc vuông góc với đờng tâm.
Biến dạng địa hình theo một chiều
Hình 5.9 minh họa biến dạng địa hình do quét phổ ngang gây ra. Biến dạng địa
hình chỉ ra theo một hớng. Biến dạng này là do khi đo phổ từ máy bay và có tính
chất đều theo một hớng nghiêng.
-Biến dạng thông số bay
Hớn
g
ba
y
Hình 5.9. Biến dạng của một ảnh quét gây ra bới các yếu tố khác nhau. a-cảnh trên mặt
đất, b- ảnh quét, c- biến dạng do quay, d- biến dạng do đẩy, e- biến dạng do chao
Hớng
bay 83
Trên thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hởng đến sự biến dạng các thông số bay,
kết quả là hình ảnh bị méo và lệch theo nhiều hình thức khác nhau.
Tóm lại, ảnh nhiệt có các đặc điểm chính nh sau :
Rất hay bị méo do ảnh hởng của các yếu tố môi trờng nh : gió. ma,
mây, thực vật (hình 5.4).

Hình 5.10: ảnh nhiệt và hiện tợng méo hình học
Rất khác nhau giữa ảnh ban ngày và ban đêm phụ thuộc vào mô hình nhiệt
của các vật chất khác nhau.
Nhiệt độ cực đại, tốc độ nóng lên hoặc lạnh đi của một đối tợng phụ thuộc

nhiệt độ mặt nớc biển (SST-Sea Surface Temperature), nhiệt độ của các đám mây
ể85
Một trong những yêu cầu của nghiên cứu ảnh nhiệt là cần phải có ảnh chụp trong
nhiều thời gian, cả ngày lẫn đêm, đặc biệt là cần có ảnh vào thời điểm mà nêu đợc tối
đa đặc điểm nhiệt của đối tợng, tốt nhất là có ảnh trong suốt 24 giờ của 1 ngày.
Đặc điểm phát nhiệt của một số vật chất qua một ngày đêm nh sau: khi mặt
trời lặn, nhiệt độ của vật chất đều giảm đi đến cực tiểu. Sau khi mặt trời mọc, nhiệt
độ lại tăng lên đến cực trị vào khoảng từ 12 đến 16 giờ. Cực tiểu nhiệt độ xuất hiện
trong khoảng từ 3 - 5 giờ sáng.
ảnh chụp
lúc 14 h 30
( chiều )
a
b
ảnh chụp lúc
21 h30 (tối )
Hình 5.13: ảnh nhiệt của một khu vực ghi nhận vào các thời gian khác nhau Hình 5.14. ảnh nhiệt của một núi lửa đang hoạt động ( ảnh
trên ) và ảnh chụp một biệt thự vào ban đêm ( ảnh dới ) 86
5.4.2. Xác định nhiệt độ thực của vật chất dựa theo ảnh viễn thám:
Thông qua t liệu viễn thám, có thể xác định nhiệt độ thực ở bên ngoài của vật chất
dựa theo công thức sau :

- Có thể tạo ảnh màu giả cho ảnh hồng ngoại. Các vùng có nhiệt độ cao
thờng đợc gắn màu nóng là màu đỏ và các vùng có nhiệt độ thấp đợc gắn màu
lạnh là màu xanh.
- Để phân tích ảnh nhiệt độ một cách chính xác cần có ảnh thu đợc trong cả
ngày và đêm cho một vùng.
- Nhiệt độ phân tích đợc là nhiệt độ bên ngoài bề mặt đối tợng chứ không
phải nhiệt độ bên trong của vật hoặc đối tợng.
- ảnh nhiệt thờng bị nhiễu do ảnh hởng của khí quyển. Ngoài ra độ méo
hình học của ảnh quét nhiệt là khá lớn, do đó việc hiệu chỉnh hình học là rất cần
thiết trong xử lý ảnh nhiệt. 87
- Trong nghiên cứu, ảnh nhiệt cung cấp những thông tin về tính chất nhiệt
một cách tơng đối và là nhiệt độ chói. Muốn xác định chính xác nhiệt độ của các
đối tợng phải có những quan trắc chi tiết và so sánh với tài liệu đo đạc thực tế.
ảnh nhiệt còn ít đợc sử dụng ở Việt Nam do sự hạn chế về t liệu, hoặc cha
đợc phổ biến rộng rãi. Hiện nay một nguồn t liệu ảnh nhiệt rất phong phú có thể
khai thác dợc là t liệu ảnh NOAA - AVHRR, MODIS, FY tại một số trạm thu đã
có tại Việt Nam.

Hình 5.10: Đám cháy ở Kiên Giang ngày 19/11/2002 và kết quả phân
tích phát hiện các điểm cháy rừng từ ảnh MODIS. 88