bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học mỏ địa chất
Bài giảng
ứng dụng kỹ thuật viễn thám trong nghiên cứu địa chất
Tác giả: Pts. Nguyễn Đình Dơng
Hà Nội 1994
Lời nói đầu.
Bài giảng ứng dụng phơng pháp viễn thám trong nghiên cứu địa chất
đợc biên soạn để giảng dạy trong 30 tiết. Trong khuôn khổ thời gian eo
hẹp nh vậy khó có thể trình bày hết đợc những điểm cơ bản của công
nghệ viễn thám, một công nghệ phát triển mạnh mẽ đa dạng về nội dung
kỹ thuật cũng nh các lĩnh vực ứng dụng. Ngời viết tuy đã cố gắng đa vào
những gì đợc coi là trọng tâm nhất nhng chắc hẳn không tránh khỏi
những thiếu sót nhất định. Phần lớn những từ vựng chuyên môn của viễn
thám đợc sử dụng theo anh ngữ ( đã đợc quốc tế hoá ) và ở nớc ta do việc
xây dựng hệ thống từ vựng chuyên môn cho bộ môn viễn thám cha đợc
thực hiện vì thế việc chuyển dịch các từ chuyên môn tiếng anh sang tiếng
việt chắc rằng có nhiều sơ xuất, tác giả rất mong sự thông cảm của các
bạn đồng nghiệp và mong nhận đợc những góp ý chân thành nhằm hoàn
thiện bài giảng này tốt hơn. Tác giả xin cám ơn Trờng đại học Mỏ-Địa
chất đã tạo điều kiện cho tác giả đợc tham gia giảng dạy môn học này tại
trờng.
2
mục lục
1. tổng quan về kỹ thuật viễn thám
2. Cơ sở của viễn thám
2.1 Một số khái niệm cơ bản
2.2 Bức xạ điện từ
2.3 Phân loại viễn thám theo bớc sóng 10
3. bộ cảm 10
3.1 Phân loại bộ cảm 10
8.4 Số liệu mặt đỗt 28
8.5 Số liệu định vị mặt đỗt 29
8.6 Bản đồ và số liệu địa hình 29
8.7 Truyền và thu số liệu vệ tinh 31
3
9. giải đoán ảnh 31
9.1 Tách thông tin trong viễn thám 31
9.2 Giải đoán ảnh 33
9.3 Lập thể học 33
9.4 Các yếu tố giải đoán ảnh và khoá giải đoán 34
9.5 Thành lập bản đồ chuyên đề 38
10. các hệ xử lý ảnh 39
10.1 Vấn đề xử lý ảnh trong viễn thám 39
10.2 Các hệ nhập ảnh 41
10.3 Các hệ hiện ảnh 42
10.4 Các hệ sao chép cứng 43
10.5 Lu trữ t liệu ảnh 44
11. hiệu chỉnh ảnh 46
11.1 Hiệu chỉnh bức xạ 46
11.2 Hiệu chỉnh khí quyển 47
11.3 Hiệu chỉnh hình học 48
11.4 Phép chiếu bản đồ 50
12. chuyển đổi ảnh 50
12.1 Tăng cờng chất lợng và chiết tách đặc tính 50
12.2 Biến đổi cấp độ xám 51
12.3 Thể hiện màu t liệu ảnh 51
12.4 Các phép biến đổi giữa các ảnh 52
12.5 Phân tích thành phần chính 53
12.6 Lọc không gian 54
12.7 Phân tích cấu trúc 55
Bức ảnh đầu tiên đợc chụp vào năm 1839, năm 1849 Aime Laussedat đã
khởi đầu một chơng trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa
hình. Năm 1858 ngời ta đã bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh từ
trên không. Sự phát triển của ngành hàng không đã cung cấp cho việc
chụp ảnh từ trên không những công cụ tuyệt vời trong việc chụp ảnh
những vùng chọn lựa và có điều khiển. Những bức ảnh đầu tiên chụp từ
máy bay đã đợc Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli,
Italia.
Vào giữa những năm 1930 ngời ta đã có thể chụp ảnh màu và đồng
thời bắt đầu thực hiện nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảm
quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việc
loại bỏ ảnh hởng tán xạ và mù khí quyển. Trong chiến tranh thế giới thứ
hai, những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề
mặt địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho việc chụp ảnh màu hồng
ngoại đã đợc tiến hành. Dựa trên thành tựu này một kỹ thuật mới - kỹ
thuật do thám hàng không đã đợc xây dựng.
Vào năm 1956, ngời ta đã tiến hành một số cuộc bay chụp nhằm thử
nghiệm khả năng của ảnh máy bay trong việc phân loại và phát hiện các
kiểu thực vật. Vào đầu những năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm về ứng
dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã đợc tiến hành dới sự bảo trợ
của cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa kỳ. Những thành công trong
lĩnh vực này đã đa đến sự phóng vệ tinh Landsat vào những năm 1970. Sự
ứng dụng vệ tinh nhân tạo đã mang đến khả năng thu nhận thông tin có
tính toàn cầu về các hành tinh trong đó có cả trái đất và môi trờng xung
quang chúng. Những bộ cảm đặt trên vệ tinh nhân tạo trái đất cung cấp
thông tin có tính toàn cục về động thái của các tầng mây, lớp phủ thực
vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dơng. Do tốc độ di
chuyển nhanh chóng, độ chùm phủ không gian của vệ tinh rất lớn nên
việc theo dõi động thái của nhiều hiện tợng, đặc biệt là các hiện tợng xảy
5
triển mạnh mẽ. Ngày nay sự ứng dụng của nó trong lĩnh vực thăm dò tài
nguyên đã trở nên rất đa dạng và phong phú. Ngời ta đã sử dụng nhiều hệ
thống ra đa khác nhau để nghiên cứu đại dơng, khí quyển, các cấu trúc
trên bề mặt và gần bề mặt của vỏ trái đất Các hệ thống ra đa rất đa dạng
và phong phú từ các loại dùng để đo độ cao, nhiệt độ cho đến các loại tán
xạ kế tạo ảnh nghiên cứu tài nguyên.
Khoảng giữa những năm 1950 ngời ta tập trung nghiên cứu ra đa có
cửa mở thực. Cùng trong thời gian đó công việc nghiên cứu ra đa có cửa
mở tổng hợp cũng đợc xúc tiến. Các hệ thống này có kích thớc nhỏ hơn
nhiều so với hệ thống có cửa mở thực và cho phép thu đợc các ảnh có độ
phân giải cao.
6
Tia la ze cũng đã bắt đầu đợc ứng dụng trong viễn thám. Hiện nay nó
đợc ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu khí quyển, làm bản
đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang.
Nhiều bộ cảm hiện đại đang đợc đầu t nghiên cứu và phát triển trong số
đó phải kể đến phổ kế tạo ảnh. Phổ kế tạo ảnh cho phép nâng số kênh phổ
lên hàng trăm kênh khác nhau. Tổ chức EOS dự định phóng vệ tinh mang
bộ cảm MODIS có 100 kênh và HIRIS có 200 kênh lên quỹ đạo vào
khoảng giữa những năm 1990.
2. Cơ sở của viễn thám
2.1 Một số khái niệm cơ bản
Viễn thám đợc định nghĩa nh một khoa học và công nghệ mà nhờ nó
các tính chất của vật thể quan sát đợc xác định, đo đạc hoặc phân tích mà
không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Sóng điện từ hoặc đợc phản xạ hoặc đợc bức xạ từ vật thể thờng là
nguồn t liệu chủ yếu trong viễn thám. Tuy nhiên những dạng năng lợng
khác nh từ trờng, trọng trờng cũng có thể đợc sử dụng.
Một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ
vật thể đợc gọi là bộ viễn cảm (remote sensor) thờng gọi tắt là bộ cảm.
X, tia cực tím, sóng nhìn thấy, tia hồng ngoại và sóng vô tuyến. Trên hình
3 là bảng phân loại sóng điện từ và các kênh phổ sử dụng trong viễn
thám. Nhìn chung giải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực
tím ( 0.3 - 0.4 micro mét ), sóng ánh sáng ( 0.4 - 0.7 micro mét ), gần
sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Các sóng hồng ngoại ngắn mới đây đợc sử
dụng rộng rãi trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt đợc sử
dụng trong đo nhiệt, sóng micro mét đợc sử dụng trong kỹ thuật ra đa.
2.3 Phân loại viễn thám theo bớc sóng
Viễn thám có thể đợc phân thành ba loại cơ bản theo bớc sóng sử
dụng:
a/ Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
b/ Viễn thám hồng ngoại nhiệt
c/ Viễn thám siêu cao tần
Trên hình 3 là sơ đồ phân loại viễn thám theo bớc sóng.
Nguồn năng lợng chính sử dụng trong nhóm a là bức xạ mặt trời. Mặt
trời cung cấp một bức xạ có bớc sóng u thế ở 0.5 micro mét. T liệu viễn
thám thu đợc trong giải 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
đợc xác định từ các phổ phản xạ. Tuy nhiên ra đa sử dụng tia la ze là tr-
ờng hợp ngoại lệ không sử dụng năng lợng mặt trời.
Nguồn năng lợng sử dụng trong nhóm b là bức xạ nhiệt do chính vật
thể sản sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thờng đều tự phát ra một
bức xạ có đỉnh tại bớc sóng 10 micro mét.
Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động
đều đợc áp dụng. Trong viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao
tần do chính vật thể phát ra đợc ghi lại, trong khi viễn thám siêu cao tần
chủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể.
8
3. bộ cảm
3.1 Phân loại bộ cảm
dài, kính lọc sóng ngắn và kính lọc đơn phổ. Kính lọc có thể chia thành
hấp thụ, giao thoa, nhiễu xạ và phân cực.
3.2 Máy chụp ảnh
Các máy chụp ảnh thờng đợc sử dụng trong viễn thám có thể kể đến
là máy chụp hàng trắc, máy chụp ảnh đa phổ, máy chụp toàn cảnh
9
Các máy chụp ảnh hàng trắc đôi khi còn đợc gọi là máy chụp đo đạc
và chúng thờng đợc lắp trên máy bay hoặc tàu vũ trụ dùng vào mục đích
chụp ảnh đo đạc địa hình. Những máy chụp tiêu biểu là máy RMK do
hãng Carl Zeiss hay máy RC do hãng Leica Thuỵ sĩ chế tạo. Những máy
chụp ảnh sử dụng trong viễn thám vệ tinh có thể kể đến là METRIC
CAMERA, máy chụp LFC ( Large Format Camera ) đặt trên tàu vũ trụ
con thoi. Máy chụp KFA 1000 do Nga chế tạo đặt trên vệ tinh COSMOS.
Trên hình 6 là sơ đồ nguyên lý hoạt động và một số so sánh giữa các máy
chụp ảnh khác nhau.
Các t liệu của máy chụp ảnh thờng đợc sử dụng cho các mục đích đo
đạc cho nên kết cấu của chúng phải thỏa mãn các điều kiện quang học và
hình học cơ bản nh sau :
- Quang sai máy chụp phải nhỏ
- Độ phân giải ống kính phải cao và độ nét của ảnh phải đợc bảo đảm
trong toàn bộ trờng ảnh
- Các yếu tố định hớng trong phải đợc xác định chính xác ví dụ : chiều
dài tiêu cự, tọa độ điểm chính
- Quang trục của ống kính phải vuông góc với mặt phẳng phim.
- Hệ thống chống nhòe phải đủ khả năng loại trừ ảnh hởng của chuyển
động tơng đối giữa vật mang và qủa đất đặc biệt trong trờng hợp chụp ảnh
từ vũ trụ.
Trên hình 6 là sơ đồ nguyên lý máy chụp ảnh MKF-6 với 6 kênh phổ
do CHDC Đức chế tạo và đợc đặt trên trạm quỹ đạo Soyuz 22 của Nga.
3.3 Máy quét quang cơ
dò quang điện tử. Các bộ khuếch đại quang học thờng đợc sử dụng cho
giải sóng nhìn thấy và vùng tia cực tím. Đối với vùng sóng hồng ngoại
nhìn thấy ngời ta thơng dùng đi ốt Silicon. Đi ốt ingium antimony (InSb)
đợc dùng cho vùng sóng ngắn và để đo bức xạ nhiệt ngời ta dùng đi ốt
HqCdTe.
e. Hệ thống kiểm định: các tín hiệu điện đo đợc luôn bị ảnh hởng bởi
sự biến động độ nhậy của hệ thống dò, do vậy cần phải duy trì thờng
xuyên một nguồn ánh sáng hoặc nhiệt có cờng độ ổn định làm nguồn
năng lợng chuẩn kiểm định thông số bộ cảm.
So sánh với hệ thống quét điện tử (pushbroom) thì các hệ thống quét
quang cơ có những u điểm. Ví dụ trờng nhìn của hệ thống quang học có
thể nhỏ hơn, độ trùng khớp giữa các kênh phổ cao hơn và có thể thiết kế
đợc những hệ thống có độ phân giải cũng cao hơn. Tuy vậy nhợc điểm cơ
bản của nó là tỷ số hiệu dụng tín hiệu - nhiễu lại nhỏ hơn so với hệ thống
quét điện tử.
3.4 Máy quét điện tử CCD
Các hệ thống quét điện tử (Pushbroom scanner) hoặc bộ cảm mảng
tuyến tính (linear array sensor) là hệ thống quét trong đó không có bộ
phận cơ học nh gơng quay. Bộ phận ghi nhận tín hiệu chủ chốt là mảng
tuyến tính các bộ dò bán dẫn cho phép ghi lại đồng thời từng hàng ảnh.
Trên hình 8 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống quét điện tử
và cấu trúc của máy quét MESSR trên vệ tinh MOS-1.
Các hệ thống quét điện tử không có một bộ phận cơ học nào nên độ
ổn định hoạt động của nó là rất cao. Tuy vậy thờng xuất hiện nhiễu trên
một hàng ảnh gây bởi sự chênh lệch độ nhậy giữa các bộ dò.
Cặp thiết bị nạp (CCD) thờng đợc dùng cho bộ cảm mảng tuyến tính
nên đôi khi ngời ta thờng gọi chúng là bộ cảm tuyến tính CCD hay máy
11
chụp CCD. HRV của vệ tinh SPOT, MESSR của MOS-1 và OPS của
JERS-1 là những ví dụ về bộ cảm tuyến tính CCD đặt trên vệ tinh.
vật thể phát ra. Bức xạ kế siêu cao tần là ví dụ về bộ cảm siêu cao tần bị
động.
Trên hình 10 là sơ đồ nguyên lý của viễn thám siêu cao tần chủ động
và bị động.
12
Cơ sở toán lý của viễn thám siêu cao tần đợc xây dựng trên phơng
trình ra đa và các định luật của Rayleigh Jeans.
4.2 Bức xạ siêu cao tần và sự suy giảm của nó
Sự suy giảm của bức xạ siêu cao tần gây bởi sự hấp thụ của khí
quyển hay sự tán xạ trong không khí do các hạt bụi lơ lửng gây nên. Độ
suy giảm của sóng siêu cao tần có thể đợc diễn tả nh một hàm số mũ
trong đó khoảng cách từ nguồn phát đến vật phản xạ là đối số cơ bản.
Trong một môi trờng khí quyển đồng nhất sự suy giảm sẽ tăng một cách tỉ
lệ với khoảng cách. Độ suy giảm theo một đơn vị khoảng cách đợc gọi là
độ suy giảm đặc trng. Trong trờng hợp quan sát từ vệ tinh do khoảng cách
từ bộ cảm và vật thể quan sát quá lớn nên sự suy giảm của bức xạ thu đợc
phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái khí quyển và thành phần của nó trên đ-
ờng truyền. Đặc biệt hơi nớc trong khí quyển gây nên sự suy giảm rất
mạnh nên ngời ta có thể lợi dụng đặc tính này để xác định hàm lợng hơi
nớc.
Bề mặt trái đất tự bức xạ một lợng nhỏ năng lợng siêu cao tần, sóng
nhìn thấy và bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối trong vùng
sóng nhìn thấy và gần hồng ngoại nhiệt tuân theo định luật Plank. Bức xạ
nhiệt trong vùng sóng siêu cao tần tuân theo định luật Rayleigh Jeans.
Một vật thể thật không có đầy đủ các tính chất của vật đen tuyệt đối
đôi khi còn đợc gọi là vật xám bức xạ ra một năng lợng tuy nhỏ hơn vật
đen tuyệt đối nhng luôn ổn định. Nhiệt độ chói (brightness temperature)
đợc mô tả bằng biểu thức :
T = TB
Trong đó
(theo Rayleigh)
h < / 32 cos
(theo Fraunhofer)
Trong đó
h
Độ lệch chuẩn của độ gồ ghề bề mặt
Bớc sóng
Góc tới
Về mặt tổng quát, hệ số tán xạ là phụ thuộc vào góc tới và góc tán
xạ. Tuy vậy trong viễn thám góc tới bao giờ cũng bằng góc tán xạ vì an
ten bộ cảm bao giờ cũng đợc đặt tại chính nguồn phát.
Hệ số tán xạ ngợc đợc định nghĩa theo công thức:
= / A
i i
Trong đó
i
Năng lợng siêu cao tần chiếu xuống bề mặt
Ai
.
Hệ số tán xạ ngợc phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và góc chiếu
của chùm tia xuống bề mặt. Đồ thị trên hình 11 thể hiện khái quát sự phụ
thuộc này.
4.4 tán xạ trong lòng vật chất
Tán xạ trong lòng vật chất (volume scattering) đợc định nghĩa nh tán
xạ xảy ra ngay bên trong môi trờng sóng điện từ truyền qua. Trên hình 12
là sơ đồ mô phỏng sự tán xạ gây bởi các hạt vật chất lơ lửng, môi trờng
bằng 0. Chùm tia có cờng độ lớn nhất là chùm tia chính.
5. Các bộ cảm sử dụng trong viễn thám siêu cao tần
5.1 Các loại bộ cảm siêu cao tần
Các bộ cảm siêu cao tần có thể đợc chia thành hai nhóm chính: chủ
động và bị động.
Bộ cảm siêu cao tần bị động dùng để nghiên cứu các đối tợng chính
sau:
- Sóng biển gần bề mặt
- Nhiệt độ lớp nớc biển gần bề mặt
- Trạng thái biển
- Hàm lợng muối trong nớc biển
- Hơi nớc trong khí quyển
- Nhiệt độ không khí và thành phần khí quyển
Bộ cảm siêu cao tần chủ động gồm ba nhóm chính: tán xạ kế siêu cao
tần, máy đo độ cao siêu cao tần và ra đa tạo ảnh.
15
Tán xạ kế siêu cao tần thờng đợc sử dụng để ghi nhận các thông tin
sau:
- Độ ẩm của đất
- Sinh khối
- Nhiệt độ mặt biển
- Trạng thái biển
- Hơi nớc trong khí quyển
- Sóng biển, hớng và vận tốc.
Máy đo độ cao siêu cao tần dùng để xác định
- Địa hình mặt biển, hình dạng geoid
- Chiều cao của sóng biển
- Sự biến động của dòng biển
- Tốc độ gió
Ra đa tạo ảnh đợc sử dụng vào các mục đích nghiên cứu sau
cùng tần số phát sóng. Tuy vậy việc xử lý t liệu SAR phức tạp hơn nhiều
so với t liệu ra đa cửa mở thực. Trên hình 14 là sơ đồ mô tả mối tơng
quan giữa ra đa cửa mở thực và ra đa cửa mở tổng hợp. Khác với RAR,
SAR liên tục thu tín hiệu tán xạ từ vật thể trong quá trình phát sóng. Khi
mà vật mang luôn chuyển động và có sự biến động về khoảng cách giữa
nguồn phát và vật thể (ví dụ gây bởi sự bất ổn định trong vận tốc của vật
mang) thì sẽ xảy ra hiệu ứng Dopller. Hiệu ứng này tạo ra những khó
khăn trong quá trình xử lý số liệu, do vậy các vật mang của hệ thống SAR
phải có độ ổn định trong quá trình bay rất cao.
5.4 Cơ sở hình học của ảnh ra đa và một số tính chất của chúng
ảnh ra đa thu đợc bị ảnh hởng bởi nhiều yếu tố hình học gây bởi cơ
chế tạo ảnh, cấu trúc địa hình Những ảnh hởng này đợc mô tả khái quát
trên hình 15. Có ba hiện tợng đáng chú ý trong quá trình giải đoán và xử
lý ảnh ra đa là phủ chồng (lay over), co ngắn (fore shortening) và khuất
bóng (shadow).
Hiện tợng phủ chồng xảy ra khi góc xiên (off nadir angle) ở vị trí mà
đỉnh của đối tợng quan sát lại gần máy phát hơn chân của nó. Hiện tợng
co ngắn xảy ra khi hình chiếu lớn hơn hình chiếu. Hiện tợng khuất bóng
thờng xuất hiện khi đối tợng cần quan sát nằm khuất sau một đối tợng
khác do vậy chùm tia bức xạ siêu cao tần không thể chiếu vào vật đó đợc.
Vấn đề xử lý t liệu ra đa là tơng đối phức tạp vì tín hiệu thu đợc
không phải là ảnh mà những sự biến đổi về pha gây bởi địa hình. Quá
trình xử lý nhằm tạo ra một t liệu ảnh có cấp độ xám tỷ lệ với cờng độ tín
hiệu tán xạ thu đợc đợc gọi là tái tạo ảnh (image reconstruction). Trên
hình 16 là sơ đồ quy trình tái tạo ảnh áp dụng cho t liệu SAR. Quá trình
tái tạo ảnh đợc chia làm hai giai đoạn chính đó là nén ngang và dọc. Mục
đích của việc nén là chuyển tín hiệu từ dạng diện về dạng điểm. Ngời ta
thờng dùng phép biến đổi Furie vào mục đích này và đồng thời xác định
luôn cả hàm đặc trng (reference function). Trong quá trình tạo ảnh có một
vấn đề rất khó giải quyết đó là nhiễu hạt tiêu (pepper noise) gây bởi các
sát
Chú thích
Vệ tinh địa
tĩnh
36,000
km
Quan sát từ
một điểm cố định
GMS
Vệ tinh quỹ
đạo tròn
500 km-1000
km
Quan sát đều
đặn theo chu kỳ
LANDSAT,SP
OT MOS-1
Tàu vũ trụ
con thoi
240 - 350 km Quan sát
không đều, theo
từng cuộc thí
nghiệm
Bóng thám
không
100 m -100
km
Nghiên cứu
nhiều đối tợng
khác nhau
đợc phân chia thành những phần chính sau:
- Các góc quay quanh 3 trục toạ độ
- Các dao động ngẫu nhiên không thể đo đợc.
Các đại lợng mô tả thế của vật mang có thể thấy đợc trên hình 13. Để có
thể xác định chính xác thế của vật mang nhằm hiệu chỉnh chính xác hình
học t liệu thu đợc cần phải liên tục ghi lại các thông số cơ bản mô tả thế
của vật mang. Đó là những thiết bị chính sau:
- Tốc độ kế
- Máy đo độ cao
- Địa bàn gyro
- Ra đa Doppler
- Máy xác định đờng chân trời
- Các camera vô tuyến
- Máy ghi nhật ký bay (flight recorder)
6.3 Quỹ đạo bay và các thông số cơ bản
Một tập hợp các thông số cơ bản mô tả quỹ đạo chuyển động của vật
mang đợc gọi là các thông số quỹ đạo bay. Có 6 thông số cơ bản của quỹ
đạo chuyển động tuân theo định luật Kepler áp dụng cho các vật thể
chuyển động trong vũ trụ.
Theo định luật này thì vệ tinh có thể đợc coi nh một vật thể quay
xung quanh trái đất trong một mặt phẳng quỹ đạo không có tác động của
lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời. Thực ra thì vẫn tồn tại tơng tác
giữa các truờng hấp dẫn của trái đất, mặt trăng và mặt trời. Nhng trong
19
nhiều bài toán thực tế thì ảnh hởng của mặt trăng và mặt trời có thể bỏ
qua vì chúng nhỏ hơn nhiều so với tác động của trọng trờng trái đất.
Sáu thông số quỹ đạo cơ bản của một vật chuyển động trong vũ trụ
là:
- Bán kính trục lớn A
- Độ dẹt quỹ đạo e
- Hệ thống thu nhận số liệu
Trên hình 21 là sơ đồ vệ tinh JERS-1 của Nhật Bản và các hệ thống
thiết bị chính.
20
7.1 LANDSAT
Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám đầu tiên đợc phóng lên quỹ đạo
năm 1972. Cho đến nay đã có 5 thế hệ vệ tinh Landsat đã đợc phóng lên
quỹ đạo. Trên hình 22 là một số thông số cơ bản của vệ tinh Landsat. T
liệu vệ tinh Landsat là t liệu viễn thám hiện đang đợc sử dụng rộng rãi
trên toàn thế giới và kể cả Việt Nam.
a. Quỹ đạo vệ tinh Landsat 4,5 và 6 đợc đặc trng bởi các thông số
chính sau:
- Độ cao bay: 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo: 98 độ
- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại
- Thời điểm bay qua xích đạo 9:39 sáng
- Chu kỳ lặp 17 ngày
- Bề rộng tuyến chụp: 185 km
b. Bộ cảm:
- MSS (multispectral scanner)
- TM (thematic mapper)
Cả hai bộ cảm này đều là máy quét quang cơ. Các thông số cơ bản
của chúng đợc trình bày trên hình 22.
c. T liệu
T liệu TM và MSS đợc chia thành các cảnh phủ một vùng trên mặt
đất 185 x 170 km. Mỗi cảnh đợc đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm
số hiệu của hàng và tuyến (path, row). Các giá trị của pixel đợc mã 8 bit
tức là cấp độ xám ở trong khoảng 0-255.
7.2 SPOT
Vệ tinh SPOT đợc phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên vào tháng 2 năm
1986. Mỗi vệ tinh SPOT đợc trang bị hai bộ cảm HRV (High Resolution
ảnh chụp thông thờng lu trên phim hoặc giấy ảnh đợc gọi là ảnh tơng tự.
ảnh số là một dạng t liệu ảnh không lu trên giấy ảnh hoặc phim. Nó đợc
chia thành nhiều phần tử nhỏ thờng đợc gọi là pixel . Mỗi pixel tơng ứng
với một đơn vị không gian. Quá trình chia một ảnh tơng tự thành các
pixel đợc gọi là chia mẫu (sampling) và chia cấp độ xám liên tục thành
một số nguyên hữu hạn là lợng tử hóa. Các pixel thờng có hình dạng
vuông, tuy vậy các pixel hình tam giác hay hình lục lăng cũng có thể đợc
tính đến. Mỗi pixel đợc xác định bằng tọa độ hàng, cột. Hệ tọa độ ảnh th-
ờng có điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với tọa
độ cột và từ trên xuống dới đối với chỉ số hàng. Trong quá trình chia mẫu
từ một ảnh tơng tự thành ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần xuất chia
mẫu phải đợc chọn tối u. Trong trờng hợp pixel quá lớn thì chất lợng ảnh
sẽ tồi còn trong trờng hợp ngợc lại thì dung lợng thông tin cần lu trữ lại
qúa lớn. Ngời ta sử dụng bổ đề Shannon để tìm đợc ngỡng chia mẫu tối u.
Bổ đề đợc phát biểu nh sau: Sẽ không bị mất thông tin nếu việc chia mẫu
đợc thực hiện với độ lớn bằng nửa tần xuất cực đại của chùm sóng tơng tự
nguyên bản. Trên hình 24 là sơ đồ nguyên lý chia mẫu và lợng tử hóa một
ảnh tơng tự.
22
8.2 Các tính chất của t liệu số
T liệu ảnh số đợc đặc trng bởi một số thông số cơ bản về hình học,
bức xạ Sau đây là giới thiệu khái quát các thông số cơ bản.
Trờng nhìn không đổi (instantaneous field of view) IFOV đợc định
nghĩa là góc không gian tơng ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất.
Lợng thông tin ghi đợc trong IFOV tơng ứng với giá trị của pixel.
Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu đợc sóng điện từ đợc gọi
là trờng nhìn (field of view) IFOV. Khoảng không gian trên mặt đất do
FOV tạo nên chính là bề rộng tuyến bay.
Mộ vùng bé nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể cảm nhận đợc đợc
gọi là độ phân giải mặt đất. Đôi khi hình chiếu của một pixel lên mặt đất
sau tổ hợp kênh phổ của hàng này lại chuyển sang hàng khác.
Khuôn dạng BIP ( Band Interleaved by Pixel) là khuôn dạng mà các
kênh phổ đợc cách nhau bởi các pixel. Mỗi pixel đợc lu tuần tự theo các
kênh, sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp
phổ của pixel khác.
Ngoài các thông tin ảnh, trong mỗi một lần lu trữ ngời ta phải lu
nhiều thông tin bổ trợ khác nữa. Những thông tin này đợc gọi là thông tin
bổ trợ. Các thông tin bổ trợ đợc lu ở các khuôn dạng chuẩn nh WSF
( Wolrd Standard Format) hoặc LTWG (Landsat Technical Working
Group). Trong mục thông tin bổ trợ lu trữ các thông số kỹ thuật về quá
trình thu thông tin, số hiệu của ảnh, ngày, tháng, năm, các chỉ tiêu chất l-
ợng
8.4 Số liệu mặt đất
Số liệu mặt đất là một tập hợp các quan sát, mô tả, đo đạc về các
điều kiện thực tế trên mặt đất trong đó các vật thể cần nghiên cứu tồn tại
nhằm xác định mối tơng quan giữa tín hiệu thu đợc và bản thân các đối t-
ợng. Nói chung các số liệu mặt đất cần phải đợc thu thập đồng thời trong
cùng một thời điểm với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời gian
sao cho các sự thay đổi của các đối tợng nghiên cứu trong thời gian đó
không ảnh hởng tới việc xác định các mối quan hệ cần tìm.
Số liệu mặt đất đợc sử dụng cho các mục đích sau:
- Thiết kế các bộ cảm
- Kiểm định các thông số kỹ thuật của bộ cảm
- Thu thập các thông tin bổ trợ cho quá trình phân tích và hiệu chỉnh
số liệu.
Những thông tin sau cần đợc thu thập trong khi khảo sát thực địa:
a. Các thông tin tổng quan cũng nh chi tiết về đối tợng nghiên cứu
nh chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng bề
mặt, nhiệt độ
b. Các thông tin về môi trờng xung quanh, góc chiếu và độ cao mặt
khoảng 2-5 cm đối với vị trí và 20 đến 30 cm cho độ cao.
8.6 Bản đồ và số liệu địa hình
Để phục vụ cho các công tác nghiên cứu khác nhau của viễn thám vệ
tinh, những bản đồ địa hình và chuyên đề sau cần thiết phải có đợc.
a. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25 000 hoặc 1/50 000. Trên bản đồ địa
hình có thể lấy đợc tọa độ các điểm kiểm tra phục vụ việc hiệu chỉnh hình
học hoặc các thông số độ cao nhằm tái tạo không gian 3 chiều phục vụ
việc nắn ảnh hoặc nhìn 3 chiều.
b. Bản đồ chuyên đề. Các bản đồ chuyên đề nh sử dụng đất, rừng, địa
chất v.v. tỷ lệ khoảng từ 1/50 000 đến 1/250 000 rất cần thiết cho việc
nghiên cứu chuyên đề, chọn vùng mẫu và phân loại. Nếu các bản đồ này
25
Copyright: Tài liệu đại học ©