Tài liệu Luận văn đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đât trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số, thực nghiệm tại hà nội

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HIỀN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM BẰNG ẢNH CHỈ SỐ, THỰC NGHIỆM TẠI HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HIỀN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM BẰNG ẢNH CHỈ SỐ, THỰC NGHIỆM TẠI HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ Mã ngành: 8520503 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Thị Thúy Hạnh Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS Trần Xuân Trường Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Phạm Minh Hải Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 19 tháng 01 năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Luận văn “Đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số, thực nghiệm tại Hà Nội” một công trình nghiên cứu khoa học độc lập cùng với sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Hiền ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Thị Thúy Hạnh, người đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Trắc địa, Bản đồ và Thông tin địa lý, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, những người đã giúp tôi có đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ, động viên khích lệ và chia sẻ cùng tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng Viễn thám và GIS giám sát hiện tượng đảo nhiệt đô thị”. Mã số TNMT.2018.08.10 đã cung cấp tư liệu giúp tôi hoàn thành luận văn. Học viên Nguyễn Thị Hiền iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................. v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................... viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM ...................... 4 1.1. Tổng quan về viễn thám ............................................................................. 4 1.1.1. Khái niệm, phân loại viễn thám .......................................................... 4 1.1.1.Những nguyên lý cơ bản của viễn thám .............................................. 8 1.2. Tổng quan về chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám ......................................................................................................... 11 1.3. Tình hình nghiên cứu chiết tách đất xây dựng và đất trống bằng ảnh chỉ số ..................................................................................................... 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CHIẾT TÁCH THÔNG TIN ĐẤT XÂY DỰNG VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ ............................... 22 2.1. Kỹ thuật tiền xử lý ảnh ............................................................................. 22 2.1.1. Hiệu chỉnh bức xạ ............................................................................ 22 2.1.2. Hiệu chỉnh hình học .......................................................................... 26 2.1.3. Tăng cường chất lượng ảnh............................................................... 30 2.2. Phương pháp chiết tách thông tin viễn thám............................................ 39 2.2.1. Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt ............................................... 39 2.2.2. Phương pháp phân loại ảnh ............................................................... 45 2.2.3. Phương pháp tạo ảnh chỉ số .............................................................. 46 2.2.4. Phương pháp đánh giá độ chính xác ................................................. 47 iv CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH ĐẤT TRỐNG VÀ ĐẤT XÂY DỰNG KHU VỰC HÀ NỘI BẰNG ẢNH CHỈ SỐ TỪ ẢNH VỆ TINH LANDSAT 8 ....................................................................................... 52 3.1. Khu vực nghiên cứu. ................................................................................ 52 3.1.1. Vị trí địa lý ........................................................................................ 52 3.1.2. Đặc điểm tự nhiên ............................................................................ 53 3.1.3. Điều kiện kinh tế - xã hội .................................................................. 55 3.2. Tư liệu sử dụng ........................................................................................ 57 3.3. Thực nghiệm chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội bằng các chỉ số EBBI, UI, IBI, NDBI ..................................................................... 58 3.3.1. Tiền xử lý ảnh vệ tinh Landsat 8....................................................... 58 3.3.2. Tính các chỉ số UI, NDBI, IBI, EBBI. .............................................. 60 3.3.3. Đánh giá độ chính xác ....................................................................... 61 4. Kết quả và thảo luận .................................................................................... 63 4.1. Quan sát và phân tích ............................................................................... 63 4.2. Đánh giá độ chính xác .............................................................................. 79 KẾT LUẬN .................................................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82 v TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ tên học viên: Nguyễn Thị Hiền Lớp: CH2BTĐ Khóa: 2 Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thúy Hạnh Tên đề tài: “Đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đât trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số, thực nghiệm tại Hà Nội” Tóm tắt: Luận văn nghiên cứu đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh Landsat 8 bằng ảnh chỉ số, thực nghiệm tại Hà Nội. Luận văn sử dụng phần mềm Envi 4.6 để tính toán các chỉ số ảnh EBBI, IBI, NDBI, UI. Các chỉ số này đều phản ánh đất xây dựng ứng với ngưỡng giá trị cao, tiếp đến là đất trống và thấp nhất là các đối tượng khác. Kết quả nghiên cứu cho thấy để chiết tách đất xây dựng dùng chỉ số NDBI là tốt nhất, tiếp đến có thể dùng các chỉ số EBBI, IBI, UI. Chiết tách đất trống dùng chỉ số IBI và NDBI là tốt nhất. Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ góp phần tạo điều kiện thuận lợi cho công tác điều tra khảo sát về đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đó. vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tiếng Anh Digital Elevation Model Ý Nghĩa Mô hình số độ cao 1 DEM 2 EBBI 3 FCC False color composite Ảnh tổng hợp màu giả 4 GCP Ground Control Points-GCPs Điểm khống chế 5 IBI Index – based Built – Up Index Chỉ số dựa trên chỉ số đất xây dựng 6 MNDWI 7 NDBI 8 SAVI 9 UI Enhanced Built-Up and Bareness Index Modified normalized difference water index Normalised Difference Built – Up Index Soil adjusted vegetation index Urban Index Chỉ số đất trống và đất xây dựng Chỉ số khác biệt nước có điều chỉnh Chỉ số đất xây dựng Chỉ số thực vật có hiệu chỉnh độ ẩm của đất Chỉ số đô thị vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám ....... 10 Bảng 2.1. Ma trận sai số .................................................................................. 49 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật ảnh vệ tinh Landsat 8........................................ 57 Bảng 3.2. Phân ngưỡng chỉ số......................................................................... 65 Bảng 3.3. Khả năng chiết tách đất xây dựng và đất trống của các chỉ số thông qua quan sát và so sánh ảnh chỉ số với ảnh gốc . ............................................ 79 Bảng 3.4. Kết quả đánh giá độ chính xác........................................................ 80 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Viễn thám chủ động và viễn thám bị động ....................................... 5 Hình 1.2. Vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo gần cực ..................................... 6 Hình 1.3. Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng ....................................... 7 Hình 1.4. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám .............................................. 8 Hình 2.1. Histogram của ảnh quá tối, quá sáng, tương phản thấp, tương phản cao ................................................................................................ 32 Hình 2.2. Ảnh và biểu đồ Histogram trước và sau khi biến đổi tuyến tính .... 34 Hình 2.3. Ảnh gốc và ảnh sau khi biến đổi Histogram ................................... 37 Hình 3.1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu............................................................... 52 Hình 3.2. Hiệu chỉnh bức xạ ảnh..................................................................... 59 Hình 3.3. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển ............................................. 60 Hình 3.4. Các bước xử lý ảnh lập bản đồ đất trống và đất xây dựng từ ảnh Landsat 8 bằng ảnh chỉ số. .............................................................................. 62 Hình 3.5. Ảnh chỉ số UI khu vực Hà Nội năm 2018 ...................................... 63 Hình 3.6. Ảnh chỉ số NDBI khu vực Hà Nội năm 2018 ................................. 64 Hình 3.7. Ảnh chỉ số EBBI khu vực Hà Nội năm 2018.................................. 64 Hình 3.8. Ảnh chỉ số IBI khu vực Hà Nội năm 2018. .................................... 65 Hình 3.9. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số UI. ................ 66 Hình 3.10. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số EBBI .......... 67 Hình 3.11. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số NDBI .......... 68 Hình 3.12. Bản đồ phân bố đất trống và đất xây dựng từ chỉ số IBI .............. 69 Hình 3.13. So sánh các ảnh chỉ số với ảnh gốc tại một số vị trí điển hình ..... 78 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Một trong những khó khăn của công tác trắc địa khi thành lập bản đồ khu vực đô thị là mật độ dân cư cao, nhiều nhà cao tầng hạn chế khả năng đo vẽ trực tiếp; vì vậy, viễn thám trở thành công cụ đắc lực trợ giúp nhiệm vụ này. Việc đánh giá chuyển đổi sử dụng đất từ các loại đất khác sang đất ở cũng rất cần thiết trong nghiên cứu đô thị hóa. Quá trình đô thị hóa không chỉ làm gia tăng bề mặt không thấm mà còn xuất hiện cả những mảnh đất trống trong đô thị do bỏ hoang đất canh tác nông nghiệp hoặc các dự án “treo”. Lập bản đồ đất xây dựng và đất trống là nhiệm vụ quan trọng vì sự có mặt của các đối tượng này là chỉ báo của mức độ phát triển đô thị cũng như chất lượng môi trường. Một trong những phương pháp thường được sử dụng trong lập bản đồ sử dụng đất đô thị là phân loại ảnh, tuy nhiên phương pháp dung ảnh chỉ số cho kết quả nhanh chóng và hiệu quả hơn. Chen và cộng sự đã phân loại sử dụng đất đô thị từ ảnh viễn thám bằng nhiều chỉ số khu vực Đồng bằng sông Châu – Trung Quốc với độ chính xác cao [1]. Các chỉ số thường dùng để lập bản đồ đất xây dựng và đất trống trong khu vực đô thị như NDBI (Normalised Difference Built-Up Index), IBI (Index-based Built-Up Index), UI (Urban Index), NDBaI (Normalised Difference Bareness Index), và BI (Bare soil index) được sử dụng trong rất nhiều nghiên cứu. Chỉ số NDBI và UI cho phép lập bản đồ đất xây dựng và đất trống rất nhanh nhưng không thể phân biệt được đất xây dựng và đất trống. He và cộng sự đã cho biết lý do không phân biệt được đất trống và đất xây dựng khi dùng hai chỉ số này là do tính phức tạp của hành vi phản xạ phổ của các đối tượng thực vật, đất trống và đất xây dựng, đặc biệt là những pixel hỗn hợp [2]. Nghiên cứu này sẽ sử dụng một chỉ số mới để nâng cao khả năng phân biệt đất xây dựng và đất trống trong khu vực đô thị đầy phức tạp với nhiều đối tượng có kích thước rất nhỏ EBBI 2 (Enhanced Built-Up and Bareness Index) và thử nghiệm cho khu vực Hà Nội. Kết quả nghiên cứu sẽ được kiểm chứng và so sánh với nhiều chỉ số khác. Luận văn chọn khu vực nghiên cứu Thành phố Hà Nội là nơi có mật độ dân cư đông, và có tốc độ phát triển, xây dựng khá là nhanh dẫn đến việc khó khăn trong công tác quản lý cũng như đo đạc. Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ góp phần tạo điều kiện thuận lợi cho công tác điều tra khảo sát về đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội. 2. Mục tiêu của đề tài Đánh giá độ chính xác chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám bằng ảnh chỉ số. 3. Phương pháp nghiên cứu 3.1. Phương pháp tổng hợp kế thừa Nghiên cứu tài liệu của các tác giả khác đã công bố liên quan đến đề tài: tài liệu về cơ sở khoa học viễn thám, tài liệu về nghiên cứu đô thị, GIS, tài liệu về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội khu vực thực nghiệm,…Đề tài kế thừa các thành tựu của khoa học viễn thám, tiếp thu một số kỹ thuật xử ảnh vệ tinh, từ đó phát triển và xây dựng cơ sở lý luận cho đề tài. 3.2. Kỹ thuật phân tích, xử lý ảnh viễn thám: Ảnh viễn thám ghi nhận thông tin trung thực, khách quan về bề mặt Trái Đất, tuy nhiên để có được kết quả tin cậy cần phải vận dụng kết hợp nhiều kỹ thuật xử lý ảnh một cách linh hoạt và sáng tạo. Đề tài sẽ sử dụng một số kỹ thuật như hiệu chỉnh hình học, hiệu chỉnh bức xạ (tính giá trị phản xạ phổ từ giá trị số) cho ảnh vệ tinh Landsat 8, kỹ thuật tạo ảnh chỉ số,… 3.3. Phương pháp nghiên cứu thực địa: Phương pháp này áp dụng để thu thập thông tin về lớp phủ phục vụ quá kiểm chứng kết quả nghiên cứu. Kết quả xử lý ảnh trong phòng được đem ra thực địa để đối chiếu và bổ sung các thông tin cần thiết mà tư liệu viễn thám không phản ánh hết hoặc có sự thay đổi (đặc biệt là sự biến đổi theo mùa của thực vật). 3 3.4. Phương pháp bản đồ Bản đồ giúp tìm hiểu những thông tin ban đầu về lãnh thổ nghiên cứu như vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên (khí hậu, thủy văn, lớp phủ,…), kinh tế xã hội (dân số, cơ sở hạ tầng,…). Ngược lại, bản đồ là phương tiện để thể hiện sự phân bố không gian của đối tượng nghiên cứu: phân bố không gian các loại lớp phủ, đặc biệt là đất trống và đất xây dựng. Kết quả nghiên cứu được thể hiện dưới dạng bản đồ sẽ giúp người đọc dễ hiểu hơn so với việc đọc các số liệu trong bảng biểu. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về viễn thám, chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám. - Nghiên cứu cơ sở khoa học chiết tách thông tin đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị, bao gồm kỹ thuật tiền xử lý ảnh, các phương pháp chiết tách thông tin viễn thám và phương pháp đánh giá độ chính xác. - Thực nghiệm đánh giá độ chính xác ứng dụng chỉ số EBBI, UI, IBI, NDBI chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội từ ảnh viễn thám. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn được cấu trúc thành 3 chương: Chương 1. Tổng quan về chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị từ ảnh viễn thám. Chương 2. Cơ sở khoa học chiết tách thông tin đất xây dựng và đất trống khu vực đô thị. Chương 3. Thực nghiệm đánh giá độ chính xác ứng dụng chỉ số EBBI, UI, IBI, NDBI chiết tách đất xây dựng và đất trống khu vực Hà Nội từ ảnh viễn thám. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHIẾT TÁCH ĐẤT XÂY DỰNG VÀ ĐẤT TRỐNG KHU VỰC ĐÔ THỊ TỪ ẢNH VIỄN THÁM 1.1. Tổng quan về viễn thám 1.1.1. Khái niệm, phân loại viễn thám a. Khái niệm Viễn thám được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên Trái Đất" [3]. b. Phân loại viễn thám Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau: - Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh. - Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo. - Dải phổ của các thiết bị thu. - Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận. Có hai phương thức phân loại viễn thám chính là: Phân loại theo nguồn tín hiệu Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám được chia làm hai loại (hình 1.1): 5 - Viễn thám chủ động: nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay. Hình 1.1. Viễn thám chủ động và viễn thám bị động - Viễn thám bị động: nguồn phát bức xạ là Mặt Trời hoặc từ các vật chất tự nhiên. Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ vũ trụ đã trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Các nước có nền công nghệ vũ trụ phát triển đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết bị viễn thám khác nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu có khả năng thu nhận nhiều loại tư liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống. * Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo Có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) (hình 1.2) [3]. Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là: - Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của Trái Đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với Trái Đất là đứng yên. - Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của Trái Đất và được thiết kế riêng 6 sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặp lại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 26 ngày,…). Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phương pháp thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế tạo. Hình 1.2. Vệ tinh địa tĩnh (trái) và vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) * Phân loại theo dải sóng thu nhận Theo bước sóng sử dụng, viễn thám có thể được phân ra thành 3 loại cơ bản: - Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. - Viễn thám hồng ngoại nhiệt. - Viễn thám siêu cao tần. Mặt Trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. 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. Các thông tin về vật thể được xác định từ các phổ phản xạ. 7 Mỗi vật thể ở nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10 μm. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám hồng ngoại nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ một đến vài chục centimet. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủ động được chủ động phát ra từ máy phát. Kỹ thuật ra đa thuộc viễn thám siêu cao tần chủ động. Ra đa chủ động phát ra nguồn năng lượng tới các vật thể, sau đó thu lại được những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do chính vật thể phát ra. Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần của vật thể [2]. Hình 1.3. Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng 8 1.1.1. Những nguyên lý cơ bản của viễn thám Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh,…). Hình 1.4 thể hiện sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám. 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 bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận. Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện thượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường,… Hình 1.4. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám 9 Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần cơ bản như sau: - Nguồn cung cấp năng lượng; - Sự tương tác của năng lượng với khí quyển; - Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất; - Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh; - Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lí. Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể. Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được. Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là tương tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau. Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do Mặt Trời và sự có mặt cũng như thay đổi các các phân tử nước và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sự biến đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng Mặt Trời khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơi nước,… và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưỏng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ trong quá trình lan truyền. Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1.1 thể hiện đặc điểm cuả dải phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám [2].