1 Khái niệm và cơ sở khoa học của viễn thám
1.1 Khái niệm
Viễn thám là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng.
1.2 Cơ sở khoa học của dữ liệu ảnh viễn thám
Hình 1: Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám
Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lý trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng. Từ đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm (remote sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh.
Sóng điện từ được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám. Các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể. 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 phản xạ và bức xạ.
Bức xạ điện từ có 4 thông số cơ bản đó là tần số, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực. Các thông số này có thể sử dụng trong việc khai thác thông tin ảnh. Ví dụ: tần số có thể được dùng để xác định vận tốc chuyển động của vật thể dựa trên hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phát hiện các cấu trúc của đối tượng. Biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể và được sử dụng như những phần tử giải đoán ảnh cơ bản, mặt phân cực được sử dụng để xác định hình dạng của vật thể – ánh sáng phản xạ trên các bề mặt tương tự nhau sẽ cho các chùm tia có mặt phẳng phân cực giống nhau.
Hình.2: Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin
Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO2 … mà độ truyền dẫn của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng. Tại những vùng đó bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất – đồng nghĩa với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin. Ở những vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám bức xạ sẽ đạt tới bộ cảm. Những vùng bước sóng đó được gọi là cửa sổ khí quyển, chỉ trong các vùng bước sóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho bộ cảm.
Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Đặc trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc trưng phổ và sắc, tông mầu trên ảnh tổ hợp mầu để giải đoán đối tượng.
Hình 4: Dải sóng dùng trong viễn thám
Về nguyên tắc, vệ tinh “nhìn” được tất cả các đối tượng trên bề mặt Trái Đất bao gồm: đất, nước và thực vật. Thông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng người ta thiết kế các thiết bị thu nhận sao cho tại khoảng bước sóng đó các đối tượng có độ phản xạ phổ là dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng này sự hấp thụ của khí quyển là nhỏ nhất. Mỗi loại vệ tinh được thiết kế để thu nhận ở một số dải phổ nhất định hay còn gọi là các kênh phổ.
Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0.3-0.4 m), vùng ánh sáng nhìn thấy (0.4-0.7 m), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt. Trong tất cả tài liệu cơ sở về viễn thám, theo buớc sóng sử dụng, công nghệ viễn thám có thể chia làm ba nhóm chính:
- Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt
- Viễn thám siêu cao tần
2 Đặc điểm của dữ liệu ảnh viễn thám
Trong công nghệ viễn thám có 4 khái niệm độ phân giải, là đặc trưng cho dữ liệu ảnh viễn thám
2.1 Độ phân giải không gian
Là khái niệm dùng để phân biệt đối tượng trên mặt đất. Là khoảng cách tối thiểu để phân biệt hai đối tượng gần nhau, về bản chất khoảng cách đó là độ lớn tối thiểu của một đối tượng trên mặt đất mà có thể phân biệt được trên ảnh
Hình 5: So sánh sự khác nhau giữa các độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ phân giải phim ảnh, nămg lực của ống kính, đặc điểm hình ảnh lúc chụp, điều kiện khí quyển, điều kiện in tráng phim ảnh.
- Độ phân giải không gian cao: 0.6 – 4m
- Độ phân giải không gian trung bình: 4 – 30m
- Độ phân giải không gian thấp: > 30m
2.2 Độ phân giải thời gian
Là khoảng thời gian được xác định để một vệ tinh quay lại một điểm xác định (chính là chu kỳ chụp lặp của mỗi vệ tinh). Độ phân giải thời gian phụ thuộc vào các yếu tố như: khả năng của vệ tinh và bộ cảm biến, sự chồng chập của các dải quét, vĩ độ
Độ phân giải thời gian cao: < 24 giờ – 3 ngày
Độ phân giải thời gian trung bình: 4 – 16 ngày
Độ phân giải thời gian thấp: >16 ngày
1.2.3 Độ phân giải phổ
Là số lượng các băng phổ mà bộ cảm biến có thể thu nhận được. Số lượng các băng phổ không chỉ quan trọng về mặt độ phân giải phổ mà vị trí các bằng phổ trong dải sóng điện từ cũng quan trọng không kém.
2.4 Độ phân giải bức xạ
Độ nhạy của các bộ cảm biến với độ lớn năng lượng điện từ xác định độ phân giải bức xạ. Độ phân giải bức xạ của ảnh mô tả khả năng phân biệt sự khác biệt rất nhỏ trong năng lượng thu được.
Hình 6: So sánh sự khác nhau giữa các độ phân giải bức xạ (2bit và 8bit)
