Bài giảng Viễn thám đại dương - Chương 2: Một số khái niệm cơ bản và nguyên tắc vận hành của viễn thám - Lê Thị Kim Thoa

Nội dung text: Bài giảng Viễn thám đại dương - Chương 2: Một số khái niệm cơ bản và nguyên tắc vận hành của viễn thám - Lê Thị Kim Thoa

1. 9/28/2013 Chương II: I. Một số khái niệm cơ bản 1. Viễn thám là gì?  Viễn : xa Thám: thám sát, quan sát. MỘT SỐ KHÁI NiỆM CƠ BẢN Viễn thám: quan sát từ xa VÀ NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH  Một ví dụ đơn giản: mắt con CỦA ViỄN THÁM người  Các dụng cụ hỗ trợ tầm nhìn quan sát GVGD: TS. Lê Thị Kim Thoa  Các dụng cụ ghi nhận đối Khoa Địa Lý tượng quan sát  Các ‘photographs’ là viễn Trường ĐH Khoa học Xã Hội và Nhân văn TP HCM thám? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản I. Một số khái niệm cơ bản 2. Thế nào là ảnh viễn thám?  Là ảnh của các đối tượng trên bề mặt trái đất được  VT là 1 môn khoa học thu thập ghi nhận từ vệ tinh hay các thiết bị bay chụp khác. các thông tin về các đối tượng trên bề mặt trái đất thông qua các thiết bị quan sát từ xa.  VT là 1 môn khoa học thu thập các thông tin về các đối tượng từ một khoảng cách nào đó mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể đó. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản I. Một số khái niệm cơ bản 3. Năng lượng sóng điện từ 3. Năng lượng sóng điện từ  Nguồn năng lượng mà nó lan truyền dựa trên các dao động  Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo của trường điện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật kiểu hình sin với tốc độ gần bằng với tốc độ ánh sáng. chất  Sóng điện từ được mô tả qua 3 khái niệm: bước sóng, tần số và tốc độ lan truyền. C =  .    : tần số dao động của ánh sáng (frequency- Hz) C = . : bước sóng của sóng điện từ (m) C: tốc độ lan truyền = tốc độ ánh sáng (Velocity of light-m/s) C=299.793 km/s (trong môi trường chân không) Đối với mục đích ứng dụng C= 3.108 m/s = tốc độ ánh sáng Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 1
2. 9/28/2013 I. Một số khái niệm cơ bản I. Một số khái niệm cơ bản 3. Năng lượng sóng điện từ  Tất cả sóng điện từ được truyền đi với cùng 1 tốc độ. Khi tương tác với các vật chất khác nhau, sóng điện từ sẽ biến đổi tính chất thể hiện qua nguồn bức xạ tới (incident radiation) Low Frequency High Frequency Low Energy High Energy  Phương pháp viễn thám đo đạc và ghi nhận những thay Unit Cycles per second Unit Distance đổi này dưới dạng ảnh (photographs hoặc images) => Nhà Hertz (Hz) 1 Kilometer (Km) 1000 m phân tích rút trích thông tin. Kilohertz (KHz) 103 Milimeter (mm) 0.001 m = 10 –3 m 6 –6 Megahertz (MHz) 10 Micrometer (m) 10 m  Ba loại năng lượng sóng điện từ cơ bản: (1) năng lượng tự 9 –9 Gigahertz (GHz) 10 Nanometer (nm) 10 m nhiên, (2) năng lượng từ vệ tinh, (3) bức xạ nhiệt của vật 12 o –10 Terahertz 10 Angstrom (A ) 10 m thể. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản I. Một số khái niệm cơ bản 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS) 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS)  Đây là bảng phân loại biến thiên của năng lượng điện từ • Infrared: 0.7 to 1000 µm trong dãi bước sóng từ mét đến nanomet (nm) truyền tới với - Near Infrared (NIR): tốc độ ánh sáng đi qua chân không. 0.7 to 1.5 µm. - Short Wavelength Infrared • X-Rays and Gamma Rays (SWIR): 1.5 to 3 µm. • Ultraviolet: 3 to 400 nm - Mid Wavelength Infrared • Visible Light: (MWIR): 3 to 8 µm. Red: 610 - 700 nm - Long Wanelength Infrared Orange: 590 - 610 nm (LWIR): 8 to 15 µm. Yellow: 570 - 590 nm - Far Infrared (FIR): Green: 500 - 570 nm longer than 15 µm. Blue: 450 - 500 nm Indigo: 430 - 450 nm Violet: 400 - 430 nm Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS) 4. Phổ điện từ - Electro-Magnatic Spectrum (EMS) • Microwaves: 1 mm to 1 m - P band: 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm) - L band: 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) - S band: 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) - C band: 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) -X band: 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) - Ku band: 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) - K band: 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) -Ka band: 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm) • Radio: 10 cm to 10 km Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 2
3. 9/28/2013 I. Một số khái niệm cơ bản I. Một số khái niệm cơ bản 5- Con mắt điện tử - Detector - Có 2 loại bộ cảm biến điện từ (bộ cảm) - Thiết bị dùng để ghi nhận sóng phản xạ hay bức xạ của vật thể lên các kênh phổ nhất định. Passive (thụ động) 6- Bộ cảm biến điện từ- sensor Sensors ghi nhận hình ảnh - Thiết bị chứa các con mắt các đối tượng dựa vào nguồn điện tử, dùng để ghi nhận sóng năng lượng bên ngoài phản xạ hay bức xạ của vật thể Active (Chủ động) lên các kênh phổ nhất định. Vd: MSS, TM, HRV Sensor ghi nhận hình ảnh các đối tượng dựa vào chính nguồn - Một sensor có thể chứa từ năng lượng thiết bị này phát ra một đến hàng ngàn con mắt điện tử. Vd: Radar Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản I. Một số khái niệm cơ bản 7- Vật mang- Flatform 8- Ảnh viễn thám- imageries/ photographs - Phương tiện dùng để chuyên chở các bộ cảm biến điện từ. - Ảnh được ghi nhận từ các sensors Analogue: ảnh được lưu trên giấy hoặc phim - Camera Spaceborne - Satellite Airborne - Shuttle - Aeroplane Digital - Helicopter - Sensor - Hot air balloon Ground-based - Camera - Air ship - Hand-held - Video - Tethered balloon - Raised platform - Radar - LiDAR Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I. Một số khái niệm cơ bản I. Một số khái niệm cơ bản 10- Trường nhìn -FOV 9- Trường nhìn tức thời - IFOV - FOV- Field of view: Góc không gian bao gồm toàn bộ các góc IFOV- Instantaneous Field of view: nhìn của IFOV nằm trên 1 đường quét của 1 ảnh viễn thám - Góc không gian tương ứng với 1 đơn vị chia mẫu trên mặt đất (pixel) hoặc. - Giá trị của pixel tương ứng với lượng thông tin ghi được trong góc nhìn đó. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 3
4. 9/28/2013 I. Một số khái niệm cơ bản III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám  Trong nguyên tắc vận hành của viễn thám, để có Viewed numerically as Digital Numbers (DNs) được bức ảnh viễn thám, cần quan tâm 3 vấn đề 59 88 132 128 134 135 sau: Satellite 12 14 56 124 118 128 path 5 8 15 25 78 112 1- Đối tượng quan sát 5 7 7 12 18 45 Picture (objects) element Image ‘Raster’ grid or ‘pixel’ data set 2- Thiết bị ghi nhận (sensors) Field of view 3- Vật truyền tải thông tin (information carrier) Ground track (imaged area) Viewed graphically as image Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám User Sun Sensor - Trình tự của nguyên tắc vận hành viễn thám như sau: 1- Sự hiện diện của nguồn năng lượng điện từ 2- Sự lan truyền nguồn năng lượng điện từ đến bầu khí quyển Incoming Atmospheric solar distortion 3- Sự tương tác giữa sóng điện từ với bề mặt trái đất Received Data radiation radiation supply 4- Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ bề mặt trái đất đến sensor Data 5- Các sensors ghi nhận dữ liệu download 6- Dữ liệu được truyền về trạm mặt đất và ghi vào băng từ Scattered Reflected 7- Phân tích, xử lý dữ liệu radiation radiation Ground receiving station 8- Ứng dụng Absorbed/transmi tted radiation Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 1- Sự tương tác giữa sóng điện từ với bầu khí quyển: Tán xạ Sóng điện từ (Scattering) Phần tử khí -Vật thể kích Bầu khí quyển thước lớn -Phần tử khí: Nitơ, oxy, Trong suốt carbon, Argon, hơi nước Atmospheric Hấp thụ - Các vật thể khác: bụi, windows (absorption) sương mù, đất, mãnh vỡ Lan truyền (transmission) Viễn thám đại cương Bề mặt trái đất GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 4
5. 9/28/2013 III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 2- Sự tương tác giữa sóng điện tới bề mặt trái đất: (lan truyền) (phản chiếu) Phản xạ (Reflectance) Tán xạ Bức xạ (Scattering) (Emission) (tán xạ/ khuếch tán) (hấp thu) Hấp thụ (absorption) Lan truyền (transmission) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 3- Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ trái đất đến sensor 3- Sự lan truyền năng lượng phản xạ từ trái đất đến sensor - Thông tin viễn thám về các vật thể trên bề mặt trái đất được hệ thống sensor ghi nhận dựa vào sóng phản xạ - Cường độ sóng điện từ phản xạ từ các vật thể đến các hay bức xạ phát ra từ chính vật thể đó. sensor phụ thuộc vào nhiều yếu tố: + Tính vật lý của vật thể + Địa hình ghồ ghề hay bằng phẳng + Góc tới của sóng điện từ + Độ dài của bước sóng - Do những khác biệt trên, phổ phản xạ của mỗi đối tượng sẽ khác nhau. Dựa vào sự khác biệt này, ta có thể nhận diện ra chúng. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Near infrared - Ảnh vệ tinh có nhiều kênh phổ Concrete - Bức xạ của 1 đối tượng sẽ khác ‘High’ reflectance nhau trên từng kênh phổ ‘Light’ appearance - Mỗi kênh phổ được xem là 1 lớp dữ liệu Green Red Water ‘Low’ reflectance ‘Dark’ appearance Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 5
6. 9/28/2013 III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Ảnh chụp vùng nhìn thấy (màu thật) Ảnh chụp vùng cận hồng ngoại (màu giả) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Sơ đồ phản xạ phổ của một số đối tượng - Sơ đồ phản xạ phổ của một số đối tượng - Nước sạch: max 4% - Nước dơ: max 4,5 % - Đất trống: 5 – 20% - Thực vật: 1- 4% - 50% 2- 1% - 90% Phản xạ phổ của 5 loại thực phủ Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Phaûn xaï phoå öùng vôùi töøng loaïi lôùp phuû maët ñaát - Sơ đồ phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 6
7. 9/28/2013 III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Sự đồ phản xạ phổ của cây tùng bách và cây rụng lá Bê tông Đá cuội Đất khô Nhựa đường Sỏi Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám Aûnh chuïp trong vuøng nhìn thaáy: 0.4 - 0.7 um Aûnh chuïp trong vuøng caän hoàng ngoïai: 0.7 - 0.9 um Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám - Thực tế, sơ đồ phản xạ phổ của từng đối tượng ngoài sự ảnh hưởng của bầu khí quyển, còn chịu ảnh hưởng của 2 yếu tố sau: + Ảnh hưởng không gian (spatial effect): • Cùng 1 đối tượng trong cùng 1 thời điểm nhưng vị trí khác nhau có thể sẽ có phổ phản xạ khác nhau. • Nguyên nhân? + Ảnh hưởng thời gian (temporal effect): • Sự thay đổi đặc tính của đối tượng theo thời gian • VD: theo mùa, chu kỳ tăng trưởng Aûnh chuïp trong vuøng caän hoàng ngoïai: 0.7 - 0.9 um Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 7
8. 9/28/2013 III- Nguyên tắc vận hành trong viễn thám 4- Sensor (bộ cảm biến) ghi nhận dữ liệu - Sensor ghi nhận năng lượng phản xạ của các vật thể dưới dạng các tín hiệu (signal). - Các tín hiệu này được mã hóa thành dữ liệu dạng số, băng từ hay trên phim. - Việc ghi nhận này được tiến hành qua 3 giai đoạn: thám sát (detection), ghi nhận (record) và mã hóa (interpretation) Thank you! Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 8