Bài giảng Viễn thám đại dương - Chương 3: Các loại bộ cảm biến điện từ và hệ thống tạo ảnh viễn thám - Lê Thị Kim Thoa

Nội dung text: Bài giảng Viễn thám đại dương - Chương 3: Các loại bộ cảm biến điện từ và hệ thống tạo ảnh viễn thám - Lê Thị Kim Thoa

1. 11/1/2013 I- Các loại bộ cảm trong viễn thám Chương III: 1- Xét về nguồn năng lượng: CÁC LOẠI BỘ CẢM BiẾN Bộ cảm cĩ 2 loại: - bị động (passive) - chủ động (active) ĐiỆN TỪ VÀ HỆ THỐNG TẠO ẢNH VIỄN THÁM GVGD: TS. Lê Thị Kim Thoa Khoa Địa Lý Trường ĐH Khoa học Xã Hội và Nhân văn TP HCM Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor): 1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor): - Ghi nhận sĩng phản xạ của Hoặc vật thể khi cĩ nguồn năng - Ghi nhận sĩng bức xạ phát ra lượng tự nhiên từ chính vật thể đĩ. => Khi nguồn năng lượng tự - Mỗi vật thể thường cĩ nguồn nhiên khơng cịn, bộ cảm ghi bức xạ nhiệt riêng, tồn tại trong nhận các đối tượng trên bề mặt thành phần cấu tạo của chúng. trái đất ntn? => Vào ban đêm, thiết bị ghi nhận này sẽ khơng ghi => Bộ cảm thụ động cĩ thể ghi nhận bức xạ nhiệt nhận được hình ảnh? của các vật thể này cả ban ngày lẫn đêm? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor): 1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor): - Ưu khuyết điểm? - Bộ cảm phát ra nguồn năng + Lệ thuộc vào nguồn năng lượng tự lượng điện từ đến các vật thể nhiên. quan tâm. + Bộ cảm này hoạt động kém tại - Khi chùm tia năng lượng này những vùng ở gần vĩ độ cực. tới các vật thể thì nĩ phản xạ về + Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết thiết bị ghi nhận - Các vệ tinh mang các bộ cảm thụ => Ưu khuyết điểm của bộ cảm động: Landsat, SPOT, IRS . chủ động? Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 1
2. 11/1/2013 I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor): 1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor): + Ưu khuyết điểm: - SLR (Side Looking Radar) - SLAR (Side Looking Airborne Radar) - Ghi nhận cả ngày lẫn đêm, hay tất cả các mùa trong năm, ngay - Ứng dụng bộ cảm radar cả điều kiện thời tiết xấu. + Thám sát bề mặt đại dương: xác định sĩng, giĩ, điều kiện băng tuyết, đáy đại dương - Cĩ thể bổ sung nguồn thơng tin đối tượng quan tâm trong + Lập bản đồ địa chất thời điểm bộ cảm thụ động + Thăm dị quặng mỏ khơng cung cấp được. + Lập bản đồ ngập lũ - Cần cĩ nguồn năng lượng lớn đủ sức thay thế + Bản đồ mưa, độ ẩm nguồn năng lượng tự nhiên Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2- Xét về bước sĩng của phổ điện từ: Bão Juan trước Bộ cảm được chia thành 3 loại: khi đổ bộ vào đất liền vùng - Bộ cảm quang học :cận cực tím,nhìn thấy, gần Harifax, Canada hồng ngọai ngày 29/9/2003 - Bộ cảm nhiệt: phổ sĩng hồng ngọai giữa - Bộ cảm radar : phổ sĩng microwave Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.1. Bộ cảm quang học 2.1. Bộ cảm quang học - Các vật thể khi tiếp xúc với năng lượng sĩng điện từ sẽ - Các sĩng phản xạ của vật thể hầu như chỉ diễn ra trong phát ra nguồn năng lượng phản xạ ở vùng phổ cực cực tím, vùng cận cực tím, nhìn thấy và gần hồng ngoại (0,25 – 3µm) nhìn thấy và gần hồng ngọai. Nguồn năng lượng này được bộ cảm viễn thám quang học ghi nhận. Bộ cảm Spectrum of light UV quang học Bộ cảm quang học Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 2
3. 11/1/2013 I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám - Vùng tia cực tím – Ultraviolet (UV) - Vùng nhìn thấy (thị phổ) - Vùng phổ cĩ bước sĩng ngắn nhất nằm ngay sau vùng nhìn thấy - Một vài đối tượng trên trái đất: đá hay các khống vật được các thiết bị viễn thám ghi nhận trong vùng cận cực tím. - UV-A (315 - 400 nm): hấp thụ ít khi qua tầng ozone - UV-B (280 - 315 nm): hấp thụ mạnh khi qua tầng ozone => Cĩ hại cho da và mắt. - UV-C (100 - 280 nm): hấp thụ hồn tồn khi qua tầng ozone => khơng tới được trái đất. Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám - Một số bộ cảm quang học - Vùng hồng ngoại Sattlite Sensors Bands - Trong vùng hồng ngoại, bộ cảm quang học Landsat RBV – Return Bean Vidicon (80m) 1: 0.45 – 0.52 μm(TM) chỉ ghi nhận được phản xạ của vật thể ở vùng 185x185 km MSS – Multi-Spectral Scanner (79) 2: 0.52 – 0.60 μm hồng ngoại phản xạ (0,7 – 3µm) TM – Thematic Mapper (30m) 3: 0.63 – 0.69 μm ETM –Enhanced Thematic 4: 0.76 – 0.90 μm Mapper (15m) 5: 1.55 – 1.75 μm 6: 10.40 – 12.50 μm 7: 2.08 – 2.35 μm NOAA VHRR -Very High Resolution (AVHRR) 2700x2700km Radiometer 1: 0.58 – 0.68 μm Res: 1km AVHRR- Advanced Very High 2: 0.72 – 1.10 μm Resolution Radiometer 3: 3.55 – 3.93 μm 0,7 3 um 1000 um SARSAT -Search and Rescue 4: 10.50 – 11.50 μm Reflected IR Thermal IR Satellite-Aid Tracking 5: 11.50– 12.50 μm Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám - Một số bộ cảm quang học - Một số bộ cảm quang học Sattlite Sensors Bands Sattlite Sensors Bands SPOT HRV- High resolution visible Pan:0,51 – 0,73µm Quickbird Pan: 0,61 m Pan : 450 - 900 nm 60x 60km (10/20m) Mul Spectral: (Oct/2001) Mul: 2,44 m Mul : 450 - 520 nm HRVIR- High Resolution Visible 0,5-0,59µm 18 x 18 km 520 - 600 nm Infrared 630 - 690 nm HRG - High Resolution 0,61 – 0,68m 760 -900 nm Geometric (5/10m -> 2,5m) 0,79 – 0,89µm OrbView Pan: 1m Pan: 0,45 – 0,9µm IKONOS Pan: 1m Pan: 0,45 – 0,9µm (Apr 1995) Mul: 4 m Mul: 0.45-0.52 (blue) 11x11 km Mul: 4 m Mul: 0,45 – 0,52µm (8x8km) 0.52-0.60 (green) (Sep 1999) 0,51 – 0,60 µm 0.625-0.695 (red) 0,63 – 0,7 µm 0.76-0.90 (NIR) 0,76 – 0,85 µm Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 3
4. 11/1/2013 I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.2. Bộ cảm nhiệt: 2.2. Bộ cảm nhiệt: - Bộ cảm ghi nhận tín hiệu các vật thể bằng nguồn năng lượng bức xạ do chính vật thể phát ra trong vùng hồng ngọai giữa và xa. 3 µm 1000 µm Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.2. Bộ cảm nhiệt: 2.2. Bộ cảm nhiệt: Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám - Một số sensor tạo ảnh nhiệt 2.2. Bộ cảm nhiệt: Images Sensor Resolution TERRA ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) TIR (thermal infrared) 90 m 10- 8.125 - 8.475 m 11- 8.475 - 8.825 m 12- 8.925 - 9.275 m 13- 10.25 - 10.95 m 14- 10.95 - 11.65 m Landsat TM - 10.40 -12.50 m 120m ETM+ 60m RESURS-01-4 MSU-SK 520m(AlT) Soviet Union 10.40 - 12.60 680m (AcT) CBERS-1 IR-MSS 160m (China-Brazil) 10.40 -12.50 NOAA AVHRR- Advanced Very High 1100m (National Oceanic & Resolution Radiometer Atmospheric 10.30-11.30 Addministration) 11.50 – 12.50 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 4
5. 11/1/2013 I- Các loại bộ cảm trong viễn thám I- Các loại bộ cảm trong viễn thám 2.3. Bộ cảm radar - Radar là hệ thống viễn thám chủ động - Bộ cảm radar phát ra xung điện - Hệ thống này phát ra xung năng lượng tới địa từ ở bước sĩng microwave theo hình và ghi nhận xung trở về từ địa hình. hướng quan tâm và ghi nhận - Các đối tượng được nhận diện trên ảnh radar cường độ của xung phản hồi từ căn cứ vào cấu trúc cơ bản của chúng. Radar các đối tượng. + Bề mặt ghồ ghề: năng lượng trở về nhiều - Vùng họat động của bộ cảm Some return + Bề mặt nhẵn: năng lượng trở về ít radar cĩ bước sĩng từ 1mm - 1 m. Emitted microwaves Scattered - Xung phát ra cĩ thể xuyên microwaves qua mây, mưa nhẹ, sương mù, Little/ tuyết, khĩi và vỏ thạch quyển no return - Họat động cả ngày lẫn đêm Forest Water ‘rough’ surface Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa ‘smooth’ surface I- Các loại bộ cảm trong viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Một số sensor tạo ảnh radar Cĩ 2 hệ thống tạo ảnh viễn thám Satellite Mission Spatial resolution 1- Hệ thống chụp ảnh khung Almaz Almaz - 1 10-15 m ( S band) (Soviet Union) Almaz – 1B 5-7m ( X band) 1.1. Hệ thống chụp ảnh phim (ảnh tương tự - giấy) 15-40m (S band) 1.2. Hê thống chụp ảnh băng từ (ảnh raster - ảnh số) 20-40m (P band) 2- Hệ thống quét ảnh đa phổ Seasat-1 25m SIR SIR-A 40m 2.1. Hệ thống quét ảnh quang học (Shuttle Imaging SIR-B 25m/15-45m 2.2. Hệ thống quét ảnh nhiệt Radar) SIR-C 25m/ 15-45m Radarsat Radarsat-1 8-100 m 2.3. Hệ thống quét ảnh siêu cao tần/radar Radarsat - 2 3-100 m Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám 1- Hệ thống chụp ảnh khung- Framing system 1.2. Hệ thống khung trên băng từ (RBV Sensor) - Thu nhận tức thời hình ảnh của 1 vùng hay tạo thành 1 - Bộ cảm Return Bean Vidicon “khung” lên địa hình. (vơ tuyến truyền hình tia ngược) - Cĩ 2 dạng hệ thống khung sử dụng camera ghi nhận tức thời hình ảnh của 1 vùng. Sau đĩ 1.1. Hệ thống chụp khung ghi chúng vào băng từ dạng trên phim (Framing system raster. films) VD: Các camera chụp phim - Bộ cảm này cĩ 1 hoặc 4 camera được thiết kế cho - Các camera chụp phim cĩ vệ tinh Landsat 1,2,3 bước sĩng từ vùng cận cực tím, nhìn thấy đến cận hồng - Các camera chụp phim hay ghi băng từ cĩ bước sĩng từ ngoại vùng cận cực tím, nhìn thấy đến cận hồng ngoại Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 5
6. 11/1/2013 II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh chụp hệ thống dạng khung cĩ 2 dạng: - VD ảnh khung đa phổ + Ảnh Panchromatic (trắng và đen): chỉ cĩ 1 sensor ghi nhận ảnh trong vùng nhìn thấy. + Ảnh Landsat RBV: cĩ 3 sensors với độ phân giải 80m ghi nhận ở vùng bước sĩng: + Ảnh đa phổ (Multispectral): cĩ nhiều sensors cĩ đặc tính giống nhau ghi nhận ảnh trong vùng RBV Sensitivity (m) Resolusion (m) nhìn thấy và cận hồng ngọai. 1 0.475 - 0.575 m 80 2 0.580 - 0.680 m 80 - VD: Ảnh IKONOS Pan: chỉ cĩ 1 sensor với độ 3 0.690 - 0.830 m 80 phân giải 1 m ghi trong vùng bước sĩng: 0.45 - 0.90µm - Ảnh SPOT HRV Pan: chỉ cĩ 1 sensor với độ phân giải 10 m ghi trong vùng bước sĩng: 0.50 - 0.73 µm và 0.48 - 0.71 µm cho 2,5 hoặc 5m Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám 2- Hệ thống quét ảnh đa phổ - scanning system - Dựa vào số lượng các kênh phổ, hệ thống tạo ảnh - Các sensor chứa các detectors quét đa phổ cĩ 3 dạng: (con mắt điện tử/ tế bào quang + Ảnh quét đa phổ (Multiple spectral): số lượng kênh phổ điện) với trường nhìn hẹp quét lên < 10. địa hình. + Ảnh quét siêu phổ (supperspectral): số lượng kênh phổ - Mỗi sensor sẽ ghi nhận hình ảnh trên 10. của 1 vùng ở bước sĩng hẹp. Kết quả, trong cùng một thời điểm, 1 + Ảnh quét siêu siêu phổ (hyperspectral imageries): cĩ vùng sẽ ghi nhận được nhiều hình số lượng kênh phổ từ 200 hơn. ảnh với các kênh phổ khác nhau. A: Rotating Mirror VD: - Landsat đa phổ: 7 kênh B: Detectors - Số lượng các kênh phổ trên hệ C: Instantaneous Field of View - sensor MODIS trên vệ tinh TERRA: 36 kênh thống quét đa phổ cĩ thể cĩ từ hàng D: Ground Resolution Cell E: Angular Field of View - sensor Hyperion ( vệ tinh EO-1): 220 kênh chục đến hàng trăm. F: Swath Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Dựa vào cách thức quét, cĩ 3 hệ thống tạo ảnh quét đa - Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ phổ + Hệ thống quét ngang (across track scanner) + Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét ngang (across track scanning- - Từng detector hoặc 1 dãi whisk broom scanning) detectors quét ngang với + Hệ thống tạo ảnh theo quét dọc đường bay. ETM+ (Along track scanning – Push GOES broom scanning) MODIS MSS + Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét TM bên sườn : Radar Whiskbroom scanner-Across track scanner Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 6
7. 11/1/2013 II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ + Hệ thống quét dọc - along track scanner: + Hệ thống quét dọc - along track scanner:  Các detectors khơng di chuyển • Hệ thống quét dọc trang bị 1 dãi các detectors quét dọc theo  Nhiều phản xạ được ghi nhận đường bay.  -> Chất lượng hình ảnh cao • Ưu điểm: • Cho phép các detectors quan sát các đối tượng trên bề mặt trong 1 khoảng thời gian lâu hơn. Along track scanner – Push broom scanner Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám + Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét bên sườn : Radar Akutan Island (October 1994 to June 1997 (L-band radar) Akutan Island (August 1993 to October 1996), (C-band radar) Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Dựa vào bước sĩng trong dãy phổ điện từ, ảnh được chụp từ hệ thống quét đa phổ cĩ 3 loại: - Ảnh quang học: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sĩng vùng cận cực tím, nhìn thấy, cận hồng ngọai (0,3 – 3m). - Ảnh nhiệt: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sĩng vùng hồng ngọai giữa ( 3m – 1000 m). - Ảnh radar: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sĩng vùng microwave (1mm-1m). Lower Manhattan as imaged by Radarsat prior to 11 Sep Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 7
8. 11/1/2013 II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh quang học - Ảnh quang học  Rất nhiều vệ tinh cung cấp ảnh quang học với nhiều độ phân giải khác nhau: Landsat, Spot, IRS, Quickbird, Ikonos, EROS (a) Dry season (b) Harvest season Landsat TM-bands 7-3-4 Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh quang học - Ảnh quang học (a) Dry season (b) Wet season (c) Harvest season Landsat ETM-bands 7-3-4 (a) Worldview 2- 0.5m Pan (b) Worldview 1- 0.5 m Pan Houston, Texas, US Yokohama, Japan Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh nhiệt - Ảnh nhiệt Example of thermal image Thermal image of lava Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 8
9. 11/1/2013 II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám - Ảnh radar - Ảnh nhiệt London, 17th Sep 1991 Kuro Shio - Honshu island-August 1991 (a) Radarsat- Mekong Delta (b) ERS radar - Bac Lieu-Soc Trang Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám Ảnh quang học Ảnh nhiệt Ảnh Radar - Bị động - Bị động - Chủ động - Cực tím, nhìn thấy, - Vùng hồng ngọai - Vùng sĩng cận hồng ngoại giữa và xa microwave - Năng lượng phản xạ - Năng lượng bức xạ - Cường độ xung của các đối tượng nhiệt của các đối phản hồi từ các đối tượng tượng - Quét ngang, dọc? Quét ngang, dọc? Quét 1 (2) bên sườn - Ảnh hưởng bởi điều - Ảnh hưởng bởi - Khơng ảnh hưởng kiện thời tiết điều kiện thời tiết bởi điều kiện thời tiết - Dạng phim, số - Dạng số - Dạng số - Độ phân giải: thấp - Độ phân giải: thấp - Độ phân giải: thấp đến siêu cao đến trung bình đến trung bình Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa 9