Bài giảng Tổng quan về kỹ thuật viễn thám

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM 1. Kh¸i niƯm c¬ b¶nViễn thám - Remote Sensing được định nghĩa như một khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đối tượng (vật thể) mà không có những tiếp xúc trực tiếp với chúng 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 cần phải đo lường và phân tích trong viễn thám. Sensor chđ ®éngChđ ®éng t¹o ra nguån n¨ng l­ỵng - Sãng Rada (Radio) - Tia Lade (Lazer) Sensor thơ ®éngGhi l¹i c¸c n¨ng l­ỵng ph¶n x¹ tõ mỈt trêi, bức xạ từ mỈt ®ÊtVƯ tinh viƠn th¸m bao gåm:VƯ tinh (vËt mang)ThiÕt bÞ thu ¶nh, Bộ cảm biến (Sensor) §Ỉc tr­ng kü thuËt cđa ¶nh viƠn th¸m bao gåm: ®Ỉc tr­ng KT cđa vƯ tinh vµ ®Ỉc tr­ng KT cđa thiÕt bÞ thu ¶nhSensor thơ ®éng vµ chđ ®éng(Passive vs. Active Sensors)Passive SensorActive SensorViƠn th¸m thơ ®éng(quang häc)ViƠn th¸m chđ ®éng (ra®a)Lo¹i thiÕt bÞ chơp ¶nhC¸c Sensor cđa ENVISATASAR [Advanced Synthetic Aperture Radar]MERIS [Medium Resolution Imaging Spectrometer]GOMOS [Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars]MIPAS [Michelson Interferometric Passive Atmospheric Sounder]RA-2 [Radar Altimeter 2]MWR [Microwave Radiometer]LRR [Laser Retro Reflector]Announcement of Opportunity InstrumentsAATSR [Advanced Along Track Scanning Radiometer]SCIAMACHY [Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography]DORIS [Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite]MIPASMERISGOMOSRA-2 AntennaLRRASARAntennaX-bandAntennaKa-bandAntennaDORISMWRSCIAMACHYAATSRBøc x¹ ®iƯn tõ-  = C /  ( C= 299.793 km/s)- §Ỉc tr­ng ®iƯn tr­êng : ChiỊu dµi sãng vµ tÇn sè- §¬n vÞ chiỊu dµi sãng:1 Micromet (m) = 10-6 m; 1 Nanomet (nm) = 10-9 mNăng lượng E = h  (h là hằng số Plank) Phỉ ®iƯn tõ (Electromagnetic Spectrum)øng dơng :Tia Gamma & X :Y tÕ & H¹t nhËnTia tÝm :Thiªn v¨n,nghiªn cøu OzoneVïng nh×n thÊy :Cho c¸c ph©n tÝch b»ng m¾tHång ngo¹i :Ph©n biƯt th¶m thùc vËtNhiƯt :Lưa ch¸y,nhiƯt ®é mỈt n­ícSãng ng¾n :MỈt ®Êt, mỈt n­ícTV/Radio :Radio, TruyỊn thanh ...Figure Source: ïng nh×n thÊyViolet: 0.4 - 0.446 µmBlue: 0.446 - 0.500 µmGreen: 0.500 - 0.578 µmYellow: 0.578 - 0.592 µmOrange: 0.592 - 0.620 µmRed: 0.620 - 0.7 µmPhản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất Sù tư­¬ng t¸c cđa khÝ quyĨn ®èi víi ¸nh s¸ngSù hÊp thơ bëi khÝ quyĨn lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn sù suy gi¶m n¨ng l­ỵng cđa ¸nh s¸ng.HÊp thơ n¨ng l­ỵng x¶y ra kh¸c nhau ®èi víi mét b­íc sãng nhÊt ®Þnh (hiƯn t­ỵng hÊp thơ cđa n¨ng l­ỵng mỈt trêi cđa khÝ quyĨn lµ h¬i n­íc, khÝ Cacbonic vµ khÝ Ozon) Cưa sỉ khÝ quyĨnTrong d¶i phỉ, d¶i sãng mµ ë ®ã n¨ng l­ỵng ®­ỵc truyỊn qua nhiỊu nhÊt th× gäi lµ c¸c cưa sỉ khÝ quyĨn (atmospheric windows). Trong c¸c cưa sỉ khÝ quyĨn th× d¶i nh×n thÊy lµ vïng réng nhÊt vµ n¨ng l­ỵng cđa ¸nh s¸ng ®­ỵc truyỊn qua cịng m¹nh nhÊtẢnh quang học: nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trờiẢnh nhiệt: nguồn năng lượng chính là bức xạ nhiệt của các vật thểẢnh Radar: sóng radar phản xạ từ các vật thể theo những bước sóng đã xác định. Tương t¸c cđa ®iƯn tõ tíi c¸c ®èi t­ưỵngKhi n¨ng l­ỵng ®iƯn tõ truyỊn ®Õn c¸c ®èi t­ỵng sÏ x¶y ra c¸c tr­êng hỵp nh­ sau:absorption (A): HÊp thơ n¨ng l­ỵngtransmission (T): TruyỊn qua (xuyªn qua)reflection (R): Ph¶n x¹ n¨ng l­ỵngN¨ng l­ỵng phỉ ph¶n x¹ th­êng ®­ỵc dïng ®Ĩ tÝnh sù c©n b»ng n¨ng l­ỵng: E R() = E I() - [ E A() – E T() ] ER - n¨ng l­ỵng ph¶n x¹ EI - n¨ng l­ỵng r¬i xuèng EA - n¨ng l­ỵng hÊp thơ ET - n¨ng l­ỵng truyỊn quaN¨ng l­ỵng phỉ ph¶n x¹ lµ rÊt quan träng vµ ViƠn th¸m nghiªn cøu sù kh¸c nhau ®ã ®Ĩ ph©n biƯt c¸c ®èi t­ỵng. Diffuse reflectionph¶n x¹ hçn lo¹nSpecular reflection: ph¶n x¹ g­¬ngTrong tù nhiªn cã c¸c tr¹ng th¸i ph¶n x¹ n¨ng l­ỵng ¸nh s¸ng th«ng th­êng liªn quan ®Õn ®Ỉc ®iĨm ®é nh¸m bỊ mỈt cđa ®èi t­ỵngPh¶n x¹ toµn phÇn hay ph¶n x¹ g­¬ng, lµ ph¶n x¹ cđa ®èi t­ỵng bỊ mỈt nh½n nh­ g­¬ng. Khi ®ã gãc tíi b»ng gãc ph¶n x¹.Sù t¸n x¹ hay ph¶n x¹ hçn lo¹n, ng­ỵc l¹i víi ph¶n x¹ g­¬ng, lµ hiƯn t­ỵng bỊ mỈt ®èi t­ỵng cã sù ph¶n x¹ ®Ịu theo mäi h­íngHÇu hÕt c¸c ®èi t­ỵng trªn mỈt ®Êt ®Ịu kh«ng cã sù ph¶n x¹ g­¬ng hay t¸n x¹ tuyƯt ®èi. Mét bỊ mỈt cã thĨ lµ ph¶n x¹ g­¬ng ®èi víi mét sãng cã b­íc sãng dµi (sãng Radio), song l¹i lµ bỊ mỈt t¸n x¹ ®èi víi mét sãng cã b­íc sãng ng¾n h¬n.HƯ thèng ViƠn th¸mC¸c thµnh phÇn c¬ b¶n cđa HƯ thèng viƠn th¸m1 - VƯ tinh quan s¸t Tr¸i ®Êt2 - Tr¹m thu ¶nh vƯ tinh 3 - Trung t©m xư lý khai th¸c th«ng tin viƠn th¸mQuü ®¹o vƯ tinh VƯ tinh tµi nguyªnVƯ tinh ®Þa tÜnh¶nh vƯ tinh ®Þa tÜnhVƯ tinh viƠn th¸m quang häc SPOT - Ph¸p Landsat - mü VƯ tinh SPOT 5VƯ tinh viƠn th¸m radar  VƯ tinh RADARSAT canadaC¸c d¶i quÐt cđa vƯ tinhChu kú quÐt l¹i: Chu kú thêi gian ng¾n nhÊt gi÷a hai ¶nh cđa cïng mét diƯn tÝch.Phơ thuéc vµo:Lo¹i vƯ tinh (§Þa tÜnh/QuÜ ®¹o)§é cao bay cđa vƯ tinhChiỊu réng cđa gi¶i quÐt Kh¶ n¨ng quay cđa sensor ®èivíi mçi ®iĨm trªn mỈt ®Êt. VÝ dơ:Landsat 1,2, & 3 18 NgµyLandsat 4,5, & 7 16 NgµySPOT 26 NgµyNOAA-AVHRR 12 Giê© CCRS 1997Trung t©m xư lý khai th¸c th«ng tin viƠn th¸mBao gåm 4 chøc n¨ng chđ yÕusau:PreprocessingImage EnhancementImage TransformationImage Classification and AnalysisThu nhËn vµ ph©n tÝch t­ liƯu ViƠn th¸m N¨ng l­ỵng ®iƯn tõ cđa ¸nh s¸ng sau khi truyỊn qua c¸c cưa sỉkhÝ quyĨn t­¬ng t¸c víi c¸c ®èi t­ỵng trªn bỊ mỈt Tr¸i ®Êt vµ ph¶nx¹ l¹i ®Ĩ c¸c thiÕt bÞ thu cđa viƠn th¸m cã thĨ ghi nhËn c¸c tÝn hiƯu®ã ®­ỵc thùc hiƯn qua 3 c«ng ®o¹n chÝnh:Ph¸t hiƯn (detection): viƯc ph¸t hiƯn c¸c th«ng tin lµ b­íc quan träng. Ph¸t hiƯn vỊ d¶i sãng, vỊ c­êng ®é vµ tÝnh chÊt kh¸c cđa nguån n¨ng l­ỵng ®iƯn tõ.Ghi tÝn hiƯu: c¸c tÝn hiƯu ph¸t hiƯn ®­ỵc cã thĨ ghi d­íi d¹ng h×nh ¶nh hoỈc c¸c tÝn hiƯu ®iƯn tõ.Ph©n tÝch c¸c tÝn hiƯu phỉ cã thĨ thùc hiƯn ®­ỵc b»ng 2 ph­¬ng thøc: ph©n tÝch b»ng m¾t vµ xư lý sè b»ng m¸y tÝnh.Kh¸i qu¸t vỊ vƯ tinh kh¶o s¸t tµi nguyªn thiªn nhiªnGiíi thiƯu mét vµi hƯ thèng vƯ tinh kh¶o s¸t tµi nguyªn thiªn nhiªn:NOAA- AVHRRLandsatMSSTMETM+ (7)SPOT Resurs - 01RadarERS-1JERSSIR-CRadarSatSatellites ®a hƯ thèngSeaWiFSTOPEX/PoseidonMét sè vƯ tinh ph©n dai cao(0,8-1m):EROS A1, IKONOS... Độ rộng đường quét: 2230km Độ cao bay: 705 km Độ phân giải bức xạ: 12bits Chu kỳ lặp: 1ngày Độ phân giải không gian: 250m (kênh 1và 2), 500m (kênh3-7), 1000m (kênh 8-36)NOAA AVHRR Ph©n gi¶i phỉ (µm):0.58 - 0.680.725 - 1.103.55 - 3.9310.3 - 11.311.5 - 12.0 Spatial resolution:Toµn cÇu: 4.4 km Khu vùc : 1.1 km(Bao trïm Mü & mét sè khu vùc kh¸c cđa tr¸i ®Êt) Ph©n gi¶i chu kú:2 lÇn trong 1 ngµyAVHRR NDVI image Độ rộng đường quét: 2399km Độ cao bay: 833 km Độ phân giải bức xạ: 10bits Chu kỳ lặp: 1 ngày Độ phân giải không gian: 1,1KmC¸c thÕ hƯ Landsat tõ 1972:VƯ tinh Ho¹t ®éng SensorsLandsat 1 '72 - '78 MSSLandsat 2 '75 - '82 MSSLandsat 3 '78 - '83 MSSLandsat 4 '82 - '87 MSSLandsat 5 '85 - ®Õn nay MSS*, TMLandsat 6 '93(MÊt qịi ®¹o) MSS, TMLandsat 7 '99 - ®Õn nay ETM+Ph©n gi¶i kh«ng gian: 15-129 m, (Tuú théc vµo vƯ tinh & kªnh phỉ)Chu kú lỈp l¹Þ: 16 daysKÝch th­íc ¶nh: 185 x 172 kmChiỊu réng gi¶i quÐt: 185 kmC¸c thÕ hƯ Landsat C¸c kªnh phỉ cđa Landsat TM Kªnh phỉ Ph©n gi¶i Ph©n gi¶i kh«ng gian 1 0.45 - 0.53 (xanh) 30m2 0.52 - 0.60 (l¸ c©y) 30m 3 0.63 - 0.69 (®á) 30m 4 0.76 - 0.90 (hång ngo¹i gÇn) 30m 5 1.55 - 1.75 (hång ngo¹i trung) 30m 6 10.40 - 12.50 (nhiƯt) 120m 7 2.08 - 2.35 (hång ngo¹i trung) 30m C¸c kªnh (nm) 500 - 590 (Green)610 - 680 (Red)790 - 890 (Infra red)Kh«ng gian: 20 x 20 mKªnh Pan: 510 - 730Kh«ng gian:10 x 10 m KÝch th­íc vïng quÐt: 60 kmSo víi Landsat TMNh­ỵc ®iĨm: Kªnh phỉ Ýt h¬nChu kú lỈp l¹i lín (26 ngµy)¦u ®iĨm:Ph©n gi¶i kh«ng gian caoT¹o ¶nh lËp thĨ (nỉi)SPOT 1, 2, 3VƯ tinh quÜ ®¹o SPOT C¸c thÕ hƯ vƯ tinh SPOTHo¹t ®éng cđa hƯ thèng vƯ tinh SPOT§Ỉc ®iĨm cđa hƯ thèng vƯ tinh SPOTQuÜ ®¹o + QuÜ ®¹o cËn cùc, nghiªng so víi mỈt ph¼ng quÜ ®¹o ~98.8o , cho phÐp chơp ¶nh ®­ỵc bÊt kú vÞ trÝ nµo trªn tr¸i ®Êt. + QuÜ ®¹o ®ång bé mỈt trêi, thêi gian vƯ tinh bay qua theo giê ®Þa ph­¬ng lµ gÇn nh­ nhau (qua xÝch ®¹o lĩc 10h:30 cho phÐp chơp ¶nh mäi n¬i víi ®é chãi cđa mỈt trêi gÇn nh­ nhau. + Chu kú lỈp l¹i lµ 26 ngµy sau khi ®· bay vßng quanh tr¸i ®Êt ®­ỵc 369 lÇn.D¶i bay cđa vƯ tinh SPOT Kh¶ n¨ng chơp lỈp l¹i cđa vƯ tinh SPOTMét sè ®Ỉc ®iĨm cđa vƯ tinh SPOT 5Khèi l­ỵng : 3000 kgThêi gian dù tÝnh sư dơng : 5 n¨mKÝch th­íc: 3.1x3.1x5.7mTªn lưa phãng : Ariane 4§é cao quÜ ®¹o: 822 kmKh¶ n¨ng l­u tr÷ d÷ liƯu: 90 Gbit bé nhí cøng ~ 550 ¶nhTèc ®é truyỊn d÷ liƯu: 2x50 Mb/gi©y§é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ 50 m (kh«ng cã ®iĨm khèng chÕ) ¶nh SPOT 5 ®a phỉ 10m- tỉ hỵp mµu gi¶ ¶nh SPOT 5 toµn s¾c 2,5m ¶nh SPOT 5 tỉ hỵp mµu tù nhiªnS©n bay Néi Bµi- ¶nh SPOT5 2,5m mµu tù nhiªnB×nh ®å ¶nh SPOT 5 mµu tù nhiªnLANDSAT 7 Độ rộng đường quét: 185km Độ cao bay: 705 km Độ phân giải bức xạ: 9bits Chu kỳ lặp: 16 ngày Độ phân giải không gian: 15m (kênh 8), 30m (kênh 1-5 và kênh 7), 60m (kênh 6) Thời điểm bay qua xích đạo: 10:00 AM ±15phút B¶n ®å ¶nh Landsat 7 ETM Độ rộng đường quét: 60km Độ cao bay: 700-737 km Độ phân giải bức xạ: 8bits (kênh 1-9) - 12bits (kênh 10-14) Chu kỳ lặp: 16 ngày Độ phân giải không gian: 15m (kênh1- 9), 90m (kênh 10-14) Thời điểm bay qua xích đạo: 10:30 AM ±15phút VƯ tinh ph©n gi¶i siªu cao IKONOS¶nh Landsat-ETMKhu vùc Ninh B×nh ¶nh HR IKONOSKhu vùc qu¶ng tr­êng Ba §×nh¶nh HR IKONOS s©n bay Washington