Chương 1 Khái niệm chung về viễn thám

1 đại học quốc gia hμ nội Tr−ờng Đại học Khoa học Tự nhiên -------*****-------- NGUYễN NGọC THạCH cơ sở viễn thám CC S Hμ Nội 8-2005 Lời nói đầu Viễn thám (Remote sensing) đang đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong nhiêu lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các khoa học về trái đất. B−ớc đầu tiên của việc ứng dụng viễn thám là phân tích bằng mắt các bức ảnh chụp bằng máy ảnh quang học phục vụ cho mục đích quân sự, dần dần cùng với sự phát triển của nhiều công nghệ và nhiều ngành khoa học khác nhau, viễn thám đã có những b−ớc phát triển v−ợt bậc với những dạng t− liệu mới và những công nghệ xử lý mới hết sức đa dạng. Viễn thám, b−ớc đầu phát triển ở một số n−ớc có nền công nghệ tiên tiến, dần dần đã trở nên một công nghệ và một ngành khoa học có tính toàn cầu phục vụ một cách hữu hiệu cho rất nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong việc nghiên cứu, quản lý tài nguyên, môi tr−ờng. Khoa học Viễn thám có 6 hợp phần cơ bản là: cơ sở vật lý của viễn thám, công nghệ thu nhận hình ảnh trong viễn thám, viễn thám trong dải phổ quang, viễn thám hồng ngoại nhiệt, viễn thám radar, các ph−ơng pháp xử lý thông tin viễn thám ( giải đoán ảnh bằng mắt và xử lý ảnh số ). Ngoài ra Viễn thám còn đ−ợc gắn chặt với công nghệ định vị toàn cầu (GPS ). Để phục vụ công tác đào tạo và tham khảo tại khoa Địa lý, Tr−ờng Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội, giáo trình “Cơ sở Viễn thám” biên soạn trên cơ sở tổng hợp từ nhiều nguồn thông tin và từ những kiến thức cơ bản đang phổ biến trên thế giới cũng nh− ở Việt nam, trong đó có một số giáo trình đã đang đựơc sử dụng ở Tr−ờng Đại học khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Giáo trình cũng có thể đ−ợc sử dụng để giảng dạy ở các khoa, các ngành thuộc lĩnh vực khoa học trái đất, môi tr−ờng. Hà nội, tháng 10 năm 2005 1 Ch−ơng 1 Khái niệm chung về viễn thám Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện t−ợng thông qua việc phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar. Sự phát triển của khoa học viễn thám đ−ợc bắt đầu từ mục đích quân sự với việc nghiên cứu phim và ảnh, đ−ợc chụp lúc đầu từ khinh khí cầu và sau đó là trên máy bay ở các độ cao khác nhau. Ngày nay, viễn thám ngoài việc tách lọc thông tin từ ảnh máy bay, còn áp dụng các công nghệ hiện đại trong thu nhận và xử lý thông tin ảnh số, thu đ−ợc từ các bộ cảm có độ phân giải khác nhau, đ−ợc đặt trên vệ tinh thuộc quỹ đạo trái đất. Viễn thám đ−ợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau nh− quân sự, địa chất, địa lý, môi tr−ờng, khí t−ợng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học khác. Các dữ liệu viễn thám, trong đó có ảnh vệ tinh đa phổ , siêu phổ và ảnh nhiệt đ−ợc dùng trong các nghiên cứu khác nhau nh−: sử dụng đất, lớp phủ mặt đất, rừng, thực vật, khí hậu khí t−ợng, nhiệt độ trên mặt đất và mặt biển, đặc điểm quyển khí và tầng ozon, tai biến môi tr−ờng... Dữ liệu ảnh radar đ−ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau nh− nghiên c−ú các mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay và độ cao của sóng biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt... ngoài ra, còn ứng dụng trong nghiên cứu bề mặt của các hành tinh khác. 1.1. Định nghĩa Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) đ−ợc hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối t−ợng, một khu vực hoặc một hiện t−ợng thông qua việc phân tích t− liệu thu nhận đ−ợc bằng các ph−ơng tiện. Những ph−ơng tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối t−ợng, khu vực hoặc với hiện t−ợng đ−ợc nghiên cứu. Thực hiện đ−ợc những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối t−ợng hoặc một hiện t−ợng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối t−ợng hoặc hiện t−ợng đó. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nh−ng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối t−ợng, hiện t−ợng trên trái đất". D−ới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau. 9 Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976). 2 9 Viễn thám là quan sát về một đối t−ợng bằng một ph−ơng tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976). 9 Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối t−ợng, đ−ợc đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó. Năng l−ợng đ−ợc đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng l−ợng điện từ phát ra từ vật quan tâm... (D. A. Land Grete, 1978). 9 Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt n−ớc của trái đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu đ−ợc từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất (Janes B. Capbell, 1996). 9 Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện t−ợng, qua phân tích dữ liệu thu đ−ợc bởi ph−ơng tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện t−ợng khi khảo sát ".( Lillesand và Kiefer, 1986) 9 Ph−ơng pháp viễn thám là ph−ơng pháp sử dụng năng l−ợng điện từ nh− ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn nh− một ph−ơng tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối t−ợng( Theo Floy Sabin 1987). Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện, từ và trọng lực vì những quan trắc đó thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những tr−ờng lực nhiều hơn là đo bức xạ điện từ. 1.2. Lịch sử phát triển của viễn thám Sự phát triển của ngành viễn thám qua các thời gian đ−ợc tóm tắt trong bảng 1.1. Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu đ−ợc thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thể kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đ−a ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, đ−ợc thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh ng−ời Pháp. Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp. Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860. Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là các nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo). Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi (stereo).Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông 3 tin từ ảnh có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, đ−ợc thực hiện trên các ph−ơng tiện hàng không nh− máy bay, khinh khí cầu và tàu l−ợn hoặc một ph−ơng tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không. Các ảnh thu đ−ợc từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay, đ−ợc thực hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh ng−ời ý, bằng việc thu nhận ảnh di động trên vùng gần Centoceli thuộc n−ớc ý (bảng 1.1). Bảng 1.1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện Thời gian (Năm) Sự kiện 1800 1839 1847 1850-1860 1873 1909 1910-1920 1920-1930 1930-1940 1940 1950 1950-1960 12-4-1961 1960-1970 1972 1970-1980 1980-1990 1986 1990 đến nay Phát hiện ra tia hồng ngoại Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy Chụp ảnh từ kinh khí cầu Xây dựng học thuyết về phổ điện từ Chụp ảnh từ máy bay Giải đoán từ không trung Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không Phát triển kỹ thuật radar ( Đức, Mỹ, Anh) Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có ng−ời lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ. Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 Phát triển mạnh mẽ ph−ơng pháp xử lý ảnh số Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số l−ợng kênh phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới. (Nguồn s−u tầm do Ngyễn Văn Đài, 2003). 4 Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều ng−ời hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh. Những năm sau đó, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh đ−ợc phát triển mạnh mẽ. Đồng thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới là đo đạc ảnh (photogrametry). Đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối t−ợng từ dữ liệu ảnh chụp. Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị chính xác cao, đáp ứng cho việc phân tích không ảnh. Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức ảnh thu đ−ợc từ nguồn năng l−ợng nhân tạo là radar, đã đ−ợc sử dụng rộng rãi trong quân sự. Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho ra khả năng triết lọc thông tin nhiều hơn. ảnh mầu, chụp bằng máy ảnh, đã đ−ợc dùng trong chiến tranh thế giới thứ hai. Việc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằng viễn thám với các ph−ơng tiện kỹ thuật hiện đại. Các trung tâm nghiên cứu mặt đất đ−ợc ra đời, nh− cơ quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remote sensing Agency), Ch−ơng trình Vũ trụ NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ. Ngoài các thống kê ở trên, có thể kể đến các ch−ơng trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các n−ớc nh− Canada, Nhật, Pháp, ấn Độ và Trung Quốc. Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, đ−ợc cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959. Tiếp theo là ch−ơng trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất l−ợng cao, ảnh màu có kích th−ớc 70mm, đ−ợc chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí t−ợng đầu tiên (TIR0S-1), đ−ợc phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí t−ợng. Vệ tinh khí t−ợng NOAA, đã hoạt động từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí t−ợng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật từng ngày. Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất và các hành tinh và quyển khí. Các ảnh chụp nổi (stereo), thực hiện theo ph−ơng đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini (1965), đã thể hiện −u thế của công việc nghiên cứu trái đất. Tiếp theo, tầu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích th−ớc ảnh 70mm, chụp về trái đất, đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ. 5 Việc nghiên cứu trái đất đã đ−ợc thực hiện trên các con tàu vũ trụ có ng−ời nh− Soyuz, các tàu Meteor và Cosmos (từ năm 1961), hoặc trên các trạm chào mừng Salyut. Sản phẩm thu đ−ợc là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải cao, nh− MSU-E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích th−ớc ảnh 18 x 18cm. Ngoài ra, các ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89μm. Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 x 20m. Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS(sau đổi tên là Landsat-1), là các vệ tinh thế hệ mới hơn nh− Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5. Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau. Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB (1973) và HCMM (1978). Từ 1982, các ảnh chuyên đề đ−ợc thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này tạo nên một −u thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đã đ−ợc phổ biến với giá rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép ng−ời sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với ph−ơng pháp nghiên cứu môi tr−ờng qua các dữ liệu vệ tinh (hình 1.1). T− liệu số Hình 1.1: Viễn thám từ việc thu nhận thông tin đến ng−ời sử dụng (Theo Ravi Gupta, 1991). 6 Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, đã đ−a ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m. Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối t−ợng nổi (stereo) trong không gian ba chiều. Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là trong việc phân tích các yếu tố địa hình. Các ảnh vệ tinh của Nhật, nh− MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite). Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng đ−ợc thực hiện trên các vệ tinh của ấn độ IRS-1A, tạo ra các ảnh vệ tinh nh− LISS thuộc nhiều hệ khác nhau. Trong nghiên cứu môi tr−ờng và khí hậu trái đất, các ảnh vệ tinh NOAA có độ phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho phép nghiên cứu các hiện t−ợng khí hậu xảy ra trong quyển khí nh− nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dự báo bão. Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám đ−ợc đẩy mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar. Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây. Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn năng l−ợng mặt trời. Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR đ−ợc ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat. Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên rất đa dạng. Sóng này hết sức nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật, đ−ợc chùm tia radar phát tới, vì vậy nó đ−ợc ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vực nào đó. Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh radar. Thời đại bùng nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả năng nghiên cứu trái đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao hơn. 1.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám Viễn thám nghiên cứu đối t−ợng bằng giải đoán và tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh chụp hàng không, hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số. Các dữ liệu d−ới dạng ảnh chụp và ảnh số đ−ợc thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng l−ợng bức xạ (không ảnh và ảnh vệ tinh) và sóng phản hồi (ảnh radar) phát ra 7 từ vật thể khi khảo sát. Năng l−ợng phổ d−ới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán đối t−ợng một cách chính xác hơn (hình 1.2). Hình 1.2: Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm (Theo Lillesand và Kiefer, 1986). Mặt đất Dữ liệu vệ tinh Dữ liệu máy bay tầng cao Dữ liệu tầng thấp Nếu biết tr−ớc phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn của vật thể trong phòng thí nghiệm, xác định bằng các máy đo phổ, ta có thể giải đoán vật thể bằng cách phân tích đ−ờng cong phổ thu đ−ợc từ ảnh vệ tinh. Các phần mềm xử lý ảnh số đ−ợc phát triển, nhằm cho ra thông tin về phổ bức xạ của các vật thể hoặc các hiện t−ợng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh. Xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ ảnh và tách lọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số, dựa vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra. Hiện nay, có rất nhiều ph−ơng pháp xử lý ảnh số đ−ợc thực hiện trên các phần mềm xử lý ảnh nh− IDRISI, ERDAS (PC), ERDAS Imagine (UNIX), PCI, ERMAPER, DRAGON, ENVI,ILWIS.... Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám đ−ợc thực hiện dựa trên các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là: 1. Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìn thấy đến sóng radar. 8 2. Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các độ cao khác nhau, nh− ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ máy bay trực thăng và phản lực đến các ảnh vệ tinh có ng−ời điều khiển hoặc tự động. 3. Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau. 4. Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian, phổ và thời gian. 5. Đa ph−ơng pháp: Xử lý ảnh bằng mắt và bằng số. 1. 4. Hệ định vị toàn cầu (GPS) trong viễn thám Trong khoa học viễn thám không thể không có một hệ định vị chung cho việc quan sát trái đất từ vệ tinh và giám sát từ mặt đất. Hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) do quân đội Mỹ thiết kế ban đầu vì mục đích quân sự. Hệ định vị này bao gồm 24 vệ tinh quay quanh trái đất trên 6 nhóm quĩ đạo khác nhau, cứ 4 vệ tinh trong một nhóm quĩ đạo. Thông th−ờng, các vệ tinh này quay quanh quĩ đạo trái đất một vòng hết thời gian là 24 giờ và ở trên độ cao so với bề mặt trái đất là 20.200km. Những vệ tinh này giống nh− các chòm sao nhân tạo, giúp cho định vị và dẫn đ−ờng. Các vệ tinh truyền tín hiệu radio, mã hóa thời gian đ−ợc ghi nhận bởi trạm thu mặt đất (hình 1.3). Hình 1.3. Hệ định vị toàn cầu bắt tín hiệu từ vệ tinh quĩ đạo Trái Đất Trái Đất Hình 1.3: Hệ định vị toàn cầu GPS Mặt phẳng của quĩ đạo "gần" tròn của các vệ tinh nghiêng so với đ−ờng xích đạo một góc 600 và phân bố cách đều nhau 600 theo kinh tuyến. Điều đó có nghĩa là, ở bất cứ điểm nào trên Trái Đất với hệ định vị toàn cầu có thể nhận đ−ợc tín hiệu ít nhất từ 4 vệ tinh. Hệ định vị toàn cầu, bắt đầu hoạt động từ năm 1993, bao gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng. Hình 1.4 là sơ đồ hệ thống định vị toàn cầu với các vệ tinh đang hoạt động. Vị trí tại một điểm trên 9 trái đất đ−ợc xác định bởi GPS nhờ thu nhận tín hiệu và so sánh chúng với ít nhất ba vệ tinh. Khoảng cách từ một vệ tinh đến GPS là mặt cầu có bán kính từ vệ tinh đến GPS. Khoảng cách từ GPS đến hai vệ tinh là giao của hai mặt cầu và kết quả sẽ là một vòng tròn. Khoảng cách này nếu tính từ 3 vệ tinh sẽ là giao của hai vòng tròn tức có kết quả là hai điểm, khoảng cách tính theo 4 vệ tinh sẽ là một điểm duy nhất. Đối với mỗi tín hiệu nhận đ−ợc, việc giải đoán mã hoặc đo pha cho phép tính toán vị trí của vệ tinh trong không gian và khoảng cách của chúng đến GPS. Với dữ liệu tính toán cho từng vệ tinh, vị trí nằm ngang của GPS đ−ợc tính từ giao cắt duy nhất của ba hình nón. Vị trí nằm ngang và đứng của GPS có thể tính toán đ−ợc qua ba hoặc bốn vệ tinh. Hệ định vị toàn cầu, về mức độ chính xác, đ−ợc phân ra làm hai loại. Trong quân sự, mã P, có độ chính xác ngang theo ph−ơng nằm ngang là ±17,8m và độ cao ± 28,4m. Hệ định vị toàn cầu cho mục đích dân dụng có độ chính xác theo ph−ơng ngang là ± 28,4m và theo p