PHẦN 1 - MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VIỄN THÁM

CÂU 1: Những hiểu biết về Viễn thám

* Viễn thám là kỹ thuật thu nhận thông tin của các đối tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với các đối tượng đó.

Kỹ thuật viễn thám dựa trên nguyên tắc thu nhận và xử lý năng lượng phản xạ quang phổ điện từ hoặc bức xạ nhiệt khác nhau của các đối tượng trong tự nhiên.

Nguyên lý viễn thám

* Phân biệt viễn thám chủ động và bị động

- Viễn thám bị động: sử dụng quang phổ của ánh sáng tự nhiên (mặt trời). Ví dụ: Hệ thống Landsat, Spot,…

- Viễn thám chủ động: sử dụng nguồn năng lượng do con người tạo ra và thu nhận được (năng lượng từ các máy phát đặt trên các thiết bị bay). Ví dụ: Hệ thống viễn thám Radar.

* Phân tích hệ thống mắt người và đèn pin

Hệ thống mắt người và đèn pin giống như một hệ thống viễn thám. Đèn pin đóng vai trò là nguồn năng lượng. Khi đèn pin chiếu sáng vào một vật nào đó, năng lượng sẽ phản xạ vào mắt người. Từ đó mắt người (tương đương bộ cảm) sẽ thu nhận tín hiệu và quan sát được vật đó. Có thể nói hình ảnh về vật đã được ghi lại trong mắt người.

1

* Các dải phổ được sử dụng trong viễn thám

Dải phổ Bước sóng Ðặc điểm

Vùng tia cực tím chụp ảnh

0,3-0,4 µm Truyền qua khí quyển, ghi nhận được vào phim và các photodetector (con mắt điện tử), nhưng bị tán xạ mạnh trong khí quyển.

Vùng nhìn thấy

0,4-0,7µm Tạo ảnh với phim và photodetector, có cực đại của năng lượng phản xạ ở 0,5µm

Vùng hồng ngoại

0,7-3 µm Phản xạ lại bức xạ mặt trời, không có thông tin về tính chất của đối tượng. Band từ 0,7-0,9µm, được nghiên cứu với phim và được gọi là band ảnh hồng ngoại.

Vùng hồng ngoại  nhiệt

3-5 µm

8-14 µm

Các cửa sổ chính ở vùng nhiệt ghi thành ảnh ở các bước sóng này yêu cầu phải có máy quét cơ quang học và hệ thống máy thu đặc biệt, gọi là hệ Vidicon, không phải là bằng phim. 

Vùng cực ngắn

0,1-30 cm Các bước sóng dài hơn có thể xuyên qua mây, sương mù và mưa. Các hình ảnh có thể ghi lại trong dạng chủ động hay thụ động.

Vùng Radar

0,1-30 cm Dạng chủ động của viễn thám sóng cực ngắn. Hình ảnh radar được ghi lại ở các band sóng khác nhau.

Vùng > 30 cm Ðạt bước sóng dài nhất của

2

Dải phổ Bước sóng Ðặc điểm

radio quang phổ điện từ. Một vài sóng radar được phân ra với bước sóng rất dài được sử dụng trong vùng sóng này.

CÂU 2

* Ảnh hưởng của khí quyển đối với việc thu nhận ảnh vệ tinh

Ảnh viễn thám tự nhiên thu nhận bức xạ mặt trời qua khí quyển trước khi được thiết bị thu nhận. Ảnh viễn thám do vậy không chỉ bao gồm thông tin về bề mặt mặt đất mà còn có thông tin về khí quyển. Liên quan đến việc phân tích định lượng hệ số phản xạ bề mặt, cần loại bỏ ảnh hưởng của khí quyển. Như vậy khí quyển ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.

Ảnh hưởng của khí quyển tới số liệu vệ tinh viễn thám bằng hai con đường tán xạ và hấp thụ năng lượng.

* Hiện tượng tán xạ: làm đổi hướng tia chiếu, không làm mất năng lượng. Tán xạ (hay phản xạ) có được là do các thành phần không khí hoặc các ion có trong khí quyển phản xạ tia chiếu tới, hoặc do lớp khí quyển dày đặc có mật độ không khí ở các lớp không đồng nhất nên khi tia chiếu truyền qua các lớp này sẽ gây ra hiện tượng khúc xạ. Hiện tượng tán xạ tuyệt đối xảy ra khi không có sự hấp thụ năng lượng. Trong hệ thống viễn thám khi năng lượng tia sáng bị tán xạ về các hướng, nếu trường thu của ống kính máy ghi thông tin thật rộng thì sẽ thu được toàn bộ năng lượng tán xạ, ngược lại nếu trường thu nhỏ quá thì sẽ thu được một phần năng lượng.

3

* Hiện tượng hấp thụ: diễn ra khi tia sáng không được tán xạ mà năng lượng được truyền qua các nguyên tử không khí trong khí quyển và nung nóng lớp khí quyển.

* Cửa sổ khí quyển

Cửa sổ khí quyển là các vùng bước sóng mà các năng lượng điện từ có thể truyền qua và tác động vào các thiết bị thu nhận, từ đó các thiết bị có thể ghi lại các tín hiệu năng lượng đó. Các cửa sổ khí quyển được nghiên cứu và xác định nhằm phục vụ cho việc chế tạo máy cảm biến và là cơ sở hình thành các phương pháp viễn thám chủ động và bị động.

Cửa sổ khí quyển

Đồ thị cho thấy ở mỗi dải sóng khác nhau, năng lượng bức xạ có mức độ phản xạ và hấp thụ khác nhau: một số bước sóng bị hấp thụ ít, một số vùng khác năng lượng bị hấp thụ nhiều. Trong cửa sổ khí quyển thì dải nhìn thấy là vùng cửa sổ khí quyển rộng nhất và năng lượng ánh sáng truyền qua mạnh nhất. Hệ thống chụp ảnh vũ trụ thụ động sử dụng hữu hiệu cửa sổ khí quyển, trong khi hệ thống chụp ảnh vũ trụ chủ động sẽ sử dụng các cửa sổ ở vùng sóng 1mm 1m. Các kênh sóng của hệ thống viễn thám là các dải sóng phù hợp, cần chọn kênh sao cho có thể thu được các sóng ở những cửa sổ nói trên.

* Giải thích hiện tượng bầu trời có màu xanh

4

Giải thích theo nguyên lý tán xạ Rayleigh: Khi ánh sáng mặt trời đi vào bầu khí quyển trái đất, gặp phải các phân tử nhỏ nitơ và ôxy trên bầu trời, nó bị tán xạ, hoặc khúc xạ. Các tia sáng có bước sóng ngắn nhất (xanh và tím) bị tán xạ mạnh hơn các tia sóng dài (đỏ và vàng). Và chính những tia tán xạ này đi tới mắt chúng ta. Vì thế, khi nhìn theo một hướng trên bầu trời, chúng ta nhìn thấy những ánh sáng bước sóng bị tán xạ nhiều nhất, thường là cuối dải màu xanh.

* Đôi khi trên ảnh vệ tinh vẫn nhìn được hình ảnh mờ của các đối tượng bị che khuất: phụ thuộc vào thời điểm chụp ảnh vệ tinh và thiết bị chụp ảnh vệ tinh. Đối tượng bị che khuất thì khả năng phản xạ ánh sáng là rất yếu. Với radar viễn thám, do hoạt động trong một dải sóng rộng nên có khả năng đâm xuyên tán cây, xuyên qua lớp phủ bề mặt. Do đó trên ảnh vệ tinh có thể quan sát thấy hình ảnh mờ của đối tượng bị khuất.

CÂU 3

* Phân tích đặc điểm tương tác của các đối tượng trên bề mặt với năng lượng sóng điện từ và mối quan hệ của nó với hình ảnh của đối tượng trên ảnh vệ tinh

Quá trình “chụp ảnh” vệ tinh thực chất là quá trình thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hoặc phát xạ từ vật thể. Thông tin có được về đối tượng trong quá trình này chính là nhờ sự khác biệt của phản ứng với sóng điện từ của các đối tượng khác nhau (phản xạ, hấp thụ hay phân tách sóng điện từ).

Năng lượng sóng phản xạ từ đối tượng bao gồm hai phần:

- Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng

- Năng lượng tán xạ bởi cấu trúc bề mặt đối tượng

Năng lượng phản xạ trực tiếp không phụ thuộc vào bản chất của đối tượng mà chỉ phụ thuộc vào đặc tính bề mặt, có nghĩa là độ gồ ghề, hướng... của đối tượng và tạo nên độ chói cho đối tượng.

Năng lượng tán xạ là kết quả của một quá trình tương tác giữa bức xạ với bề dày của đối tượng mà bức xạ đó có khả năng xuyên tới. Năng lượng này phụ thuộc vào cấu trúc, bản chất và trạng thái của đối tượng. Đây là nguồn năng lượng mang thông tin giúp ta có thể nhận biết được các đối tượng và trạng thái của chúng.

* Đặc điểm phản xạ phổ của thực vật, đất và nước

5

Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt trái đất là thông số quan trọng nhất trong viễn thám. Các đối tượng chủ yếu trên mặt đất bao gồm: lớp phủ thực vật, nước, đất  trống (hay cát, đá công trình xây dựng). Mỗi loại này có phản xạ khác nhau với sóng điện từ tại các bước sóng khác nhau. Hình dưới đây biểu diễn đường cong phản xạ phổ của các loại lớp phủ mặt đất (thực vật, đất và nước). Ðây chỉ là các đường cong có tính chất khái quát việc phản xạ phổ của ba loại lớp phủ chủ yếu. Trên thực tế, các loại thực vật, đất và nước khác nhau sẽ có các đường cong phản xạ phổ khác nhau. Sự khác nhau này chủ yếu được thể hiện ở độ lớn của phần trăm phản xạ, song hình dạng tương đối của đường cong ít khi có sự thay đổi.

Phản xạ phổ của đất, nước, thực vật

- Thực vật, phản xạ phổ cao nhất ở bước sóng màu lục (0,5-0,6μm) trong vùng nhìn thấy, và do đó, có màu xanh lục. Nhưng các đặc trưng phản xạ phổ của thực vật nổi bật nhất ở vùng hồng ngoại gần (0,7-1,4μm), là vùng bước sóng mà thực vật có phản xạ cao nhất. Mức độ phản xạ của thực vật phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau, có thể kể đến là lượng clorophin (diệp lục), độ dày tán lá và cấu trúc tán lá. Khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại, khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt.

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi clorophin có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ.

Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt.

Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp

6

thụ là cực đại. Ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ là không lớn bằng hàm lượng nước trong lá.

- Nước có phản xạ chủ yếu nằm trong vùng nhìn thấy (0,4-0,7 μm) và phản xạ mạnh ở dải sóng lam (0,4-0,5 μm) và lục (0,5-0,6 μm). Khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần, trạng thái và bề mặt nước.

Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do đó năng lượng phản xạ rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta khả năng đoán đọc điều vẽ thuỷ văn, ao hồ,… Ở dải sóng nhìn thấy, khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp. Với lớp nước mỏng, trong (ao, hồ) thì khả năng thấu quang cao, hấp thụ ít ở dải sóng nhìn thấy, ảnh viễn thám ghi nhận được là nhờ năng lượng phản xạ của chất đáy (cát, đá,…).

Giá trị phản xạ của một đối tượng nước phụ thuộc chủ yếu vào độ đục của nó. Nước trong có giá trị phản xạ rất khác nước đục, nước càng đục có độ phản xạ càng cao. Hàm lượng clorophin trong nước cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước. Nó làm giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng ngắn và tăng khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng màu lục.

- Ðất có phần trăm phản xạ tăng dần theo chiều tăng của chiều dài bước sóng. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ phổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm, hợp chất hữu cơ, vô cơ. Khi độ ẩm tăng thì khả năng phản xạ phổ của đất giảm. Với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5 - 5% đất có màu nâu sẫm, thấp hơn thì đất có màu nâu sáng. Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng oxit sắt trong đất giảm, nhất là ở vùng phổ nhìn thấy.

Mặc dù biên độ đồ thị khả năng phản xạ phổ của các loại đất khác nhau nhưng nhìn chung những khác nhau này ổn định ở nhiều dải sóng khác nhau. Đối với thực vật có thể đoán đọc điều vẽ ở các kênh khác nhau nhưng với đất không thể làm như vậy, nhiều đặc tính phản xạ phổ của đất phải đoán đọc điều vẽ ở các dải sóng nhìn thấy.

Cần chú ý là phản xạ phổ của cùng một loại đối tượng cũng có thể được thể hiện khác nhau trên cùng một ảnh do có nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau, chủ yếu là do các sai biệt về không gian. Các vị trí khác nhau của cùng một đối tượng có thể được chiếu sáng khác nhau, do đó chúng có phản xạ phổ khác nhau, ví dụ như cùng một loại thực vật mọc hai bên sườn núi được chiếu sáng

7

khác nhau sẽ cho phản xạ phổ khác nhau, đây có thể được kể là ảnh hưởng của địa hình.

CÂU 4: Nguyên lý cơ bản và hoạt động của đầu thu ảnh vệ tinh (Sensor)

Bức xạ điện từ phản xạ từ bề mặt trái đất sau khi đi qua khí quyển được ghi nhờ bộ cảm biến (Sensor). Năng lượng điện từ này đi vào hệ thống Sensor sẽ được đo đạc và biến đổi thành tín hiệu dạng phổ ghi lên băng từ.

Hai loại Sensor: chủ động, bị động

- Sensor chù động: chủ động tạo ra nguồn năng lượng (sóng radar, tia laser).

- Sensor thụ động: ghi lại các năng lượng phản xạ từ mặt trời, mặt đất.

CÂU 5

* Ảnh số: Là một tập hợp hai chiều của các điểm ảnh (pixel), mỗi một điểm ảnh có một giá trị cường độ và vị trí của điểm ảnh đó (hàng, cột).

* Ảnh vệ tinh: Là ảnh số, được thu nhận bằng hệ thống vệ tinh, có khả năng chiết suất thông tin.

* Điểm ảnh

- Mỗi một pixel đại diện cho một đơn vị diện tích trên mặt đất mà ảnh đó thu nhận (ví dụ 1x1m, 5x5m, 20x20m, 30x30m thể hiện độ phân giải không gian của ảnh).

- Giá trị cường độ thể hiện giá trị vật lý phản xạ của phát xạ mặt trời chiếu xuống vật thể, giá trị này thường là giá trị phản xạ trung bình của khu vực mà pixel đó đại diện.

- Giá trị cường độ của pixel được ghi nhận dưới dạng số (số nhị phân) 8 bit hay 11 bit, 16 bit tùy từng loại ảnh. Giá trị cường độ nằm trong khoảng 0 – 225

8

đối với ảnh 8 bit (28 – 1 =255), hoặc 0 – 2074 đối với ảnh 11 bit (211 – 1 = 2074). Số bit của pixel thể hiện độ phân giải phát xạ phổ của đối tượng.

* Kênh ảnh

Tín hiệu phản xạ từ các đối tượng trên mặt đất có thể thu nhận theo các dải bước sóng khác nhau. Mỗi dải sóng đó được gọi là một băng (band) hay một kênh (chanel) ảnh.

* Tổ hợp màu

Mọi màu sắc đều được tạo ra từ ba màu cơ bản: đỏ, lục, chàm với các tỷ lệ khác nhau của ba màu cơ bản. Một ảnh màu có thể được tổ hợp trên cơ sở gán ba kênh phổ nào đó cho ba màu cơ bản.

Có hai phương pháp trộn màu: cộng và trừ.

- Trộn cộng màu: sử dụng ba màu cơ bản là đỏ, lục, chàm trên nền đen.

- Trộn trừ màu: sử dụng vàng, đỏ cánh sen, lam trên nền trắng.

Có hai kiểu tổ hợp màu:

- Tổ hợp màu tự nhiên: Nếu chia toàn bộ dải sóng nhìn thấy thành ba vùng cơ bản là đỏ, lục, chàm và sau đó dùng ánh sáng trắng chiếu qua các kính lọc đỏ, lục, chàm tương ứng ta thấy hầu hết các màu tự nhiên đều được tái tạo lại. Phương pháp tổ hợp màu như vậy được gọi là tổ hợp màu tự nhiên (natural color composite).

- Tổ hợp màu giả: các kênh phổ không được chia đều trong dải sóng nhìn thấy nên không thể tái tạo lại các màu tự nhiên mặc dù cũng sử dụng ba màu cơ bản đỏ, lục, chàm. Tổ hợp màu như vậy được gọi là tổ hợp màu giả.

* Các định dạng BIL, BIP, BSQ

- Định dạng BIL (Band Interleaved by Line): dữ liệu được ghi theo từng hàng, mỗi hàng được ghi tuần tự theo kênh phổ và sau tổ hợp kênh phổ của hàng này lại chuyển sang hàng khác.

- Định dạng BIP: (Band Interleaved by Pixel) là khuôn dạng mà các kênh phổ được cách nhau bởi các pixel. Mỗi pixel được lưu tuần tự theo các kênh, sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp kênh phổ của pixel khác.

- Định dạng BSQ (Band Sequence) là khuôn dạng trong đó các kênh phổ được lưu tuần tự hết kênh này sang kênh khác

9

=> Mỗi định dạng đều có ưu điểm riêng: Ví dụ đối với hiển thị ảnh thì BSQ chiếm lợi thế hơn bởi lẽ mỗi kênh ảnh sẽ được chuyển thẳng vào các vùng bộ nhớ dành cho các màu đỏ, xanh lục và xanh chàm. Trong khi đó, với các bài toán phân loại và biến đổi toán học thì định dạng BIP có lợi thế nhất vì việc đọc các vector điểm ảnh là nhanh chóng và thuận lợi nhất.

CÂU 6

* Đặc điểm các loại ảnh vệ tinh

Các loại ảnh vệ tinh thường dùng hiện nay là:

- Loại có độ phân giải thấp (>100m) +  MODIS (500m); + SPOT Vegetation;

- Loại có độ phân giải trung bình (15-100m) + LANDSAT TM/ETM+ (30m): bao gồm 7 kênh phổ, thường dùng để làm

bản đồ hiện trạng sử đất, hiệu chỉnh bản đồ tỷ lệ nhỏ. + SPOT: ảnh đen trắng độ phân giải 5m, ảnh lập thể có thể dùng cho ứng

dụng 3D;

+ ASTER (15m);

- Loại có độ phân giải cao (<10m) + Quickbird: ảnh toàn sắc có độ phân giải từ 0,6-1m, ảnh đa phổ có độ phân

giải 2,44-4m. + Corona (5m); + Ikonos: ảnh đơn kênh có độ phân giải 1m, ảnh đa phổ (4 kênh) độ phân giải

4m, thường dùng để hiệu chỉnh bản đồ địa chính, tỷ lệ trung bình và lớn;

* Khái niệm về độ rộng dải chụp: là diện tích phủ trùm khi vệ tinh quay xung quanh trái đất.

* Độ phân giải phổ:

Bức xạ phổ (bao gồm cả phản xạ, tán xạ và bức xạ riêng) của một đối tượng thay đổi theo bước sóng điện từ. Như vậy, ảnh chụp đối tượng trên các kênh khác nhau sẽ khác nhau. Điều này có nghĩa là ảnh được thu trên càng nhiều kênh thì càng có nhiều thông tin về đối tượng được thu thập. Số lượng kênh ảnh được gọi là độ phân giải phổ.

Độ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì thông tin thu thập từ đối tượng càng nhiều. Và đương nhiên giá thành càng lớn. Vì vậy tùy theo mục

10

đích sử dụng nên kết hợp nhiều loại ảnh ở các độ phân giải khác nhau để nghiên cứu một khu vực.

Thông thường, các vệ tinh đa phổ thường có số kênh ảnh từ khoảng 3 đến 10 kênh. Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn thám có khả năng thu được rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ (hyperspectral satellite) đang được phát triển.

Khi xem xét độ phân giải để chọn ảnh cần tuân thủ luật cơ bản: chọn độ phân giải gấp 10 lần kích cỡ của đối tượng muốn nghiên cứu. Nhưng nên nhớ rằng không phải luật cơ bản lúc nào cũng đúng, cần phải xem xét cả các đặc điểm khác của đối tượng như tính tương phản, vị trí, hình dạng.

* Độ phân giải không gian

Là khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng mà chúng được phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh. Độ phân giải không gian thường được thể hiện bằng kích thước của pixel. Độ phân giải không gian của một ảnh vệ tinh, do đặc tính của đầu thu, phụ thuộc vào hai thông số FOV (Field of view-trường/góc nhìn) và IFOV (instantaneous field of view -  trường/góc nhìn tức thì) được thiết kế sẵn.

Thông số FOV cho ta thấy được phạm vi không gian mà đầu thu có thể thu nhận được sóng điện từ từ đối tượng. Rõ ràng là với góc nhìn càng lớn (FOV càng lớn) thì ảnh thu được càng rộng, và với cùng một góc nhìn, vệ tinh nào có độ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn.

Ngược với FOV, IFOV của đầu thu đặc trưng cho phạm vi không gian mà đầu thu có thể nhận được sóng điện từ trong một thời điểm. Tức là đầu thu sẽ không thể “nhìn” được các đối tượng nhỏ hơn trong góc nhìn IFOV. Tổng hợp giá trị bức xạ của các đối tượng trong một góc IFOV được thu nhận cùng một lúc và mang một giá trị, được ghi nhận như một điểm ảnh. Trong ảnh số, một điểm ảnh được gọi là một pixel và giá trị kích thước pixel đặc trưng cho khả năng phân giải không gian của ảnh. Góc IFOV càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đối tượng trong không gian càng lớn, nghĩa là giá trị pixel càng nhỏ và  phạm vi “chụp” ảnh càng hẹp.

Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho ta biết các đối tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt được trên ảnh. Ví dụ, ảnh có độ phân giải không gian là 30 x 30m sẽ cho phép phân biệt được các đối tượng có kích thước lớn hơn 30 x 30m.

11

* Tần suất chụp lặp

Phản ánh chu kỳ hoạt động của vệ tinh, cứ sau một khoảng thời gian nhất định thu được ảnh ở vị trí ban đầu.

* Quỹ đạo vệ tinh

Vệ tinh có thể được coi như một vật thể quay xung quanh trái đất trong một mặt phẳng quỹ đạo không có tác động của lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời.

Sáu thông số quỹ đạo cơ bản của vệ tinh chuyển động trong vũ trụ (tuân theo định luật Kepler):

Bán kính trục lớn A Độ dẹt quỹ đạo e Góc nghiêng i Góc lên bên phải h Điểm gần nhất g Thời điểm bay qua điểm gần nhất

Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh được chia thành nhiều loại dựa theo hình dạng quỹ đạo, góc nghiêng, chu kỳ và tần xuất lặp. Quỹ đạo tròn là dạng quỹ đạo cơ bản. Có thể mô tả nó bằng hệ tọa độ cực như sau:

r = re + hs q = q 0 t

Trong đó re: bán kính trái đất 6,378,160 mhs: độ cao của vệ tinh trên mặt nước biểnt: thời gianq 0: Vận tốc góc

Quỹ đạo đồng bộ trái đất là quỹ đạo mà trên nó vệ tinh chuyển động cùng một vận tốc góc như trái đất nghĩa là nó quay một vòng trên quỹ đạo của mình mất 24 giờ hay 86164.1 giây. Quỹ đạo đồng bộ trái đất với góc nghiêng 0 độ được gọi là quỹ đạo địa tĩnh. Các vệ tinh địa tĩnh luôn treo lơ lửng tại một điểm trên không trung do vậy nó được sử dụng vào nhiều mục đích quan sát khí tượng hoặc truyền tin...

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời được các vệ tinh tài nguyên sử dụng nhiều vì ưu điểm của nó luôn tạo được một điều kiện chiếu sáng ổn định.

12

Quỹ đạo có chu kỳ lặp một ngày (recurent) và nhiều ngày (semi-recurent) là quỹ đạo mà vệ tinh trở lại điểm nadir trong cùng một ngày hoặc sau nhiều ngày.

* Giải thích trên ảnh vệ tinh SPOT màu giả chuẩn, cây cối có màu đỏ

Đối với ảnh SPOT màu giả chuẩn, màu đỏ được gán cho kênh hồng ngoại, màu lục cho kênh đỏ và màu chàm cho kênh lục. Trên tổ hợp màu này các đối tượng được thể hiện theo các gam màu chuẩn do đó thực vật luôn có màu đỏ, các mức độ đỏ khác nhau thể hiện mức độ dày đặc của thảm phủ thực vật.

CÂU 7

* Ảnh radar độ mở tổng hợp (Synthetic Aperture Radar - SAR)

SAR

Độ phân giải của ảnh radar phụ thuộc vào khoảng cách nghiêng từ ăng ten tới địa vật, độ dài của ăng ten và bước sóng sử dụng. Để cải thiện độ phân giải của ảnh radar, bước sóng ngắn hay ăng ten có chiều dài lớn phải được sử dụng. Tuy nhiên, chiều dài của ăng ten phụ thuộc vào khả năng vận tải của máy bay hay vệ tinh, bước sóng sử dụng hạn chế bởi đặc tính của sóng radar (> 1mm). Giải pháp cho độ phân giải của ảnh radar là dùng radar độ mở tổng hợp SAR.

SAR tích hợp tất cả các năng lượng phản xạ từ điểm địa vật tới ăng ten khi ăng ten di chuyển trên quỹ đạo để tạo ra một ăng ten giả có độ dài tương đương với khoảng cách từ điểm đầu thu ăng ten thu được tín hiệu đến điểm kết thúc của việc thu tín hiệu. Do vậy, với SAR độ phân giải theo hướng bay của ảnh radar tính bằng công thức:

Ra = l / 2

Trong đó: Ra là độ phân giải theo hướng bay (m)

13

l là độ dài của ăng ten (m)

Như vậy, độ phân giải theo hướng bay chỉ còn phụ thuộc vào chiều dài thực của ăng ten.

Trong những năm gần đây, SAR được phát triển khá mạnh với ưu thế cho phép thu ảnh có độ phân giải cao và từ hai ảnh thu được bởi kỹ thuật SAR, có thể xây dựng được mô hình số độ cao (DEM) dựa trên việc sử dụng thông tin pha của tín hiệu radar.

Nếu có hai ảnh SAR được thu nhận từ 2 vị trí khác nhau của vệ tinh nhưng cùng phủ một vùng diện tích trên mặt đất, giá trị pha của tín hiệu radar cho bởi ảnh thứ nhất có thể đem trừ đi giá trị pha cho bởi ảnh thứ hai để có được độ lệch pha của 2 ảnh SAR. Ảnh mới tạo ra chứa độ lệch pha được gọi là ảnh giao thoa. Giá trị còn lại (độ lệch pha) cho bởi ảnh mới có thể kết hợp với thông tin về quỹ đạo để xác định độ cao của mỗi pixel trên ảnh. Kỹ thuật dựa trên độ lệch pha của tín hiệu radar để tính toán và xử lý ảnh được gọi là kỹ thuật InSAR (giao thoa SAR - SAR interferometry). Kỹ thuật INSAR đã mở ra khả năng quan trọng cho việc xây dựng DEM.

* Sự khác nhau cơ bản giữa ảnh radar và ảnh quang học

Ảnh quang học: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng ánh sáng nhìn thấy (bước sóng 0.4-0.76 micromet).

Ảnh radar: là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng trong dải sóng siêu cao tần (bước sóng lớn hơn 2 cm).

Để tạo ảnh radar, sử dụng bộ cảm chủ động, còn đối với ảnh quang học sử dụng bộ cảm thụ động.

Viễn thám radar ghi tư liệu trên cơ sở của thời gian hơn là khoảng cách. Radar có thể ghi lại hình ảnh ở bước sóng dài hơn với độ phân giải cao hơn. Do bước sóng radio thường dài hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng hồng ngoại nên chúng có thể xuyên qua được tán cây của lớp phủ thực vật nên chất lượng ảnh radar không phụ thuộc thời tiết như ảnh quang học.

PHẦN 2 - XỬ LÝ ẢNH

CÂU 1: Nắn chỉnh hình học

14

* Mục đích của nắn chỉnh ảnh vệ tinh Ảnh thô có rất nhiều biến dạng, các biến dạng do:

- Độ cao bay chụp- Góc chụp- Sai số xác định vị trí vệ tinh- Ảnh hưởng khí quyển- Chênh cao địa hình- …

=> Gây ra các sai số trên ảnh:- sai số vị trí, biến dạng hình học- ảnh không trùng khít trên bản đồ- không thể dùng trực tiếp ảnh thô để đo đạc như trên bản đồ

=> Nắn ảnh để khắc phục các sai số trên.

* Các mức xử lý ảnh vệ tinh SPOT

- Mức 1A: Ảnh thô, chưa xử lý hình học và phổ (hình học ảnh được xử lý hệ thống).

- Mức 1B: Hình học của ảnh tương đương mức 1A, phổ được loại trừ yếu tố nhiễu.

- Mức 2A: Xử lý hình học bằng mô hình vật lý không có điểm khống chế, phổ ở mức 1B.

- Mức 2B: Xử lý hình học bằng mô hình vật lý, dùng điểm khống chế mặt đất, có xử lý phổ bằng các thuật toán tăng cường chất lượng ảnh, sử dụng phép lọc ảnh.

- Mức 3: Xử lý hình học bằng mô hình vật lý, dùng điểm khống chế mặt đất, sử dụng mô hình số địa hình (DEM) loại bỏ biến dạng do chênh cao địa hình. Có (hoặc không) xử lý phổ bằng các thuật toán tăng cường chất lượng ảnh.

* Các bước thực hiện nắn ảnh vệ tinh- Nhập ảnh- Lựa chọn mô hình- Chọn điểm khống chế- Tính toán mô hình- Kiểm tra sai số mô hình, chọn lại điểm (nếu cần thiết)- Nắn ảnh

15

* Phân biệt sự khác nhau giữa nắn ảnh sử dụng mô hình đa thức và mô hình vật lý

- Mô hình vật lý (Physical Model)Xây dựng mối quan hệ toán học giữa: Tọa độ cục bộ của thiết bị chụp Vị trí vệ tinh Hệ tọa độ quỹ đạo điều khiển vệ tinh Hệ tọa độ tham chiếu Hệ tọa độ trắc địa Lưới chiếu bản đồ Điểm khống chế mặt đất

- Mô hình đa thức (Polynomial Model) Coi các biến dạng ảnh bằng một phương trình đa thức Dùng điểm khống chế để xác định các tham số của đa thức

Phương pháp mô hình vật lý sử dụng phương trình số hiệu chỉnh, phương trình này được xác định trên cơ sở phương trình tạo ảnh hình học của hệ thống Sensor. Trong khi đó phương pháp mô hình đa thức bỏ qua vấn đề tạo ảnh hình học, chỉ mô tả sự méo hình của chính bản thân nhờ hàm số nào đó. Như vậy, nắn ảnh theo đa thức sử dụng khi bề mặt trái đất tương đối bằng phẳng và các yếu tố định hướng ngoài của Sensor là không xác định chính xác.

* Nguyên tắc chọn điểm khống chế ảnhCác điểm khống chế nên:- Dễ nhận dạng trên ảnh cũng như trên bản đồ- Phân bố đồng đều trên toàn ảnh, đặc biệt chú ý phân bố trên biên- Đủ số lượng cần thiếtDo đó các điểm chọn thường là:- Ranh giới giữa đất với nước,…- Góc của các công trình xây dựng, con đập, con mương, hải cảng,…- Mũi đất, ngọn hải đăng, các đảo nhỏ,…- Nhà máy, cao ốc, đường chạy của sân bay,…- Tâm của các hồ nhỏ, điểm giao thủy, giao lộ,…

* Khi nắn ảnh theo mô hình đa thức, nếu chọn đa thức bậc càng cao thì độ chính xác ở lân cận các điểm khống chế càng lớn, nhưng có thể tạo ra méo hình học ở phạm vi lớn của ảnh. Do đó trong mô hình đa thức, bậc đa thức tối đa là 3.

16

* Nguyên lý của việc lấy mẫu theo phương pháp người láng giềng gần nhất (nearest neighbour) và song tuyến (bilinear resampling)

Bản đồ được chia lưới tương ứng với kích thước pixel của ảnh. Ảnh của một điểm lưới (x,y) khi đó được xác định bởi điểm (u,v) trên ảnh. Thực tế là một điểm lưới (x,y) không được ánh xạ vào đúng một điểm lưới của ảnh.

Việc lấy mẫu giúp tìm ra độ sáng gần nhất từ các điểm trên ảnh để xấp xỉ cho độ sáng tại điểm cần tính (u,v).

- Phương pháp nội suy song tuyến: sử dụng liên tiếp các nội suy tuyến tính trên 4 điểm lưới của ảnh bao quanh điểm (u,v). Đầu tiên nội suy tuyến tính trên 2 cặp điểm theo hướng nằm ngang, sau đó nội suy tiếp trên 2 điểm kết quả.

Tuân theo hàm số tam giác: W(x) = (1-x) với 0 ≤ |x| ≤1

Việc tái chia mẫu cho bất kỳ điểm nào theo hàm số này là tương tự với việc sử dụng hàm số sin ở một mức độ nào đó.

- Phương pháp pixel lân cận gần nhất (nearest neighbour): đơn giản chọn điểm gần nhất, theo khoảng cách Euclide hoặc Manhattan.

Giá trị độ xám của pixel I(p) được nhận trực tiếp từ giá trị độ xám pixel I(N) gần nhất, tức là:

I(p) = I (N)

Phương pháp này nói chung đơn giản, nhanh và bảo đảm không có các giá trị ngoại lai. Tuy vậy hình ảnh được tạo thành không được trơn, tự nhiên và có xu thế tương phản mạnh.

* Phân tích ảnh hưởng của chênh cao địa hình với vị trí điểm ảnh

17

Ảnh hưởng của chênh cao địa hình và góc nghiêng trục quang tới vị trí điểm vật của phép chiếu xuyên tâm so với phép chiếu trực giao được mô tả như hình vẽ:

Đại lượng xê dịch hướng tâm X do chênh cao địa hình h và góc nghiêng trục quang được tính như sau: X = h.tg

Từ công thức trên, xây dựng biểu đồ biểu diễn sự biến thiên sai số vị trí điểm do chênh cao địa hình h và góc nghiêng trục quang của ảnh .

CÂU 2: Để đạt độ chính xác cao khi nắn ảnh:

Độ chính xác nắn ảnh phụ thuộc các yếu tố:

- độ chính xác (tọa độ, độ cao) của các điểm khống chế mặt đất.- độ chính xác (tọa độ, độ cao) của các điểm khống chế mặt đất.

- độ chính xác của việc xác định vị trí các điểm khống chế mặt đất trên ảnh.- độ chính xác của việc xác định vị trí các điểm khống chế mặt đất trên ảnh.

- số lượng, đồ hình bố trí điểm khống chế mặt đất trong cảnh ảnh, trong- số lượng, đồ hình bố trí điểm khống chế mặt đất trong cảnh ảnh, trong

khối (trong một số trường hợp, độ chính xác cũng phụ thuộc vào số lượng, vị tríkhối (trong một số trường hợp, độ chính xác cũng phụ thuộc vào số lượng, vị trí

phân bố, độ chính xác đo các điểm liên kết ảnh).phân bố, độ chính xác đo các điểm liên kết ảnh).

- mô hình toán học được sử dụng.- mô hình toán học được sử dụng.

- chất lượng, độ chính xác của mô hình số độ cao.- chất lượng, độ chính xác của mô hình số độ cao.

CÂU 3: Xử lý phổ tăng cường chất lượng hình ảnh

18

* Phải tăng cường độ tương phản của ảnh vì: Tăng cường chất lượng ảnh là thao tác chuyển đổi nhằm tăng tính dễ đọc, dễ hiểu cho người làm công tác giải đoán ảnh. Trong khi đó chiết tách đặc tính là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đưa ra dưới dạng hàm số.

* Khái niệm Histogram:

Histogram mô tả sự phân bố của cấp độ sáng của một ảnh theo số lượng pixel mang cùng một giá trị độ xám.

Histogram và tính chất của ảnh:

* Các phép giãn ảnh tuyến tính và phi tuyến tính

- Giãn tuyến tính: được thực hiện với việc đưa giá trị mức độ xám của kênh gốc giãn rộng theo tuyến tính phủ kín khoảng 0-255.

19

- Giãn phi tuyến tính: thực hiện khi từng khoảng của mức độ xám ảnh gốc được giãn riêng biệt.

Giãn ảnh phi tuyến (2 đường cong Logarithmic và Inverse log)

CÂU 4: Các loại phin lọc

Phép lọc sử dụng để nhấn mạnh một cấu trúc thông tin nào đó trên ảnh thông qua việc áp dụng các hàm lọc hoặc các toán tử lọc.

Các toán tử lọc được tổ chức dưới dạng ma trận n x n phần tử.

* Nguyên lý cơ bản của phin lọc tần số thấp (low pass filtering)

Bộ lọc tần số thấp cho phép các tín hiệu có tần số thấp qua làm nổi rõ các chi tiết có tần số thấp. Bộ lọc này có đặc tính khử nhiễu cao, làm mềm các yếu tố đường và biên trên ảnh.

20

Toán tử lọc tần số thấp

* Nguyên lý cơ bản của phin lọc tần số cao (high pass filtering)

Bộ lọc tần số cao cho phép các tín hiệu có tần số cao qua làm nổi rõ các chi tiết có tần số cao. Ảnh sử dụng bộ lọc này nổi bật tính góc cạnh và chi tiết của hình ảnh, có độ sắc hơn.

Toán tử lọc tần số cao

* Ví dụ phin lọc khác

Phin lọc làm nổi bật đường biên: có khả năng làm nổi rõ các đường ranh giới giữa các đơn vị bản đồ -> thích hợp áp dụng cho các lĩnh vực như sử dụng đất, lâm nghiệp, thổ nhưỡng,…

CÂU 5: Biến đổi ảnh

* Phép chia kênh có thể loại trừ ảnh hưởng của góc tới của năng lượng mặt trời:

Góc tới của năng lượng mặt trời tác động đến hiển thị ảnh, đặc biệt đối với chụp ảnh ở vùng có địa hình phức tạp. Phép chia kênh là một phép biến đổi số

21

học của ảnh rất hữu ích cho việc tăng cường chất lượng và chiết tách các thông tin trên ảnh. Do đó sẽ hạn chế được ảnh hưởng của góc tới của năng lượng mặt trời đến chất lượng ảnh.

* Ảnh chỉ số thực vật (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index)NDVI = (NIR-R) / (NIR+R)

Trong đó IR là giá trị phản xạ ở dải sóng cận hồng ngoại (Near Infrared) R là giá trị phản xạ ở dải sóng đỏ (Red)

NDVI càng lớn đối với những vùng có độ che phủ thực vật càng cao và càng nhỏ đối với các vùng thực vật thưa thớt.

Chỉ số thực vật được dùng rất rộng rãi để xác định mật độ phân bố của thảm thực vật, đánh giá trạng thái sinh trưởng và phát triển của cây trồng, làm cơ sở số liệu để dự báo sâu bệnh, hạn hán, diện tích, năng suất và sản lượng cây trồng…

* Kênh thành phần chính (Principal Components Analysis - PCA)

PCA được sử dụng để giảm số lượng các kênh phổ mà vẫn đảm bảo lượng thông tin không bị thay đổi nhiều. Nguyên lý của PCA dựa trên cơ sở: các kênh phổ gần nhau có độ tương phản rất cao, do đó thông tin lặp lại lớn.

Giả sử có các số liệu đo {xi} i = 1, p

các thành phần chính {zk} k = 1, m

Chúng có thể mô tả như một tổ hợp tuyến tính của các số liệu gốc sau:

zk = a1kx1 + a2kx2 +…+ apkxp

Trong đó các hệ số a1k,…,apk được xác định như sau:

aik = 1

Giá trị zk phải cực đại.

Các đại lượng zk, zk+1 không phụ thuộc tuyến tính với nhau.

PCA

22

* Trộn ảnh

- Khái niệm: Là kỹ thuật kết hợp các loại ảnh để tăng cường khả năng phân tích, nhận biết các đối tượng trên ảnh.

Kết hợp ảnh toàn sắc và ảnh đa phổ (ảnh cùng loại) tạo ra ảnh có độ phân giải cao về phổ và có độ phân giải cao về không gian.

Kết hợp ảnh khác loại: như ảnh quang học và ảnh radar các thông tin phản ánh đặc điểm về mặt hóa học của đối tượng được kết hợp với các thông tin phản ánh tính chất vật lý của đối tượng.

- Mục đích: để tăng cường độ phân giải của ảnh.

- Các phương pháp trộn ảnh

Phương pháp biến đổi hệ màu RGB-HIS-RGB: gồm các bước:

+ Chuyển đổi ảnh đa phổ từ hệ màu RGB sang hệ màu HIS

+ Thay thế thành phần cường độ I (Intensity) bằng ảnh độ phân giải cao (ảnh toàn sắc)

+ Chuyển đổi ngược trở lại HIS-RGB

Phương pháp tính toán các kênh ảnh (biến đổi BROVEY)

+ Sử dụng thuật toán kết hợp màu sắc ảnh với dữ liệu phân giải cao được thể hiện theo công thức:

+ DNb1 DNbn : Giá trị độ xám ở ảnh đa phổ kênh 1,2,…,n.

+ DNPAN : Giá trị độ xám ở ảnh toàn sắc.

Phương pháp ứng dụng PCA

23

CÂU 6: Phân loại ảnh số (image classfication)

* Khái niệm: Phân loại ảnh số là gán các khoảng cấp độ xám nhất định thuộc một nhóm đối tượng nào đó có các tính chất tương đối đồng nhất nhằm phân biệt các nhóm đó với nhau trong ảnh.

Quá trình phân loại có thể thực hiện theo phương pháp giải đoán bằng mắt hoặc nhờ sự trợ giúp của máy tính.

* Mục đích: Phân loại tự động tất cả pixel trên một tấm ảnh thành các lớp thông tin lớp phủ hoặc các chuyên đề.

* Các kiểu phân loại: Cơ sở để thực hiện phân loại ảnh dựa vào đặc trưng phổ và đặc trưng về cấu trúc của ảnh.

- Phân loại giả định: Các đối tượng có đặc điểm tương tự nhau thì có giá trị phổ tương tự. Giá trị này là yếu tố duy nhất để phân biệt với tất cả các đối tượng khác trong khu vực.

- Phân loại có kiểm định (Supervised classification): là một hình thức phân loại mà các chỉ tiêu phân loại được xác lập dựa trên các vùng mẫu. Các vùng mẫu là khu vực trên ảnh người giải đoán biết chắc chắn thuộc vào một trong các lớp cần tìm. Dựa trên vùng mẫu, các tham số thống kê được xác định và đó chính là các chỉ tiêu thống kê sử dụng trong quá trình phân loại về sau.

- Phân loại phi kiểm định (Unsupervised classification): Tại những khu vực không có một chút thông tin nào về đối tượng cần phân loại, người ta sử dụng kỹ thuật phân loại phi kiểm định. Phân loại phi kiểm định chỉ sử dụng thuần túy thông tin ảnh. Trình tự thực hiện có thể tóm tắt như sau:

Các pixel trên ảnh đầu tiên được gộp thành các nhóm có các đặc trưng phổ tương đối đồng nhất bằng kỹ thuật ghép lớp (clustering).

Các nhóm lớp như vậy được sử dụng để tính các tham số thống kê cho quá trình phân loại tiếp theo.

- Phân loại theo cây quyết định (decision tree classifier): thuộc vào nhóm phân loại có cấu trúc. Trong thực tế không có thuật toán tổng quát nào cho phương pháp phân loại này và nó thường được ứng dụng cùng với tư duy chuyên gia. Người phân loại sẽ phải xuất phát từ việc đánh giá khả năng phân tách các đối tượng dựa trên tri thức chuyên gia và đặc tính phổ của chúng và tự mình tạo dựng ra sơ đồ phân loại.

24