Viễn thám(Remote sensing) là môn khoa học thu nhận thông tin về hình dáng, kích thước và tính chất của một vật thể, một đối tượng từ một khoảng cách cố định, không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Điều này được thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ, bức xạ từ đối tượng và sau đó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin nói trên.
Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay.
Từ những năm 60 của thế kỷ 20 với sự xuất hiện của vệ tinh nhân tạo đầu tiên thì kỹ thuật không gian đã có sự phát triển vượt bậc. Vệ tinh là công cụ quan trọng trong nghiên cứu của khoa học hiện đại. Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu. Quan trắc trái đất và quan trắc không gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc. Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyển chuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển. Rất nhiều những yếu tố, những vị trí trong khí quyển và trên trái đất trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với vệ tinh khí tượng đều có thể thực hiện được. Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ...
Nước ta nhiều đồi núi, địa hình phức tạp (độ cao, độ dốc, hướng, khe suối thung lũng…) điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn diễn biến phức tạp. Cùng với sự ấm lên của khí hậu toàn cầu các hiện tượng thời tiết bất thường như hạn hạn, lũ lụt ngày càng gia tăng và mức độ gây tổn hại ngày càng lớn, nhiệt độ tăng cao kết hợp với hạn hán dẫn tới nguy cơ cháy rừng, sự phát sinh phát triển của sâu bệnh đối với mùa màng ngày càng trầm trọng. Vì vậy việc sử dụng các thông tin viễn thám tích hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cùng với các quan trắc thu được từ bề mặt sẽ đáp ứng khách quan và đa dạng các thông tin cần thiết phục vụ công tác nghiên cứu giám sát và dự báo khí tượng thuỷ văn, khí tượng nông nghiệp và môi trường mà đặc biệt là phục vụ cho công tác giám sát và cảnh báo tác hại của thiên tai để có các biện pháp phòng tránh và ứng cứu kịp thời.
1. Nguyên lý viễn thám vệ tinh.
Cơ sở tư liệu của viễn thám là sóng điện từ được phát xạ hoặc bức xạ từ các vật thể, các đối tượng trên bề mặt trái đất. Sóng điện từ có 4 tính chất cơ bản: bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phân cực. Mỗi một thuộc tính cơ bản này sẽ phản ánh nội dung thông tin khác nhau của vật thể, phụ thuộc vào thành phần vật chất và cấu trúc của chúng, làm cho mỗi đối tượng được xác định và nhận biết một cách duy nhất. Sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể trên bề mặt trái đất sẽ được thu nhận bằng các hệ thống thu ảnh gọi là bộ cảm(sensor). Các bộ cảm được lắp đặt trên các phương tiện(platform) kinh khí cầu, máy bay hoặc vệ tinh. Xử lý, phân tích, giải đoán(interpretation) các tấm ảnh viễn thám sẽ cho ra các thông tin về đối tượng cần nghiên cứu.
Hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có:
Ø Nguồn năng lượng: Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng. Thông tin viễn thám thu thập được là dựa vào năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận, nếu không có nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng sẽ không có năng lượng đi từ đối tượng đến thiết bị nhận.
Ø Những tia phát xạ và khí quyển: Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng nên sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm.
Ø Sự tương tác với đối tượng: Một khi được truyền qua không khí đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tuỳ thuộc vào đặc điểm của cả đối tượng và sóng điện từ. Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển.
Ø Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm: Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng.
Ø Sự truyền tải, thu nhận và xử lý: Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận-xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này chính là dữ liệu thô.
Ø Giải đoán và phân tích ảnh: Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng được. Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào. Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh. Ảnh được giải đoán bằng một hoặc kết hợp nhiều phương pháp. Các phương pháp này là giải đoán thủ công bằng mắt, giải đoán bằng kỹ thuật số hay các công cụ điện tử để lấy được thông tin về các đối tượng của khu vực đã chụp ảnh.
Ø Ứng dụng: Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có ... nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể.
Nguyên lý viễn thám vệ tinh
Nguyên lý viễn thám vệ tinh quang học
2. Đặc trưng phản xạ phổ của đối tượng nước
Ø Sóng điện từ là sự bổ sung thông tin:
Ø Dấu hiệu phổ : Phương tiện chủ yếu để nhận biết một bề mặt hoặc một đối tượng thông qua việc phản xạ và phát năng lượng. Nó bị ảnh hưởng bởi các đặc tính vật lí hoặc hoá học của vật thể trong trường năng lượng điện từ và thay đổi theo bước sóng.
Ø Phản xạ, tham số phản xạ:
Ø Phổ phản xạ của thực vật , đất và nước:
Mỗi một vật thể đều phản xạ, bức xạ, hấp thụ và phân tách sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau. Các đặc trưng này được gọi là đặc trưng phản xạ phổ của đối tượng và chính chúng là tín hiệu để nhận biết đối tượng trong kỹ thuật viễn thám. Năng lượng bức xạ mặt trời sau khi chiếu xuống mặt đất, tiếp cận với vật thể sẽ được chia làm 3 phần:
o Năn g lượng bị hấp thụ.
o Năn g lượng truyền qua vật thể và phản xạ trở lại.
o Năn g lượng phản xạ ngay từ bề mặt tiếp xúc.
Ø Trong 3 phần trên thì năng lượng phản xạ, bao gồm phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng và phản xạ sau khi truyền qua vật thể là nguồn tư liệu, là phương tiện truyền tin trong kỹ thuật viễn thám. Tùy thuộc vào bản chất của đối tượng, phần năng lượng truyền qua sau khi bị tán xạ bởi cấu trúc bên trong, khi phản xạ trở lại sẽ có thành phần đặc trưng cho tính chất của từng đối tượng.
Ø Cấu trúc bề mặt của vật thể đóng vai trò quan trọng đối với tính chất phản xạ năng lượng. Vật thể có bề mặt phẳng, mịn các tia phản xạ sẽ có cùng một hướng, bề mặt vật thể thô ráp, tia phản xạ truyền đi mọi hướng.
Ø Các đối tượng tự nhiên phủ trên bề mặt rất đa dạng và phức tạp, để nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ cần phải khái quát và phân loai. Có nhiều quan điểm phân loại và cách gọi, nhưng phổ biến nhất là phân làm 3 loại nhóm chính:
o Nhóm thực vật.
o Nhóm phi thực vật (đất trống, công trình xây dựng, dân cư…)
o Nhóm nước.
Ø Khả năng phổ xạ của nước:
ü Khả năng phổ xạ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Khả năng phản xạ phổ ở đây còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết.
Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước
ü Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại do vậy, 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 thủy văn, ao hồ…. Ở dải sóng nhìn thấy khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp. Viết phương trình cân bằng năng lượng và nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng nhìn thấy :
E ( λ) = E ρ( λ) + EH ( λ) + ET ( λ) (2-5)
E ( λ) = E ρ( λ) + E α( λ) + E (2-6)
+ Như hình dưới nước cất bị hấp thụ ít năng lượng ở dải sóng nhỏ hơn 0,6µ và thấu quang nhiều hơn năng lượng ở dải sóng ngắn. Nước biển, nước ngọt và nước cất có chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên độ thấu quang của nước đục rõ rệt và có bước sóng càng dài có độ thấu quang càng lớn.
+ Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ít ở dải sóng nhìn thấy chứng tỏ rằng đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong thì ảnh viễn thám ghi nhận được ở dải sóng nhìn thấy là nhờ năng lượng phản xạ của chất đáy : cát, đá...
+ Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào bước sóng như sau:
Bước sóng
|
Độ thấu quang
|
0,5 - 0,6 µ
|
Đến 10m
|
0,6 - 0,7 µ
|
3m
|
0,7 - 0,8 µ
|
1m
|
0,8 - 1,1 µ
|
Nhỏ hơn 10cm
|
Bảng: Độ thấu quang phụ thuộc và bước sóng
+ Tuy nhiên trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như nước cất. Thông thường trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ vì vậy khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước. Các nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ cao hơn nước trong, nhất là những dải sóng dài. Người ta xác định rằng với độ sâu tối thiểu là 30m, nồng độ tạp chất gây đục là 10mg/lít, thì khả năng phản xạ phổ lúc đó là hàm số của thành phần nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất đáy.
+ Người ta đã chứng minh rằng khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất nhiều vào độ đục của nước, ở dải sóng 0,6 - 0,7µ người ta phát hiện rằng giữa độ đục của nước và khả năng phản xạ phổ có một mối liên hệ tuyến tính. Hàm lượng Clorophin trong nước cũng là một yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của nước. Nó làm giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng ngắn và tăng phản xạ phổ của nước ở bước sóng màu xanh lá cây. Ngoài ra còn một số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn tới khả năng phản xạ phổ của nước, nhưng cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể hiện được rõ qua sự khác biệt của phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khí mêtan, ôxi, nitơ, cacbonic...trong nước.
Hãy like nếu bài viết có ích →
Kết bạn với gisgpsrs trên Facebook
để nhận bài viết mới nóng hổi
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét