Chương 3: Những kiến thức cơ bản về Viễn Thám (RS)
Mục đích:
Chương này nhằm trang bị cho người đọc những kiến thức nền tảng về Viễn Thám (RS), bao gồm:
- Lịch sử phát triển của RS trên thế giới và tại Việt Nam.
- Định nghĩa, nguyên lý hoạt động và các thành phần cấu tạo của hệ thống RS.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng sóng điện từ và quá trình phản xạ phổ.
- Các loại hình RS và những vệ tinh chuyên dụng.
- Tổng quan về vật mang và bộ cảm biến trong RS.
1. Lịch sử phát triển
Thuật ngữ “Viễn Thám” ra đời năm 1960, nhưng lịch sử của nó đã có từ trước đó với những bức ảnh chụp từ khinh khí cầu vào năm 1858 và từ máy bay năm 1909. Ban đầu, công nghệ này chủ yếu phục vụ cho việc lập bản đồ và khoa học quan trắc. Trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất, chụp ảnh trên không được sử dụng với quy mô lớn hơn, phục vụ cho mục đích do thám và xử lý ảnh nhanh chóng. Các tiến bộ trong những năm 1920-1930 đã biến ảnh trên không thành nguồn thông tin tin cậy để biên tập bản đồ. Phim màu và các công nghệ nghiên cứu khoa học khác đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của viễn thám trong Chiến tranh Thế giới thứ hai, đặc biệt trong lĩnh vực trinh sát quân sự và nghiên cứu vùng ven biển.
Sự ra đời của vệ tinh vào năm 1957 (SPUTNIK-1) và việc truyền ảnh Trái Đất từ vệ tinh năm 1959 đã mở ra kỷ nguyên mới cho viễn thám. Vệ tinh thời tiết đầu tiên (TIROS-1) năm 1960 đã cho thấy tiềm năng to lớn trong việc lập bản đồ và giám sát mặt đất trên phạm vi rộng lớn. Các vệ tinh tài nguyên như LANDSAT sau này đã cung cấp ảnh chi tiết hơn, hỗ trợ nghiên cứu trên biển. Các hệ thống như NIMBUS-7 và SEASAT tiếp tục phát triển khả năng giám sát môi trường biển.
Máy bay vẫn đóng vai trò quan trọng nhờ tính linh hoạt. Sự phát triển của công nghệ máy tính đã cách mạng hóa việc xử lý ảnh, cho phép phân tích dữ liệu hiệu quả hơn. Thách thức hiện nay là làm sao cung cấp thông tin kịp thời và dễ dàng truy cập.
Ở Việt Nam
Công nghệ viễn thám được ứng dụng tại Việt Nam từ những năm 1970, ban đầu tập trung vào địa chất và lâm nghiệp. Đến những năm 1990-1995, viễn thám được mở rộng sang các lĩnh vực khác như nông nghiệp, giám sát môi trường, quy hoạch và nghiên cứu khoa học, mang lại nhiều kết quả ý nghĩa.
Hiện nay, nhiều tổ chức chuyên nghiệp hoạt động trong lĩnh vực viễn thám, với sự gia tăng đáng kể về số lượng và phạm vi ứng dụng. Công nghệ viễn thám trở thành công cụ phổ biến cho nghiên cứu khoa học, quản lý và lập bản đồ tài nguyên thiên nhiên. Các dự án nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao chất lượng và hiệu quả các nghiên cứu cơ bản, đặc biệt trong các lĩnh vực về biển, sinh thái, khoa học trái đất, môi trường và quy hoạch.
Dữ liệu viễn thám phổ biến nhất là ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp và trung bình, chủ yếu phục vụ cho quản lý tài nguyên, giám sát biến động môi trường và cập nhật bản đồ chuyên đề. Các phương pháp giải đoán ảnh thủ công và tự động dựa trên pixel đang được áp dụng. Gần đây, việc sử dụng ảnh có độ phân giải không gian cao đang được đẩy mạnh cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.
2. Định nghĩa Viễn thám
Viễn thám (Remote Sensing - RS) là một ngành khoa học nghiên cứu đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Nó bao gồm việc thu nhận thông tin về bề mặt Trái Đất bằng cách quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ từ các đối tượng, sau đó phân tích, xử lý và ứng dụng thông tin thu thập được.
3. Nguyên lý làm việc của RS
Nguyên lý cơ bản của RS dựa trên việc đo lường và phân tích năng lượng sóng điện từ (phản xạ hoặc bức xạ) từ các vật thể. Năng lượng này được thu nhận bởi bộ cảm biến (sensor) đặt trên vật mang (platform) như máy bay hoặc vệ tinh. Quá trình này gồm 5 thành phần chính:
- Nguồn cung cấp năng lượng.
- Sự tương tác của năng lượng với khí quyển.
- Sự tương tác của năng lượng với các vật thể trên bề mặt Trái Đất.
- Chuyển đổi năng lượng thành dữ liệu ảnh số bởi bộ cảm biến.
- Hiển thị ảnh số để giải đoán và xử lý.
4. Những thành phần trong RS
Hệ thống viễn thám bao gồm 7 phần tử tương tác chặt chẽ với nhau:
- Nguồn năng lượng (A): Cung cấp năng lượng để chiếu sáng hoặc phát năng lượng điện từ đến đối tượng.
- Tia phát xạ và khí quyển (B): Năng lượng đi qua khí quyển và tương tác với nó.
- Sự tương tác với đối tượng (C): Năng lượng tương tác với đối tượng (truyền qua, hấp thụ, phản xạ).
- Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D): Bộ cảm biến tập hợp và thu nhận sóng điện từ mang thông tin về đối tượng.
- Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): Dữ liệu từ bộ cảm được truyền đến trạm tiếp nhận để xử lý thành ảnh thô.
- Giải đoán và phân tích ảnh (F): Xử lý ảnh thô để nhận biết và trích xuất thông tin về đối tượng.
- Ứng dụng (G): Sử dụng thông tin thu thập được để giải quyết các vấn đề thực tế.
5. Yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng sóng điện từ
Năng lượng sóng điện từ bị hấp thụ và tán xạ bởi khí quyển tùy thuộc vào bước sóng. Các “cửa sổ khí quyển” là những dải bước sóng ít bị ảnh hưởng, được ưu tiên sử dụng trong viễn thám. Các dải phổ như tia cực tím, khả kiến, hồng ngoại gần, hồng ngoại nhiệt và vô tuyến (Radar) đều có những đặc điểm tương tác khác nhau với khí quyển và bề mặt Trái Đất.
6. Phân loại ảnh viễn thám
Viễn thám được phân loại theo vùng bước sóng sử dụng:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ: Sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời, cho ảnh quang học.
- Viễn thám hồng ngoại nhiệt: Sử dụng năng lượng bức xạ nhiệt do vật thể sinh ra, cho ảnh nhiệt.
- Viễn thám siêu cao tần: Sử dụng kỹ thuật chủ động (Radar) hoặc bị động để ghi nhận năng lượng sóng vô tuyến, không bị ảnh hưởng bởi mây, mưa, ngày đêm.
7. Tổng thể về vật mang
Vật mang là phương tiện đưa bộ cảm biến lên độ cao và vị trí cần thiết để thu nhận thông tin. Các vật mang phổ biến bao gồm vệ tinh và máy bay. Máy bay được xem là dạng viễn thám đầu tiên, còn vệ tinh cung cấp ảnh đa phổ, đa thời gian với khả năng bao phủ toàn cầu. Các loại vật mang khác như thang trượt, khinh khí cầu, tàu con thoi cũng được sử dụng cho các mục đích cụ thể.
Vệ tinh nhân tạo có vai trò quan trọng trong viễn thám, cung cấp ảnh có độ phân giải cao và khả năng chụp lặp lại theo chu kỳ. Quỹ đạo của vệ tinh (địa tĩnh, địa đồng bộ, cực) ảnh hưởng đến khả năng quan sát và thu thập dữ liệu.