Bài giảng Viễn thám - Nguyễn Đình Tiến (Phần 1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM, ĐẠI HỌC HUẾ 
KHOA TÀI NGUYÊN ĐẤT VÀ MÔI TRƯỜNG NÔNG NGHIỆP 
------ 
BÀI GIẢNG 
MÔN: VIỄN THÁM 
Người biên soạn: Ths Nguyễn Đình Tiến 
Huế, 2020
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
MỤC LỤC 
PHẦN LÝ THUYẾT .................................................................................................................. 1 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VIỄN THÁM ................................................................................ 1 
1.1. Định nghĩa ....................................................................................................................... 1 
1.2. Lịch sử phát triển của viễn thám ...................................................................................... 1 
1.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám ...................................................................................... 3 
1.4. Phân loại viễn thám .......................................................................................................... 4 
1.5. Phân loại bộ cảm .............................................................................................................. 6 
1.5.1. Khái niệm chung về bộ cảm ......................................................................................... 6 
1.5.2. Phân loại bộ cảm .......................................................................................................... 7 
1.6. Vật mang và quỹ đạo bay ................................................................................................. 8 
1.6.1. Phân loại vật mang ....................................................................................................... 8 
1.6.2. Quỹ đạo bay và các thông số cơ bản ............................................................................. 9 
1.7. Các tài liệu tham khảo cho việc xử lý tư liệu viễn thám .................................................. 10 
1.7.1. Ảnh tương tự .............................................................................................................. 10 
1.7.2. Ảnh số ........................................................................................................................ 10 
1.7.3. Số liệu mặt đất ........................................................................................................... 12 
1.7.4. Số liệu định vị mặt đất ................................................................................................ 13 
1.7.5. Bản đồ và số liệu địa hình........................................................................................... 13 
1.8. Truyền và thu số liệu vệ tinh .......................................................................................... 13 
1.9. Giới thiệu một số ảnh vệ tinh ......................................................................................... 15 
1.9.1. Vệ tinh ASTER .......................................................................................................... 15 
1.9.2. Vệ tinh ALOS-2 ......................................................................................................... 16 
1.9.3. Vệ tinh LANDSAT .................................................................................................... 17 
1.9.4. Vệ tinh SPOT ............................................................................................................. 21 
1.9.5. Vệ tinh SENTINEL .................................................................................................... 24 
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM .................................................................. 27 
2.1. Các nguồn năng lượng và các nguyên lý bức xạ ................................................................. 27 
2.2. Tính chất hạt và sự truyền năng lượng của ánh sáng ........................................................... 29 
2.3. Tương tác năng lượng trong khí quyển ............................................................................... 31 
2.4. Các cửa sổ khí quyển ......................................................................................................... 33 
2.5. Sự tương tác năng lượng với các đối tượng trên mặt đất ..................................................... 34 
2.6. Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính .............................................................. 36 
2.7. Một số yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên ............................... 37 
2.7.1. Ảnh hưởng của yếu tố không gian ................................................................................... 37 
2.7.2. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian ...................................................................................... 38 
2.7.3. Ảnh hưởng của khí quyển ............................................................................................... 38 
3.1.1. Khái niệm chung ................................................................................................. 42 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
3.1.2. Các kênh phổ chính sử dụng trong radar ............................................................. 42 
3.1.3. Các ứng dụng chính của radar ............................................................................. 43 
3.3.1. Độ phân giải không gian của hệ thông thu ảnh radar ........................................... 46 
3.3.2. Những đặc điểm méo hình học của ảnh radar ...................................................... 48 
3.3.3. Bóng trên ảnh radar (Shadown) ........................................................................... 49 
3.3.4. Độ nhám bề mặt của ảnh radar ............................................................................ 49 
3.3.5. Hiệu ứng phản xạ góc (coner reflect) ................................. ... hành các đường 
trên phim, trên đó có các giá trị khác nhau về độ sáng, giá trị này liên quan đến cường độ 
của các xung tín hiệu radar thu được. Tín hiệu radar có thể được thu từ một phía hoặc 2 
phía sườn của thiết bị. 
Hệ radar nhìn xiên lắp trên máy bay được viết tắt là SLAR (Side Looking Airborne 
Radar). Hoạt động của hệ thống là: một chùm xung phóng từ radar đặt trên máy bay và tín 
hiệu phản hồi từ vật lại được chính radar này thu nhận bằng hệ thống anten và thiết bị thu 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 46 
rồi truyền vào theo hệ thông xử lý (hình 3.2). 
Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của một hệ SLAR: a- Truyền một xung radar với 
trường sóng trong khoảng thời gian từ 1-17, b- kết quả tia phản hồi radar 
3.3. Đặc điểm của ảnh radar 
3.3.1. Độ phân giải không gian của hệ thông thu ảnh radar 
Ảnh radar có 2 khái niệm về độ phân giải: 
Độ phân giải của một ảnh radar lên mặt đất phụ thuộc vào độ dài của xung và độ rộng 
của chùm anten. Có hai khái niệm chính về phân giải không gian, là phân giải theo hướng 
bắn (range resolution) và phân giải theo phương vị (azimuth resolution). Ngoài ra, còn có 
khái niệm về độ phân giải mặt đất của ảnh radar. 
a. Độ phân giải theo hướng bắn (range resolution) 
Phân giải theo hướng bắn là khả năng phân cách hai đối tượng không gian nằm gần 
nhau theo hướng bắn tia radar. Điều này đạt được khi tín hiệu phản hồi của tất cả các phần 
trên hai vật sẽ thu nhận bởi anten sẽ phải phân cách nhau. 
Hình 3.3. Độ phân giải theo hướng bắn 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 47 
Bất kỳ sự chồng tín hiệu từ hai vật sẽ gây ra hiện tượng mờ ảo. Hiện tượng này được 
minh họa trên hình 3.3. Phân giải theo hướng bắn phụ thuộc vào khoảng cách từ máy bay 
và đối tượng. R(r) được xác định bởi thời gian của xung truyền năng lượng và bằng nửa 
độ dài của xung. Độ phân giải theo hướng bắn được tính theo công thức: 
Đối với góc ép được đo bằng 50 độ, một xung có độ dài thời gian: 
Tuy nhiên, hiện tượng phân giải phân vị chỉ được biểu hiện rõ trên ảnh một khi đối 
tượng có kích thước đủ lớn và còn phụ thuộc vào góc bắn hoặc góc ép của tia radar. Ví dụ, 
với trường hợp góc ép = 50° thì các đối tượng có được sự phân giải khi chúng có sự phân 
cách > 23 m theo hướng bắn. Hình 3.4 minh hoạ cho độ phân giải của radar theo hướng 
bắn tia radar. Khi vật có sự phân cách đủ lớn thì độ phân giải theo hướng bắn được thể hiện 
trên mặt đất, lúc đó gọi là độ phân giải mặt đất (hình 3.3). 
Hình 3.4. Các đối tượng có sự phân giải theo hướng bắn khác nhau 
b. Độ phân giải phương vị (azimuth resolution) 
Độ phân giải phương vị được xác định bằng độ rộng của dải quét tia radar (ra) và xác 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 48 
định bằng sự liên hệ giữa góc phương vị của tia p do anten phát ra và độ phân giải theo 
hướng bắn trên mặt đất (hình 3.5). 
Thông thường, anten có độ rộng khá lớn (tới vài mét), người ta phải cải tiến để làm 
giảm kích thước anten bằng phương pháp tạo độ mở tổng hợp (synthetic apperture Radar 
- SAR). Dựa theo nguyên lý dịch chuyển tần số của hiệu ứng Doppler. 
Hình 3.5. Phân giải phương vị đo bởi khoảng cách của cung xác định 
độ rộng của chùm theo góc Be tại anten, hoặc góc p tại mặt đất 
3.3.2. Những đặc điểm méo hình học của ảnh radar 
3.3.2.1. Sự méo hệ thống của ảnh (Image distortion) 
Sự méo của ảnh radar có nhiều loại và phụ thuộc vào hướng bắn của tia radar, ảnh 
radar SLAR có thể được ghi theo hai hệ thống: 
- Ghi ảnh dọc theo hướng bắn của tia (Slant range image). 
- Ghi ảnh dọc bề mặt đất theo hướng bắn của tia (Ground range image) 
Như vậy, trên hình ảnh thu theo hướng bắn, kích thước của các đối tượng bị méo đi 
theo xu hướng càng xa hướng bắn, hình ảnh của đối tượng càng bị kéo dài hơn. 
Ngoài thông số về độ cao máy bay hoặc vệ tinh, các giá trị GR và SR thực trên ảnh 
còn phụ thuộc vào những thông số khác của hệ thống tạo ảnh. Vì vậy đối với ảnh radar, 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 49 
việc nắn chỉnh hình học đòi hỏi phải dựa vào nhiều thông số để tính toán. 
3.3.2.2. Độ lệch của địa hình (Relief Displacement) 
Không giống như ảnh máy bay, hướng lệch của địa hình trên ảnh radar lại phụ thuộc 
vào hướng bay và hướng bắn của tia và góc ép của tia. Trên ảnh radar, các đối tượng có 
chiều cao lớn hơn thì đỉnh của chúng đều có xu hướng tiến gắn tới hướng đường bay hơn 
là phần đáy của đối tượng còn phần thấp của địa hình có xu hướng nằm ở xa đường bay 
hơn. 
3.3.3. Bóng trên ảnh radar (Shadown) 
Do tia radar phóng ra nhìn nghiêng một phía so với địa hình, phần sườn phơi ra phía 
tia chiếu tới sẽ có sự phản hồi lại. Ở phần sau của đối tượng, không có sự phản hổi trở về 
của tia radar, nên không có tín hiệu. Khu vực đó trên ảnh có màu đen và được gọi là khu 
vực bóng radar. Có hai yếu tố chi phối độ dài của bóng trong ảnh radar: 
- Đối tượng có sự chênh cao tương đối với đáy thì bóng càng dài. 
- Càng xa hướng bay (góc ép càng nhó) thì bóng càng dài. 
- Các tia tương ứng với góc ép khác nhau thì có độ dài bóng khác nhau. 
Hình 3.6. Các góc ép khác nhau và bóng tương ứng của đối tượng trên ảnh radar 
3.3.4. Độ nhám bề mặt của ảnh radar 
Là thông số quan trọng của ảnh radar. Để phân biệt các đối tượng độ nhám được xác 
định theo tiêu chuẩn Reileigh. 
- Bề mặt được coi là gồ ghề (nhám ) khi: 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 50 
 Hình 3. 7 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 51 
Bề mặt có độ cao h nằm ở giữa 2 giá trị đó gọi là bề mặt trung bình. 
Bảng 3.3. Chỉ tiêu chung của bề mặt với các band radar với góc ép 40° 
Tiêu chuẩn 
nhám 
K band (λ =0.86cm) 
Y = 40° 
X band (λ = 3cm) 
Ỵ = 40° 
L band (λ = 25cm), y = 
40° 
Nhẵn 
Trung bình 
Thô 
h < 0,05cm 
h = 0,05 - 0,30cm 
h > 0,30cm 
h < 0,19cm 
h = 0,19- 1,06cm 
h > 1,06cm 
h < 1,46cm 
h= 1,41 -8,04cm 
h > 8,35cm 
Như vậy, với giá trị độ cao của địa hình đo được thì địa hình có thổ có độ nhám khác 
nhau đối với các dải sóng radar khác nhau (hình 3.7). 
3.3.5. Hiệu ứng phản xạ góc (coner reflect) 
Là hiện tượng tia radar chiếu tới các vật có độ nhám lớn. Tia Radar lới được phản xạ 
tại vị trí góc của đối tượng và năng lượng radar phản hổi trở về là cực đại (hình 3.8). 
Hình 3.8. Mô phỏng độ nhám trên ảnh radar và hiệu ứng phản xạ góc của tia radar 
Hiện tượng phản xạ góc xảy ra phụ thuộc vào độ nhám của đối tượng, nghĩa là phụ 
thuộc vào cả chiều cao của đối tượng và bước sóng của tia Radar (hình 3.7). Nghĩa là có 
đối tượng thể hiện phản xạ góc với band sóng ngắn hơn của tia radar (band K) song lại 
phản xạ góc yếu ở band sóng radar dài hơn (band L). 
3.3.6. Khả năng tạo ảnh lập thể của ảnh radar 
Hai ảnh radar chụp ở hai góc ép khác nhau cùng hướng bay hoặc từ hai hướng ngược 
nhau hoặc từ 2 độ cao khác nhau sẽ cho khả năng tạo ảnh lập thể. Việc nhìn hình ảnh lập 
thể được thực hiện theo nguyên tắc nhìn lập thể của ảnh hàng không thông thường. Bên 
cạnh đó, cũng có thể tạo ảnh radar lập thể theo nguyên tắc giao thoa sóng phản hồi, với 
năng lượng là hàm của bước sóng radar và thời gian truyền (hình 3.9). Phương pháp này 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 52 
được thực hiện phổ biến hơn trong kỹ thuật ảnh radar và cho độ chính xác rất cao (tới 
centimet). Tuy nhiên việc xử lý là phức tạp vì phải tính nhiều tham số liên quan đến thời 
gian thu nhận tín hiệu của tia từ lúc phát đi đến khi trở về, độ rộng của anten radar, sự phân 
cực của sóng radar... 
Hình 3.9. Ảnh radar chụp giao thoa để nghiên cứu độ cao địa hình 
3.3.7. Sự phân cực của radar 
Hình 3.10. Ảnh radar vùng núi Oachita kênh K trong đó (a)- phân cực HH và ( b) - 
HV (theo Thomas M. Lillesand và Ralph w. Kiefer, 2000) 
3.3.8. Sự phụ thuộc của tín hiệu radar vào hệ số điện môi của vật chất 
Vật có hằng số điện môi thấp sẽ phản xạ sóng radar thấp hơn vật có hằng số điện môi 
cao. Lý do là vật có hằng số điện môi thấp sẽ cho khả năng xuyên sâu vào vật và phản xạ 
bề mặt của sóng radar sẽ ít đi. Đại đa số đá và đất có hằng số điện môi lổ hợp từ 3-8, trong 
khi đó nước có hằng số điện môi 80. Sự tăng độ ẩm của đất, đá sẽ làm tăng hằng số điện 
môi của của chúng. Thông thường thực vật có độ ẩm cao và có diện phủ lớn nên có đặc 
tính phản xạ sóng radar mạnh. Hằng số điện môi của thực vật thay đổi theo điều kiện quyển 
khí. Các vật chất kim loại phản xạ mạnh sóng radar vì vậy, các đối tượng như cầu sắt, 
đường sắt, và các bề mạt kim loại trên ảnh radar chúng xuất hiện rất sáng. 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 53 
3.3.9. Hệ số phản xạ thể tích của ảnh radar 
Nếu vật chất không đồng nhất về hình dạng, thành phần, độ ẩm thì năng lượng truyền 
tới tiếp tục tán xạ và hiện tượng này gọi là phản xạ thể tích. Một phần phản xạ này tới được 
radar (bộ cảm) cho thông tin về phần dưới lớp phủ. 
Hình 3. 11. Tán xạ thể tích, (a)- tia tới truyền qua và sau đó tán xạ trong vật liệu 
không đồng chất; (b)- tán phản xạ thổ lích trong môi trường có cây với đô cao và 
tán khác nhau ( thu thâp cùa Nguyễn Vãn Đài) 
Trong thiên nhiên, tán xạ cả trên bề mặt và thể tích (hình 3.11) thường xảy ra dồng 
thời và hiệu ứng tương quan của chúng khác nhau trong các trường hợp riêng biệt. Đối với 
sóng radar, mặt nước cho tán xạ bề mặt, còn đối với thực vật lại cho tán xạ thể tích. Sự đa 
phản xạ từ nhánh con, cành, lá ... do tán xạ ảnh hưởng đến cường độ của tín hiệu radar 
phản hồi và khử cực truyền tín hiệu radar. Tán xạ thể tích dẫn đến tăng cường độ tín hiệu 
trên ảnh phân cực chéo. Đặc tính này có thể dùng để phân biệt các loại thực vật và mật độ 
thực vật. Hệ số tổng hợp của tán xạ thể tích là một hàm nhiều biến như bước sóng, phân 
cực của chùm tới và dặc tính điện môi và hình học cúa dối tượng. 
3.4. Viễn thám radar bị động 
Viễn thám radar bị động dựa trên các nguyên tắc kỹ thuật của lĩnh vực bức xạ điện 
từ. Rất nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu trong kỹ thuật thu ảnh radar bị động do nguồn 
bức xạ tia radar là nguồn tự nhiên phản hồi lại ánh sáng mặt trời. Các bức xạ đó là rất yếu 
và bị phản xạ do phải truyền qua khí quyển 2 lần. Các vấn đề kỹ thuật cần phải quan tâm 
đến là: độ nhạy cảm của thiết bị, độ chính xác, dải phổ lựa chọn, hướng thu nhận. Vì vậy 
nghiên cứu về chất lượng hình ảnh và việc phân tích cũng đòi hỏi những yêu cần kỹ thuật 
riêng cho từng mục tiêu sử dụng. Cũng vì lý do đó mà việc phát triển viễn thám radar bị 
động còn rất hạn chế. Về nguyên tắc chung, viễn thám radar bị động cũng giống như viễn 
thám với dải nhìn thấy và hồng ngoại. Tuy nhiên, để thu được tín hiệu radar phản hồi có 
cường độ yếu, người ta áp dụng nguyên tắc biểu thị nhiệt độ anten (Apparent anten 
temperature), đó là hệ thống hiệu chỉnh tín hiệu nhiệt của anten, với quan niệm tín hiệu 
nhiệt độ liên quan tới các bức xạ ớ dưới mặt đất, trong đó có tín hiệu sóng cực ngắn. 
Nguyên tắc thu nhận hình ảnh cũng theo nguyên tắc quét, tín hiệu thu được, chuyển hoá 
thành tín hiệu số rồi ghi vào băng tư liệu, đĩa từ, cuối cùng chúng được chuyển thành hình 
ảnh. 
Viễn thám radar bị động chỉ chụp ảnh vào ban ngày. Trung tâm NASA đã chụp được 
Tia tói 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 54 
một số bức ảnh mặt đất ở vùng châu Mỹ bằng thiết bị đặt trên máy bay ở độ cao thấp 760 
met. Trên đó, các thông tin về độ ẩm và nhiệt độ được phản ánh một cách tương đối rõ 
bằng các tone ảnh tối (ẩm, ấm) và sáng (lạnh, khô). 
3.5. Viễn thám laser (LIDAR) 
LIDAR là phương pháp Viễn thám sử dụng tia laser để thăm dò các đối tượng (Light 
Detection and Ranging _ LIDAR). Đây là phương pháp viễn thám chủ động: với cường độ 
mạnh, các tia laser được phóng xuống địa hình rồi phản hồi trở lại, ghi lại thành các tín 
hiệu điện hoặc từ. Thiết bị thu phát dược đặt trên máy bay, khi chiếu xuống mặt đất, tia 
laser bị hấp thụ, khúc xạ hoặc tán xạ. Tín hiệu hiệu trở về có cường độ khác nhau do tác 
động của các đối tượng tự nhiên, ngoài ra còn phụ thuộc vào khoảng cách từ đối tượng đến 
thiết bị. Dựa vào các đặc tính đó, các tín hiệu laser thu được có thể phản ánh một số tính 
chất của đối tượng như độ cao của cây, sinh khối, độ sâu đáy của vùng có nước che phủ,... 
Hình 3.12. a- kênh X cho tín hiệu phản hồi dạng phân tán (bổ mặt gồ ghề) của các 
thửa ruộng có thực vật. b- Tín hiệu radar trên kênh L cho tín hiệu thu được của các 
vùng ẩm ướt 
3.6. Các loại tư liệu viễn thám radar phổ biên 
Hiện nay có nhiều vệ tinh của các nước có hệ thống quét ảnh radar như : Nga, Mỹ, 
cộng đồng Châu Âu, Nhật Bản, Canada.. có thể thống kê trong bảng 3.4 một số thông số 
kỹ thuật của các hệ thông quét ảnh radar vệ tinh chủ động. 
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark
 55 
Bảng 3.4. Đặc tính của một sô' vệ tinh radar chủ động của các nước (theo Nguyễn 
Van Đài) 
Đặc tính 
Almaz-1 
(Nga) 
ERS-1 
(ESA) 
ERS-2 
(ESA) 
Envisat-1 
(ASAR), 
ESA 
JERS-1 
(Nhật) 
Radarsat-1 
(Canada) 
Ngày 
phóng 
31/3/1991 17/7/1991 21/4/1995 7/2001 11/2/199 
2 
4/11/1995 
Tuổi thọ 2 3 3 5 2 5 
đô cao 
(km) 
300/ 360 785 785 
800 
568 798 
Kênh s c c c L c 
Sự phân 
cực 
HH w w HH, HV, w, 
VH 
HH HH 
Góc nhìn 
độ 
20-70 23 23 14-45 35 10-60 
Đô phủ 
(km) 
350 
100 100 
58-405 75 45-500 
Độ phân 
giải (m) 
10-30 30 30 30-1000 18 8-100 
Hình 3.13. Các mốt tạo ảnh của Radasat-1 có kích thưưc và độ phân giải khác nhau, 
tùy thuộc vào góc ép của tia radar
PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark