Bài giảng Viễn thám đại cương - Chương 3: Các loại bộ cảm biến điện từ và hệ thống tạo ảnh viễn thám

11/1/2013
1
Chương III:
CÁC LOẠI BỘ CẢM BiẾN
ĐiỆN TỪ VÀ HỆ THỐNG TẠO
ẢNH VIỄN THÁM
GVGD: TS. Lê Thị Kim Thoa
Khoa Địa Lý
Trường ĐH Khoa học Xã Hội và Nhân văn TP HCM
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
1- Xét về nguồn năng lượng:
- chủ động (active)
- bị động (passive)Bộ cảm có 2 loại:
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor):
- Ghi nhận sóng phản xạ của
vật thể khi có nguồn năng
lượng tự nhiên
=> Khi nguồn năng lượng tự
nhiên không còn, bộ cảm ghi
nhận các đối tượng trên bề mặt
trái đất ntn?
=> Vào ban đêm, thiết bị ghi nhận này sẽ không ghi
nhận được hình ảnh?
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor):
Hoặc
- Ghi nhận sóng bức xạ phát ra
từ chính vật thể đó.
- Mỗi vật thể thường có nguồn
bức xạ nhiệt riêng, tồn tại trong
thành phần cấu tạo của chúng.
=> Bộ cảm thụ động có thể ghi nhận bức xạ nhiệt
của các vật thể này cả ban ngày lẫn đêm?
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
1.1. Bộ cảm thụ động (passive sensor):
- Ưu khuyết điểm?
+ Lệ thuộc vào nguồn năng lượng tự
nhiên.
+ Bộ cảm này hoạt động kém tại
những vùng ở gần vĩ độ cực.
+ Ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết
- Các vệ tinh mang các bộ cảm thụ
động: Landsat, SPOT, IRS.
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor):
- Bộ cảm phát ra nguồn năng
lượng điện từ đến các vật thể
quan tâm.
- Khi chùm tia năng lượng này
tới các vật thể thì nó phản xạ về
thiết bị ghi nhận
=> Ưu khuyết điểm của bộ cảm
chủ động?
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
11/1/2013
2
1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor):
+ Ưu khuyết điểm:
- Ghi nhận cả ngày lẫn đêm, hay
tất cả các mùa trong năm, ngay
cả điều kiện thời tiết xấu.
- Có thể bổ sung nguồn thông
tin đối tượng quan tâm trong
thời điểm bộ cảm thụ động
không cung cấp được.
- Cần có nguồn năng lượng lớn đủ sức thay thế
nguồn năng lượng tự nhiên
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
1.2. Bộ cảm chủ động (Active sensor):
- SLR (Side Looking Radar)
- SLAR (Side Looking Airborne Radar)
+ Lập bản đồ địa chất
+ Thăm dò quặng mỏ
+ Lập bản đồ ngập lũ
+ Bản đồ mưa, độ ẩm....
- Ứng dụng bộ cảm radar
+ Thám sát bề mặt đại dương: xác định sóng, gió,
điều kiện băng tuyết, đáy đại dương
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Bão Juan trước
khi đổ bộ vào
đất liền vùng
Harifax, Canada
ngày 29/9/2003
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
2- Xét về bước sóng của phổ điện từ:
Bộ cảm được chia thành 3 loại:
- Bộ cảm quang học :cận cực tím,nhìn thấy, gần
hồng ngọai
- Bộ cảm nhiệt: phổ sóng hồng ngọai giữa
- Bộ cảm radar : phổ sóng microwave
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
2.1. Bộ cảm quang học
- Các vật thể khi tiếp xúc với năng lượng sóng điện từ sẽ
phát ra nguồn năng lượng phản xạ ở vùng phổ cực cực tím,
nhìn thấy và gần hồng ngọai. Nguồn năng lượng này được
bộ cảm viễn thám quang học ghi nhận.
Bộ
cảm
quang
học
Spectrum of lightUV
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
2.1. Bộ cảm quang học
- Các sóng phản xạ của vật thể hầu như chỉ diễn ra trong
vùng cận cực tím, nhìn thấy và gần hồng ngoại (0,25 – 3µm)
Bộ cảm
quang học
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
11/1/2013
3
- Vùng tia cực tím – Ultraviolet (UV)
- Vùng phổ có bước sóng ngắn nhất
nằm ngay sau vùng nhìn thấy
- Một vài đối tượng trên trái đất: đá hay
các khoáng vật được các thiết bị viễn
thám ghi nhận trong vùng cận cực tím.
- UV-A (315 - 400 nm): hấp thụ ít khi
qua tầng ozone
- UV-B (280 - 315 nm): hấp thụ mạnh
khi qua tầng ozone => Có hại cho da và
mắt.
- UV-C (100 - 280 nm): hấp thụ hoàn
toàn khi qua tầng ozone => không tới
được trái đất.
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
- Vùng nhìn thấy (thị phổ)
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
- Vùng hồng ngoại
- Trong vùng hồng ngoại, bộ cảm quang học
chỉ ghi nhận được phản xạ của vật thể ở vùng
hồng ngoại phản xạ (0,7 – 3µm)
0,7 1000 um3 um
Reflected IR Thermal IR
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Sattlite Sensors Bands
Landsat
185x185 km
RBV – Return Bean Vidicon (80m)
MSS – Multi-Spectral Scanner (79)
TM – Thematic Mapper (30m)
ETM –Enhanced Thematic
Mapper (15m)
1: 0.45 – 0.52 μm(TM)
2: 0.52 – 0.60 μm
3: 0.63 – 0.69 μm
4: 0.76 – 0.90 μm
5: 1.55 – 1.75 μm
6: 10.40 – 12.50 μm
7: 2.08 – 2.35 μm
NOAA
2700x2700km
Res: 1km
VHRR -Very High Resolution
Radiometer
AVHRR-Advanced Very High
Resolution Radiometer
SARSAT -Search and Rescue
Satellite-Aid Tracking
(AVHRR)
1: 0.58 – 0.68 μm
2: 0.72 – 1.10 μm
3: 3.55 – 3.93 μm
4: 10.50 – 11.50 μm
5: 11.50– 12.50 μm
- Một số bộ cảm quang học
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Sattlite Sensors Bands
SPOT
60x 60km
HRV- High resolution visible
(10/20m)
HRVIR- High Resolution Visible
Infrared
HRG - High Resolution
Geometric (5/10m -> 2,5m)
Pan:0,51 – 0,73µm
Mul Spectral:
0,5-0,59µm
0,61 – 0,68m
0,79 – 0,89µm
IKONOS
11x11 km
(Sep 1999)
Pan: 1m
Mul: 4 m
Pan: 0,45 – 0,9µm
Mul: 0,45 – 0,52µm
0,51 – 0,60 µm
0,63 – 0,7 µm
0,76 – 0,85 µm
- Một số bộ cảm quang học
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Sattlite Sensors Bands
Quickbird
(Oct/2001)
18 x 18 km
Pan: 0,61 m
Mul: 2,44 m
Pan : 450 - 900 nm
Mul : 450 - 520 nm
520 - 600 nm
630 - 690 nm
760 -900 nm
OrbView
(Apr 1995)
(8x8km)
Pan: 1m
Mul: 4 m
Pan: 0,45 – 0,9µm
Mul: 0.45-0.52 (blue)
0.52-0.60 (green)
0.625-0.695 (red)
0.76-0.90 (NIR)
- Một số bộ cảm quang học
11/1/2013
4
2.2. Bộ cảm nhiệt:
- Bộ cảm ghi nhận tín
hiệu các vật thể bằng
nguồn năng lượng bức
xạ do chính vật thể
phát ra trong vùng
hồng ngọai giữa và xa.
3 µm 1000µm
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
2.2. Bộ cảm nhiệt:
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
2.2. Bộ cảm nhiệt:
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
2.2. Bộ cảm nhiệt:
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
2.2. Bộ cảm nhiệt:
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
- Một số sensor tạo ảnh nhiệt
Images Sensor Resolution
TERRA ASTER (Advanced Spaceborne
Thermal Emission and
Reflection Radiometer)
TIR (thermal infrared)
10- 8.125 - 8.475 m
11- 8.475 - 8.825 m
12- 8.925 - 9.275 m
13- 10.25 - 10.95 m
14- 10.95 - 11.65 m
90 m
Landsat TM - 10.40 -12.50 m
ETM+
120m
60m
RESURS-01-4
Soviet Union
MSU-SK
10.40 - 12.60
520m(AlT)
680m (AcT)
CBERS-1
(China-Brazil)
IR-MSS
10.40 -12.50
160m
NOAA
(National Oceanic &
Atmospheric
Addministration)
AVHRR- Advanced Very High
Resolution Radiometer
10.30-11.30
11.50 – 12.50
1100m
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
11/1/2013
5
2.3. Bộ cảm radar
- Bộ cảm radar phát ra xung điện
từ ở bước sóng microwave theo
hướng quan tâm và ghi nhận
cường độ của xung phản hồi từ
các đối tượng.
- Vùng họat động của bộ cảm
radar có bước sóng từ 1mm - 1 m.
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Some
return
Radar
Emitted
microwaves
Little/
no return
Scattered
microwaves
Forest
‘rough’ surfaceWater‘smooth’ surface
- Radar là hệ thống viễn thám chủ động
- Hệ thống này phát ra xung năng lượng tới địa
hình và ghi nhận xung trở về từ địa hình.
- Các đối tượng được nhận diện trên ảnh radar
căn cứ vào cấu trúc cơ bản của chúng.
+ Bề mặt ghồ ghề: năng lượng trở về nhiều
+ Bề mặt nhẵn: năng lượng trở về ít
- Xung phát ra có thể xuyên
qua mây, mưa nhẹ, sương mù,
tuyết, khói và vỏ thạch quyển
- Họat động cả ngày lẫn đêm
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
- Một số sensor tạo ảnh radar
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
I- Các loại bộ cảm trong viễn thám
Satellite Mission Spatial resolution
Almaz
(Soviet Union)
Almaz - 1
Almaz – 1B
10-15 m ( S band)
5-7m ( X band)
15-40m (S band)
20-40m (P band)
Seasat-1 25m
SIR
(Shuttle Imaging
Radar)
SIR-A
SIR-B
SIR-C
40m
25m/15-45m
25m/ 15-45m
Radarsat Radarsat-1
Radarsat - 2
8-100 m
3-100 m
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Có 2 hệ thống tạo ảnh viễn thám
1- Hệ thống chụp ảnh khung
1.1. Hệ thống chụp ảnh phim (ảnh tương tự - giấy)
1.2. Hê thống chụp ảnh băng từ (ảnh raster - ảnh số)
2- Hệ thống quét ảnh đa phổ
2.1. Hệ thống quét ảnh quang học
2.2. Hệ thống quét ảnh nhiệt
2.3. Hệ thống quét ảnh siêu cao tần/radar
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
1- Hệ thống chụp ảnh khung- Framing system
- Thu nhận tức thời hình ảnh của 1 vùng hay tạo thành 1
“khung” lên địa hình.
- Có 2 dạng hệ thống khung
1.1. Hệ thống chụp khung
trên phim (Framing system
films)
VD: Các camera chụp phim
- Các camera chụp phim có
bước sóng từ vùng cận cực
tím, nhìn thấy đến cận hồng
ngoại
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- Bộ cảm này có 1 hoặc 4
camera được thiết kế cho
vệ tinh Landsat 1,2,3
1.2. Hệ thống khung trên băng từ (RBV Sensor)
- Bộ cảm Return Bean Vidicon
(vô tuyến truyền hình tia ngược)
sử dụng camera ghi nhận tức
thời hình ảnh của 1 vùng. Sau đó
ghi chúng vào băng từ dạng
raster.
- Các camera chụp phim hay ghi băng từ có bước sóng từ
vùng cận cực tím, nhìn thấy đến cận hồng ngoại
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
11/1/2013
6
- VD: Ảnh IKONOS Pan: chỉ có 1 sensor với độ
phân giải 1 m ghi trong vùng bước sóng: 0.45 -
0.90µm
- Ảnh chụp hệ thống dạng khung có 2 dạng:
+ Ảnh Panchromatic (trắng và đen): chỉ có 1
sensor ghi nhận ảnh trong vùng nhìn thấy.
+ Ảnh đa phổ (Multispectral): có nhiều sensors
có đặc tính giống nhau ghi nhận ảnh trong vùng
nhìn thấy và cận hồng ngọai.
- Ảnh SPOT HRV Pan: chỉ có 1 sensor với độ phân giải 10
m ghi trong vùng bước sóng: 0.50 - 0.73 µm và 0.48 -
0.71 µm cho 2,5 hoặc 5m
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- VD ảnh khung đa phổ
+ Ảnh Landsat RBV: có 3 sensors với độ phân giải 80m ghi
nhận ở vùng bước sóng:
RBV Sensitivity (m) Resolusion (m)
1
2
3
0.475 - 0.575 m
0.580 - 0.680 m
0.690 - 0.830 m
80
80
80
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
2- Hệ thống quét ảnh đa phổ - scanning system
- Các sensor chứa các detectors
(con mắt điện tử/ tế bào quang
điện) với trường nhìn hẹp quét lên
địa hình.
- Mỗi sensor sẽ ghi nhận hình ảnh
của 1 vùng ở bước sóng hẹp. Kết
quả, trong cùng một thời điểm, 1
vùng sẽ ghi nhận được nhiều hình
ảnh với các kênh phổ khác nhau.
- Số lượng các kênh phổ trên hệ
thống quét đa phổ có thể có từ hàng
chục đến hàng trăm.
A: Rotating Mirror
B: Detectors
C: Instantaneous Field of View
D: Ground Resolution Cell
E: Angular Field of View
F: Swath
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- Dựa vào số lượng các kênh phổ, hệ thống tạo ảnh
quét đa phổ có 3 dạng:
+ Ảnh quét đa phổ (Multiple spectral): số lượng kênh phổ
< 10.
+ Ảnh quét siêu phổ (supperspectral): số lượng kênh phổ
trên 10.
+ Ảnh quét siêu siêu phổ (hyperspectral imageries): có
số lượng kênh phổ từ 200 hơn.
VD: - Landsat đa phổ: 7 kênh
- sensor MODIS trên vệ tinh TERRA: 36 kênh
- sensor Hyperion ( vệ tinh EO-1): 220 kênh
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- Dựa vào cách thức quét, có 3 hệ thống tạo ảnh quét đa
phổ
+ Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét
ngang (across track scanning-
whisk broom scanning)
+ Hệ thống tạo ảnh theo quét dọc
(Along track scanning – Push
broom scanning)
+ Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét
bên sườn : Radar
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ
+ Hệ thống quét ngang (across track scanner)
- Từng detector hoặc 1 dãi
detectors quét ngang với
đường bay.
Whiskbroom scanner-Across track scanner
ETM+
GOES
MODIS
MSS
TM
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
11/1/2013
7
- Dựa vào cách thức quét: 3 hệ thống tạo ảnh quét đa phổ
+ Hệ thống quét dọc - along track scanner:
Along track scanner – Push broom scanner
• Hệ thống quét dọc trang bị 1
dãi các detectors quét dọc theo
đường bay.
• Ưu điểm:
• Cho phép các detectors quan
sát các đối tượng trên bề mặt
trong 1 khoảng thời gian lâu
hơn.
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
+ Hệ thống quét dọc - along track scanner:
 Các detectors không di chuyển
 Nhiều phản xạ được ghi nhận
 -> Chất lượng hình ảnh cao
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
+ Hệ thống tạo ảnh theo kiểu quét bên sườn : Radar
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Akutan Island (August 1993 to
October 1996), (C-band radar)
Akutan Island (October 1994 to June
1997 (L-band radar)
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Lower Manhattan as imaged
by Radarsat prior to 11 Sep
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
- Dựa vào bước sóng trong dãy phổ điện từ, ảnh được
chụp từ hệ thống quét đa phổ có 3 loại:
- Ảnh quang học: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước
sóng vùng cận cực tím, nhìn thấy, cận hồng ngọai (0,3 –
3m).
- Ảnh nhiệt: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng
vùng hồng ngọai giữa ( 3m – 1000 m).
- Ảnh radar: hệ thống quét đa phổ sử dụng bước sóng
vùng microwave (1mm-1m).
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
11/1/2013
8
- Ảnh quang học
 Raát nhieàu veä tinh cung caápaûnh quang hoïc vôùi nhieàuñoä phaân giaûi khaùc nhau:Landsat, Spot, IRS,Quickbird, Ikonos, EROS ...
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- Ảnh quang học
(a) Dry season (b) Harvest season
Landsat TM-bands 7-3-4
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- Ảnh quang học
(a) Dry season (b) Wet season (c) Harvest season
Landsat ETM-bands 7-3-4
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
- Ảnh quang học
(a) Worldview 2- 0.5m Pan (b) Worldview 1- 0.5 m Pan
Houston, Texas, US Yokohama, Japan
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Example of thermal image
- Ảnh nhiệt
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Thermal image of lava
- Ảnh nhiệt
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
11/1/2013
9
- Ảnh nhiệt
London, 17th Sep 1991 Kuro Shio - Honshu island-August 1991
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
- Ảnh radar
(a) Radarsat- Mekong Delta (b) ERS radar - Bac Lieu-Soc Trang
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám
Ảnh quang học Ảnh nhiệt Ảnh Radar
- Bị động - Bị động - Chủ động
- Cực tím, nhìn thấy,
cận hồng ngoại
- Vùng hồng ngọai
giữa và xa
- Vùng sóng
microwave
- Năng lượng phản xạ
của các đối tượng
- Năng lượng bức xạ
nhiệt của các đối
tượng
- Cường độ xung
phản hồi từ các đối
tượng
- Quét ngang, dọc? Quét ngang, dọc? Quét 1 (2) bên sườn
- Ảnh hưởng bởi điều
kiện thời tiết
- Ảnh hưởng bởi
điều kiện thời tiết
- Không ảnh hưởng
bởi điều kiện thời tiết
- Dạng phim, số - Dạng số - Dạng số
- Độ phân giải: thấp
đến siêu cao
- Độ phân giải: thấp
đến trung bình
- Độ phân giải: thấp
đến trung bình
Viễn thám đại cương GV: TS. Lê Thị Kim Thoa
II- Các hệ thống tạo ảnh viễn thám