I. VIỄN THÁM LÀ GÌ ? Ở Việt Nam, viễn thám là một ngành còn chưa phổ biến, chúng ta vẫn thường nghe rất nhiều người hỏi viễn thám là gì. Nói một cách nôm na trong “viễn thám” có hai từ “viễn” và “thám”. “Viễn” có nghĩa là xa, từ xa, không tiếp xúc với đối tượng. “Thám” có nghĩa là tìm hiểu, lấy thông tin về đối tượng. Ta có thể hiểu một cách đơn giản viễn thám là một ngành khoa học nghiên cứu đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Trong tiếng Anh, viễn thám là “remote sensing”, thường được viết tắt là RS.
Nếu nói một cách khoa học thì chúng ta có thể dùng định nghĩa sau:
"Viễn thám là một khoa học thu nhận thông tin của bề mặt trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt ấy. 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." (theo CCRS).
Hình. Nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh
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.
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:
+ 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.
+ 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.
+ 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.
+ 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.
+ 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.
+ 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.
+ 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.
II. BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
Như chúng ta đã nói ở trên, thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu vào đối tượng. Năng lượng này ở dạng bức xạ điện từ. Tất cả bức xạ điện từ đều có một thuộc tính cơ bản và phù hợp với lý thuyết sóng cơ bản.
Bức xạ điện từ bao gồm điện trường (E) có hướng vuông góc với hướng của bức xạ điện từ di chuyển và từ trường (M) hướng về phía bên phải của điện trường. Cả hai cùng di chuyển với tốc độ của ánh sáng (c).
Có hai đặc điểm của bức xạ điện từ đặc biệt quan trọng mà chúng ta cần hiểu nó là bước sóng và tần số.
- Bước sóng (λ): là chiều dài của một chu kỳ sóng được tính từ mô sóng này đến mô sóng liền kề của nó. Bước sóng được ký hiệu là λ và được tính bằng centimet, met, nanomet hay micromet.
- Tần số (f) là thuộc tính thứ hai mà chúng ta quan tâm. Tần số là số chu kỳ sóng đi qua một điểm cố định trong một đơn vị thời gian. Thông thường tần số được tính bằng herzt (Hz) tương đương với 1 chu kỳ trên một giây. Ngoài ra tần số còn được tính bằng một số đơn vị khác của Hz.
Tần số và bước sóng quan hệ với nhau công thức: c=λ.f. Trong đó c là tốc độ ánh sáng (c=3.108m/s), λ là bước sóng tính bằng mét, f là tần số tính bằng Hz.
Rõ ràng, hai yếu tố này có quan hệ tỉ lệ nghịch với nhau, bước sóng càng ngắn thì tần số càng cao, bước sóng càng dài thì tần số càng thấp.
Hiểu đặc điểm của bức xạ điện từ một cách rõ ràng về bước sóng và tần số là điều cốt yếu để có thể hiểu được thông tin được chiết ra từ dữ liệu viễn thám như thế nào.
- Nhiệt độ lớp phủ bề mặt (Land surface temperature LST) : Là nhiệt độ được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tượng bề mặt (đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa…) trên băng nhiệt hồng ngoại,
- Nhiệt độ mặt nước biển (Sea surface temperature SST): Là nhiệt độ được tính toán trên cơ sở sự phát xạ của bề mặt nước biển trên băng nhiệt hồng ngoại, như vậy nhiệt độ mặt nước biển chính là nhiệt độ lớp trên cùng của mặt nước biển.
-Chỉ số thực vật (Normalized vegetation index NDVI): Được tính theo công thức:
NDVI=(IR-R)/(IR+R)
Trong đó IR là giá trị phản xạ ở giải sóng cận hồng ngoại (Near Infrared), R là giá trị phản xạ ở giải sóng đỏ (Red). 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…
-Chỉ số diện tích lá (Leaf Area Index LAI): là tỉ lệ giữa tổng diện tích lá của thực vật trên một đơn vị diện tích đất. Chỉ số LAI thường được dùng để tính tổng sản phẩm quang hợp và tiềm năng năng suất sinh khối của thực vật. Chỉ số LAI còn được dùng để đánh giá trạng thái sinh trưởng của cây trồng...
-Chỉ số nước bề mặt lớp phủ (Land surface water index LSWI): Biểu thị mức độ thay đổi hàm lượng nước của lớp phủ bề mặt. LSWI là một trong những chỉ số để đánh giá mức độ hạn hán của lớp phủ thực vật nói chung và cây trồng nói riêng, được xác định theo công thức: LSWI=(p860 -p2130)/(p860 + p2130) Trong đó p860 và p2130 là giá trị bức xạ ở các bước sóng 860 và 2130 nm.
-Điểm cháy rừng (Forest fire): Là điểm mà có nhiệt độ lớn dị thường so với các điểm xung quanh được phát hiện trên một số kênh nhiệt hồng ngoại. Đối với ảnh MODIS để phát hiện điểm cháy thường sử dụng các thuật toán ngưỡng đa kênh ở các kênh nhiệt hồng ngoại với bước sóng 3,95 và 10.80 micro mét.
Đây cũng là một công nghệ cao được công ty ứng dụng trong công tác khảo sát. Sử dụng ảnh vệ tinh kết hợp với phương pháp đo đạc hiện đại giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và thời gian khảo sát (khoảng 6 lần - đã được kiểm chứng tại công trình Luồng cho tàu biển trọng tải lớn vào sông Hậu). Với ảnh vệ tinh thì có thể nói không có nơi nào là không thể khảo sát được.
Các loại vệ tinh:
(From http://rst.gsfc.nasa.gov)
Một số ảnh viễn thám:
Ảnh Quickbird năm 2008, độ phân giải 1m
Được sử dụng trong công tác kiểm tra nghiệm thu cho hạng mục Khảo sát địa hình của Công trình Luồng cho tàu biển trọng tải lớn vào sông Hậu - đoạn kênh Tắt:
- Tỉ lệ đo vẽ: 1/1000
- Phương pháp đo vẽ: dùng máy toàn đạc điện tử
- Phương pháp kiểm tra nghiệm thu: đo mặt đất kết hợp với ảnh viễn thám đã xử lý.
- Khối lượng cần kiểm tra: 300ha
Qua công tác kiểm tra cho thấy việc nghiệm thu kết hợp với ảnh vệ tinh có thể tiết kiệm 6 lần so với phương pháp nghiệm thu truyền thống.
- Độ chính xác vị trí điểm: 0.3 đến 0.5m.
Ảnh Landsat năm 2006, độ phân giải 15m
Được sử dụng cho công tác Thiết kế luồng của Dự án Luồng tàu qua cửa Định An - sông Hậu.
Ảnh Aster năm 2006, độ phân giải 15m
Ảnh Spot năm 2006, độ phân giải 20m
Ngoài ra Địa Hải cũng đã sử dụng ảnh Quickbird để thành lập bản đồ địa hình, tỉ lệ 1/5000, cho khu vực trung tâm TPHCM. (Dữ liệu ảnh được lấy từ www.wikimapia.org.) Ảnh được xử lý, nắn chỉnh từ các điểm khống chế đo bằng GPS. Bản đồ thành lập từ việc số hóa ảnh sau khi xử lý. Công tác thực tế cho thấy, đối với khu vực đô thị, việc kết hợp sử dụng ảnh viễn thám có thể tiết giảm 10 lần chi phí và thời gian khảo sát.
3. Khánh thành Trạm Thu ảnh vệ tinh Việt Nam và Trung tâm Dữ liệu viễn thám Quốc gia: Đặt nền móng cho ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở tầm Quốc gia
