Vệ Tinh SENTINEL - Bài Giảng Viễn Thám

Sentinel là tên của một loạt các vệ tinh quan sát trái đất thuộc Chương trình Copernicus của Cơ quan Không gian Châu Âu (ESA). Các vệ tinh được đặt tên từ Sentinel- 1 tới Sentinel-6 có các thiết bị thu nhận quan sát đất liền, đại dương và khí quyển.

Hiện tại đã có Sentinel-1 và Sentinel-2 trên quĩ đạo, còn từ Sentinel-3 tới Sentinel-6 đang chế tạo. Sentinel-3 có kế hoạch đưa lên quĩ đạo trong tháng 12/2015, gồm 3 vệ tinh Sentinel-3A, Sentinel-3B và Sentinel-3C theo kế hoạch sẽ hoàn tất việc phóng trước năm 2020.

+ Sentinel-1A là vệ tinh dầu tiên trong loạt các vệ tinh thuộc chương trình Copernicus, đã được lên quĩ đạo ngày 3/4/2014. Thiết bị thu nhận ảnh radar khẩu độ mở tổng hợp, kênh C (synthetic aperture radar (SAR). Các chế độ thu nhận ảnh bao gồm Interferometric wide-swath mode, 250 km, 5×20 m resolution. Wave-mode images 20×20 km, 5×5 m resolution (at 100 km intervals) Strip map mode 80 km swath, 5×5 m resolution Extra wide-swath mode 400 km, 20×40 m resolution Sentinel-1A có nhiệm vụ giám sát băng, tràn dầu, gió và sóng biển, thay đổi sử dụng đất, biến dạng địa hình và đáp ứng các trường hợp khẩn cấp lũ và động đất. Do là dữ liệu radar nên có các chế độ phân cực đơn VV hoặc HH) và phân cực đôi (VV+VH hoặc HH+HV).

Hình 1.15. Vệ tinh Sentinel – 1A

+ Sentinel-2A được phóng lên quĩ đạo ngày 23/6/2015. Đây là vệ tinh gắn thiết bị thu nhận ảnh đa phổ với 13 kênh phổ (443 nm–2190 nm), swath width 290 km, spatial resolutions 10 m (4 visible và near-infrared bands), 20 m (6 red-edge/shortwave-infrared) và 60 m (3 atmospheric correction bands). Hiện tại dữ liệu thu nhận từ vệ tinh vẫn còn trong giai đoạn hiệu chỉnh do vậy dữ liệu ảnh chưa sử dụng được (cho tới 13/12/2015). Khi vệ tinh thứ hai (Sentinel-2B) đưa vào sử dụng thì cả hai sẽ có chu kỳ lập lại là 5 ngày và nếu kết hợp với Landsat 8 thì chu kỳ quan sát trái đất sẽ là 3 ngày. Với dữ liệu này thì độ phân giải không gian cao hơn ảnh vệ tinh Landsat 8.

Sentinel-2A có nhiệm vụ giám sát các hoạt độ canh tác nông nghiệp, rừng, sử dụng đất, thay đổi thực phủ sử dụng đất …

Bảng 1.8. Đặc điểm các kênh ảnh Sentinel Các kênh của Sentinel-2 Sentinel-2A Sentinel-2B Độ phân giải không gian (m) Bước sóng trung tâm (nm) Độ rộng bước sóng (nm) Bước sóng trung tâm (nm) Độ rộng bước sóng (nm)

Band 1 – sol khí ven

bờ 442,7 21 442,2 21 60

Band 2 – Blue 492,4 66 492,1 66 10

Band 3 – Green 559,8 36 559,0 36 10

Band 4 – Red 664,6 31 664,9 31 10

Band 5 –red edge 704,1 15 703,8 16 20

Band 6 –red edge 740,5 15 739,1 15 20

Band 7 –red edge 782,8 20 779,7 20 20

Band 8 – NIR 832,8 106 832,9 106 10

Band 8A –NIR hẹp 864,7 21 864,0 22 20

Band 9 – Hơi nước 945,1 20 943,2 21 60

Band 10 – SWIR 1373,5 31 1376,9 30 60

Band 11 – SWIR 1613,7 91 1610,4 94 20

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM 2.1. Các nguồn năng lượng và các nguyên lý bức xạ

2.1.1. Tính chất sóng của ánh sáng

Năng lượng ánh sáng có tính chất bức xạ tự nhiên với hai trường điện và từ có hướng vuông góc với nhau, chuyển động tuân theo nguyên lý của sóng điều hòa (hình 2.1).

Hình 2.1. Bức xạ điện từ với các trường sóng của ánh sáng

Tính chất sóng của ánh sáng được thể hiện qua phương trình truyền ánh sáng:

Trong viễn thám, các sóng điện từ được sử dụng với các dải bước sóng của quang phố điện từ. Đơn vị của bước sóng được đo phố biến bằng micromet.

(µm, 1µm = 10-6 m), hay nanomet ( Nm, 1 Nm= 10-9 m). Sóng điện từ có các tính chất cơ bản như sau:

- Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo kiểu hình sin với tốc độ gần bằng 3.108 m/s (tốc độ ánh sáng).

- Khoảng cách giữa các cực trị được gọi là bước sóng (X) với đơn vị là độ dài. Đây cũng chính là khoảng cách từ 1 điểm bất kỳ ở chu kỳ trước đến vị trí của chính nó ở chu kỳ sau trong đồ thị hình sin.

Số lượng các cực trị truyền qua một điểm nhất định trong thời gian 1 giây được gọi là tần số (y) - đơn vị của tần số là : herzt.

2.1.2. Quang phổ điện từ

(hình 2.2). Sự phân chia thành các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tự nhiên của các đối tượng, từ đó hình thành nên các phương pháp viễn thám khác nhau.

* Các dải sóng của quang phổ điện từ

Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau :

- Các tia vũ trụ: là các tia sáng từ vũ trụ có bước sóng vô cùng ngắn với X<10-6 µm.

- Các tia gamma (γ) có X từ 10-6 – 10-4µm

- Dải các tia X (X) có X từ 10-4 - 10 -1µm (hay 0,1)µm - 0,4µm, thường được sử dụng trong y học. Riêng dải từ 0,3 - 0,4µm gọi là vùng cực tím tạo ảnh, có thể sử dụng trong viễn thám tia cực tím.

- Dải tia nhìn thấy có X từ 0,4 - 0,7µm là dải phổ của ánh sáng trắng. Trong dải nhìn thấy có chia nhỏ thành các dải ánh sáng đơn sắc:

* Blue (xanh lơ-lam): 0,4 - 0,5µm

* Green (xanh lá cây - lục ): 0,5 - 0,6µm

* Red (đỏ): 0,6 - 0,7µm.

Sau vùng đó là dải hồng ngoại (infrared): từ 0,7-14µm, trong đó lại chia thành các vùng :

* Hồng ngoại phản xạ: 0,7-3µm

* Hồng ngoại trung ( giữa ) : 3- 7µm

* Hồng ngoại nhiệt ( xa ) : 7- 14µm.

- Vùng sóng Radar hay vi sóng (vi sóng - microwave): là các vùng có bước sóng dài hơn nhiều so với vùng hồng ngoại, độ dài sóng từ lmm đến lm.

- Sau vùng Radar là sóng radio có bước sóng > 30 cm.

Hình 2.2. Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ

Lưu ý:

- Trong hình vẽ, các tên của từng dải sóng được nêu rõ (ví dụ sóng cực tím hoặc sóng cực ngắn,...), sự phân chia đó chỉ để cho tiện sử dụng còn trong thực tế không có sự phân

biệt một cách rõ ràng giữa các vùng sóng được đặt lên và sự phân chia thành các dải sóng với các ranh giới nêu ở trên chỉ là tương đối.

- Tên của các vùng sóng được đặt tương ứng với các phương pháp nghiên cứu và số lượng các vùng đó thường nhiều hơn sự phân chia thông dụng.

- Vùng nhìn thấy chỉ là vùng cực nhỏ trong toàn bộ quang phổ điện từ (từ 0,4 - 0,7 µm) song trong đó vẫn được chia nhỏ hơn thành các tia đơn sắc:

- Sóng cực tím nối liền với phần màu xanh lơ (Blue) của vùng nhìn thấy. Nơi tiếp với phần màu đỏ là vùng hồng ngoại (infrared).

- Vùng hồng ngoại dược chia ra 3 dải, song chỉ có hồng ngoại nhiệt mới liên quan trực tiếp đến sự nhạy cảm về độ nóng.

- Vùng vi sóng (microwave) là các vùng có bước sóng dài hơn nhiều so với hồng ngoại (từ lmm đến 1m) và còn đươc gọi là sóng Radar. Vùng Radar cũng được chia nhỏ thành nhiều vùng nhỏ với những đặc tính riêng biệt.

- Vùng có bước sóng dài nhất, tiếp tục của sóng radar là sóng Radio.

2.2. Tính chất hạt và sự truyền năng lượng của ánh sáng

Ngoài tính chất sóng thì ánh sáng còn có tính chất hạt. Ánh sáng bao gồm rất nhiều phân tử nhỏ riêng biệt dược gọi là các photon hay lượng tử(quanta). Năng lượng của mỗi lượng tử được xác định theo công thức sau:

Do năng lượng ở vùng sóng dài thấp nên trong viễn thám, hệ thống thu nhận tín hiệu bức xạ điện từ với bước sóng dài thường phải có trường nhìn rộng nhằm thu được những tín hiệu bức xạ đó.

Mặt trời thường là nguồn năng lượng bức xạ điện từ điển hình trong viễn thám. Tất nhiên, toàn bộ các vật chất có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối (K hay - 273° C) đều thường xuycn plìál xạ bức xạ điện từ. Như vậy các đôi tượng trên trái đất đều là những nguồn bức xạ tự nhiên, mặc dù chúng dường như có những sự khác biệt về biên độ và thành phần phổ so với mặt trời.

Có thê tính toán năng lượng bức xạ phát ra từ bề mặt một đối tượng theo quy luật Stefan - Bolzman:

Các đơn vị tính ở trong công thức là khó nhớ song điều quan trọng cần lưu ý là năng lượng phát ra ti lệ với T 4, nghĩa là nếu nhiệt độ tăng lên thì năng lượng phát ra sẽ nhanh chóng tăng lên theo cơ chế luỹ thừa bậc 4, cũng có thể hiểu năng lượng phát ra là hàm nguyên thủy của nhiệt độ đối tượng.

Một khái niệm đưực đưa ra là vật đen tuyệt đối. Đó là một vật lý tưởng, là vật mà có thể hấp thụ và tái phát ra toàn bộ năng lượng rơi vào nó.

Bức xạ nhiệt, có một số tính chất sau:

- Khi nhiệt độ bức xạ cao hơn thì tổng năng lượng phát ra cũng cao hơn.

- Nhiệt độ cực đại khi vật đen bức xạ chuyển dần về phía có bước sóng ngắn hơn. - Cực trị của đường cong bức xạ tuân theo quy luật chuyển dịch của Vien (Wien’s displacement Law), nội dung của quy luật này là khi nhiệt độ của vật tăng lên thì cực trị bức xạ của vật chuyển dịch về phía có bước sóng ngắn hơn (hình 2.3):

Toả nhiệt của vật den

Hình 2.3. Sự thay đổi cực trị của đường cong bức xạ nhiệt của vật chất ở nhiệt độ khác nhau

Mặt trời có bức xạ giống như của vật đen tuyệt đối khi nhiệt độ của vật đen lên tới 6.000 K, các bóng đèn sợi đốt thường có nhiệt độ khoảng 3.000 K. Kết quả là bóng đèn sợi đốt thường phát ra ánh sáng màu xanh với năng lượng thấp và không giống như cấu thành

trong dải phổ của mặt trời.

Ta có thể quan sát thấy hiện tượng này khi một mẩu thép được nung nóng đó. Khi nhiệt độ tăng dần lên thì màu của mẩu thép chuyển từ màu đó sang da cam, vàng và cuối cùng là màu trắng. Như vậy khi nhiệt độ của vật tăng lên, cực trị bức xạ chuyển dần từ vùng sóng dài không nhìn thấy, sang vùng sóng ngắn nhìn thấy. Khi bước sóng phát xạ càng dài thì nhiệt độ tuyệt đối của vật đen càng thấp .

Trong kỹ thuật làm phim ảnh, người ta chế tạo ra các loại phim có sự nhạy cảm ánh sáng khác nhau với các điều kiện chiếu sáng khác nhau, khi cửa mở thì phim nhạy cảm với điều kiện ánh sáng của bên ngoài, nếu ở trong phòng ta dùng ánh sáng đèn sợi đốt làm nguồn sáng thì kết quả phim sẽ có màu vàng. Ánh đèn flash thường được dùng để lạo nên nguồn sáng có nâng lượng mạnh tương tự như ánh sáng mặt trời trong một thời gian rất ngắn đủ để phim nhạy cảm. Tất nhiên có những loại phim được chế lạo để nhạy cảm với ánh sáng đèn sợi đốt.

Nhiệt độ bên ngoài của trái đất (nghĩa là nhiệt độ của vật chất trên bề mặt trái đất như đất, nước, thực vật...) vào khoảng 300 K (27°C). Như vậy, theo luật chuyển đổi Wiens thì cực đại bức xạ của bề mặt trái đất là ở bước sóng khoảng 9,7µm. Bức xạ đó liên quan đến độ nóng của vật chất và liên quan đến khái niệm hồng ngoại nhiệt. Các bức xạ này không thể nhìn thấy hoặc không thể chụp ảnh được, song có thể thu nhận được bằng các thiết bị đo hoặc quét bức xạ (sẽ mô tả ở phần sau). Trong khi đó mặt trời có bức xạ vùng nhìn thấy cực đại về nhiệt độ ở dải sóng 0,5µm và như vậy mắt người và phim có thể dễ dàng nhạy cảm với năng lượng theo biên độ và bước sóng của ánh sáng. Nhờ vậy, khi mặt trời xuất hiện, chúng ta có thể quan sát các đặc điểm của trái đất nhờ vào đặc tính phản xạ lại nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời. Năng lượng bức xạ ở vùng sóng dài hơn thì thường được phát ra từ các vật chất trên bề mặt trái đất, nguồn năng lượng này có thể quan sát được với thiết bị cảm biến phi hình ảnh (nonpholographic sensing system). Đường phân chia giữa hồng ngoại phản xạ và hồng ngoại phát xạ là khoảng 3µm: nếu λ < 3µm thì phản xạ chiếm ưu thế và λ > 3µm thì phát xạ chiêm ưu thế.

2.3. Tương tác năng lượng trong khí quyển

Những ảnh hưởng của khí quyển tới ánh sáng khi truyền qua nó là tán xạ, truyền qua và hấp thụ ánh sáng của khí quyển (hình 2.4). Những ảnh hưởng này có nguyên nhân là sự tương tác cơ học của các thành phần khí quyển đối với ánh sáng. Với bất kỳ một nguồn sáng nào, toàn bộ bức xạ cảm nhận được bằng các thiết bị viễn thám đều phải truyền qua một khoảng cách nào đó trong khí quyển, khoảng cách đó được gọi là khoảng cách đường truyền (Path Length). Khoảng cách đường truyền có thể rất khác nhau, ví dụ các ảnh vũ trụ nhận được các tín hiệu phản xạ từ ánh sáng mặt trời, nghĩa là ánh sáng mặt trời phải đi qua bầu khí quyển hai lần trong đường hành trình của nó tới thiết bi thu nhận.

Hình 2.4. Ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất chịu tác động của khí quyển: hấp thu, tán xạ và truyền qua

Trong khi đó, đối với chụp ảnh máy bay thì khoảng cách đường truyền rất ngắn. Ảnh hưởng của khí quyển rất khác nhau đối với các khoảng cách đường truyền khác nhau, ảnh hưởng đó liên quan đến các tính chất của ánh sáng như: bước sóng, cường độ. Tất nhiên đặc điểm của khí quyển lúc thu nhận tín hiệu viễn thám là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến tín hiệu nhận được.

2.3.1. Sự tán xạ (Scattering)

Sự tán xạ của khí quyển là sự lan truyền ánh sáng một cách không định hướng gây ra bởi các phần tử nhỏ bé trong khí quyển.

Sự tán xạ Rayleigh là sự tương tác các bức xạ bởi các phần tử hoặc các hạt nhỏ bé khác trong khí quyển, khi đường kính của chúng nhỏ hơn bước sóng của tia bức xạ. Ảnh hưởng của tán xạ Rayleigh là tỉ lệ nghịch với mũ bậc 4 của bước sóng. Do đó khi bước sóng ngắn thì sự tán xạ mạnh hơn so với tán xạ của tia sáng có bước sóng dài.

Bầu trời có màu xanh Blue chính là một biểu hiện rõ ràng nhất của hiện lượng tán xạ Rayleigh, nếu không có hiện tượng tán xạ, bầu trời sẽ có màu đen. Trong trường hợp này sự tán xạ của các tia màu xanh lơ (blue) là nổi hơn cả so với các tia sáng khác trong dải nhìn thấy. Vào lúc buổi sáng sớm hoặc lúc mặt trời lặn các tia mặt trời phải truyền qua một khoảng cách đường truyền lớn hơn so với buổi trưa, khi đó sự tán xạ và hấp thụ của các sóng ngắn là hoàn toàn chấm dứt và chúng ta chỉ nhìn thấy một phần nhỏ các tia được tán xạ ở bước sóng dài hơn đó là các tia màu đỏ (red) và da cam (magenta).

Hiện tượng tán xạ cũng là nguyên nhân đầu tiên gây nên hiện tượng sương mù trên ảnh vệ tinh. Tất nhiên hiện tượng sương mù sẽ làm giảm độ nét hay độ tương phản của hình ảnh. Đối với ảnh màu, đó là hiện tượng xuất hiện nhiều màu xanh lơ trải đều trên toàn ảnh. Để khác phục hiện tượng này, một tấm lọc thường được đặt trước ống kính để tránh cho những tia sáng có bước sóng ngắn truyền vào phim, tấm lọc đó gọi là lọc sương mù.

Ngoái ra, có thể có nhiều loại lọc khác như lọc tia xanh lơ (lọc Blue), lọc tia cực tím (lọc UV)

Ngoài hiện tượng tán xạ Rayleigh còn có hiện tượng tán xạ Mie khi mà các hạt nhỏ trong không khí có đường kính bằng bước sóng của tia sáng. Hơi nước và khói (chúng có đường kính từ 5- lOOµm) là nguyên nhân của hiện tượng tán xạ Mie. Hiện tượng tán xạ

Tỉa sáng mặt trời

này ảnh hưởng đến các tia sáng có bước sóng dài so với các tia có bước sóng ngắn ở tán xạ Rayleigh. Tuy nhiên, trong tự nhiên thì hiện tượng tán xạ Rayleigh là phổ biến hơn cả.