Ứng dụng hệ thống thông tin đỊa lý viễn thám trong nông nghiệp và phát triển nông thôN 04/2006

RADAR (Radio Detection And Ranging - tạm dịch là: dò tìm bằng sóng radio và tập hợp sóng), là hệ thống viễn thám chủ động vì nó sử dụng nguồn năng lượng riêng. Hệ thống này phóng nguồn năng lượng tới địa hình và ghi lại năng lượng trở về từ địa hình (gọi là rada trở về) và chuyển chúng thành hình ảnh.

- Hoạt động trong một dải sóng rộng từ band radio đến band cực ngắn (với bước sóng từ micromet đến vài milimét, xem hình 8);

- Có thể thu và phát các tần số radio phân cực theo cả chiều ngang lẫn thẳng đứng;

- Đo được độ mạnh của backscatter (một phần năng lượng mà ăngten radar nhận được và thời gian kéo dài giữa quá trình nhận và truyền tín hiệu);

- Do bước sóng radio thường dài hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng hồng ngoại nên chúng có thể xuyên qua được tán cây của lớp phủ thực vật nên chất lượng ảnh RADAR không phụ thuộc thời tiết như ảnh viễn thám quang học. Chưa kể với những hệ thống RADAR có bước sóng dài hơn có thể xuyên qua lớp phủ bề mặt. Một số hệ thống RADAR có thiết bị có thể đo được độ ẩm của đất;

- Cách thức tương tác của các tín hiệu RADAR phụ thuộc vào kích thước vật thể, hình dạng, độ nhẵn bề mặt, góc tiếp xúc với các mức năng lượng sản sinh từ sóng cực ngắn và hằng số điện môi;

- So với các hệ thống viễn thám khác, viễn thám radar ghi tư liệu trên cơ sở của thời gian hơn là khoảng cách. Radar có thể ghi lại hình ảnh ở bước sóng dài hơn với độ phân giải cao hơn vì ở vùng sóng cực ngắn, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng là nhỏ nhất. Thiết bị “chụp” ảnh RADAR có thể đặt trên máy bay hay vệ tinh.

RADAR thường được dùng để thành lập bản đồ che phủ đất, xác định cấu trúc thảm thực vật và lập mô hình số độ cao (DEM)

Các loại ảnh RADAR hay được dùng là RADARSAT, ERS, Envisat, Space Shutle.

Gần đây còn có  ảnh LIDAR (Light Detection And Raging, tạm dịch là dò tìm bằng ánh sáng và tập hợp ánh sáng), cũng thuộc loại bộ cảm chủ động nhưng sử dụng sóng LASER

- Sử dụng bước sóng trong khoảng xanh biển đến cận hồng ngoại (from blue to near- infrared).

- Đo khoảng cách giữa bộ cảm và đối tượng.

- Có thể triển khai hệ thống quét (scan) và chụp ảnh.

- Có khả năng đo/ghi lại những tín hiệu phản hồi rời rạc, hệ thống hiện đại hơn có thể đo/ghi lại toàn bộ các dạng sóng từ tín hiệu phản hồi.

Sử dụng phổ biến trong thu thập thông tin về mô hình số độ cao (DEM), và cũng có thể sử dụng để đo chiều cao và cấu trúc thảm thực vật.

Xử lý ảnh RADAR cũng như LIDAR cần có những phần mềm chuyên biệt, khác với các phần mềm xử lý ảnh viễn thám quang học.

Về giá cả ảnh vệ tinh có thể dao động từ miễn phí đến hơn 100 USD/1 km² tuỳ theo thời gian cung cấp cũng như mục đích sử dụng ảnh.

Có rất nhiều công ty kinh doanh được phép bán ảnh. Người dùng cần thoả thuận bản quyền quy định rõ cách thức sử dụng cũng như phân phối ảnh vệ tinh để được phép sở hữu thông tin tối đa của ảnh.cho hoạt động của mình.

IV. Ảnh máy bay và chụp ảnh máy bay

Chụp ảnh máy bay là một dạng đầu tiên của chụp ảnh viễn thám và nó vẫn đang tồn tại như một phương tiện chụp ảnh hữu hiệu nhất hiện nay. Dần dần, chụp ảnh máy bay đã được sử dụng thêm các phương tiện chụp ảnh hồng ngoại nhiệt, rada và các loại chụp ảnh khác bên cạnh sự tiến bộ của chụp ảnh vệ tinh.

Chụp ảnh hàng không được sử dụng trong nhiều lĩnh vực quân sự cũng như kinh tế như điều tra đất, mùa màng nông nghiệp, quy hoạch đô thị, thành lập các bản đồ địa chất và tìm kiếm khai thác khoáng sản. Chụp ảnh máy bay còn được sử dụng trong việc thăm dò  dầu khí ở một số nước...

Các máy quét đa phổ, một hệ thống chụp ảnh bên sườn thứ hai được sử dụng trong chụp ảnh hàng không, trong đó có dạng hệ thống quét cơ quang học để các tài liệu thu nhận được ghi lại trên băng từ và chuyển lại thành hình ảnh. Ngoài việc sử dụng dải phổ giống như đối với phim (0,3- 0,9m) các máy quét còn có thể sử dụng toàn bộ dải sóng của năng lượng hồng ngoại phản xạ đến dải sóng 3m. Các bước sóng dài hơn cung cấp các thông tin có giá trị về thực vật, đất và các loại đá.

Tùy theo các loại tỷ lệ mà các loại ảnh hàng không được chia thành từng cấp khác nhau. Mỗi cấp có độ chính xác riêng và phù hợp với từng mục đích giải đoán

 - Ảnh hàng không tỷ lệ rất nhỏ:

 - Ảnh hàng không tỷ lệ nhỏ:.

Bao gồm các ảnh hàng không có tỷ lệ từ 1/100.000 đến 1/35.000. Ảnh cho phép phân biệt các dạng và kiểu địa hình, các kiến trúc địa chất có hạng bậc khác biệt nhau, các kiến trúc phá hủy, có thể dùng làm cơ sở để vẽ bản đồ địa chất các tỷ lệ tương ứng hoặc nhỏ hơn, phân chia được các tầng đá khác nhau, khoanh định các diện tích có lớp nước ngầm xuất lộ, phân chia được nhiều kiểu cảnh quan.

 - Ảnh hàng không tỷ lệ trung bình:

Có tỷ lệ từ 1/35.000 - 1/12.000, ảnh hàng không cấp độ này rất phù hợp cho việc giải đoán địa chất. Có thể dùng ảnh cấp này để giải đoán địa chất công trình tỷ lệ vừa và lớn. Khó phân biệt được các dạng thực vật riêng biệt nhưng cho phép giải đoán khá tốt lớp phủ thực vật để định loại các kiểu thảm, phân biệt các dạng địa hình vừa và nhỏ cũng như các yếu tố thuỷ văn. Ảnh hàng không tỷ lệ trung bình  cũng cho phép đo vẽ để thành lập  bản đồ địa hình cùng tỷ lệ.

 - Ảnh hàng không tỷ lệ lớn.

Có tỷ lệ từ 1/12.000 - 1/1.000. Ảnh cấp này cho phép giải đoán chính xác toàn bộ phần cơ bản của địa hình, kể cả vi địa hình, thành phần các quần hợp thực vật thân gỗ và nhiều trảng cây bụi. Tuy nhiên vì diện tích chụp nhỏ nên ảnh chỉ dùng để nghiên cứu các diện tích quan trọng. Dùng ảnh hàng không tỷ lệ lớn cũng cho phép đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn.

- Ảnh hàng không tỷ lệ rất lớn.

Là loại ảnh có tỷ lệ trên 1/1.000, diện chụp rất nhỏ, chủ yếu dùng trong công tác xây dựng công trình. Song ảnh hàng không tỷ lệ rất lớn cũng cho phép đo đạc và nghiên cứu vấn đề của một đô thị, v.v..

 Khi giải quyết các vấn đề khu vực, tốt nhất là dùng ảnh thuộc vài ba cấp tỷ lệ khác nhau. Ví dụ: khảo sát sơ bộ trên cấp ảnh 1/1.000.000 - 1/120.000, sau đó chính xác hoá bằng ảnh 1/12.000 - 1/35.000, cuối cùng bổ sung những chỗ quan trọng bằng ảnh 1/2.000 - 1/5.000.

C. Hệ thống định vị toàn cầu GPS:

I. Khái niệm chung:

Yêu cầu kiểm tra độ chính xác của bản đồ được xây dựng từ công nghệ GIS và viễn thám so với thực địa cũng như nhu cầu xác định một cách nhanh chóng, chính xác vị trí, đường đi  trong quân sự, trong dân sự khi di chuyển bằng đường bộ, đường không, đường biển ngày càng trở nên cấp thiết. Chính vì vậy GPS đã ra đời đang  dần thay thế cho nhiều phương pháp xác định vị trí đường đi trước đó.

Các điểm trên mặt đất được xác định vị trí (toạ độ và độ cao) dựa và hệ thống vệ tinh định vị  hoạt động trên khắp toàn cầu. Để làm được điều này, cần có một thiết bị thu nhận và xử lý tín hiệu từ các vệ tinh định vị. Thiết bị đó gọi chung là GPS.

Thực chất, một GPS là một hệ thống anten thu nhận tín hiệu vệ tinh,  được nối với một máy tính đã cài sẵn phần mềm xử lý. Nguồn năng lượng cung cấp cho GPS thường là pin hoặc acqui.

II.         Sơ lược lịch sử hình thành GPS:

Thời thượng cổ con người định vị bằng cách đánh dấu lên thân cây, vách hang, sau đó dựa vào vị trí các vì sao bằng các công cụ khá tinh xảo (hình 11)và các tính toán phức tạp, nhất là trong các chuyến đi biển.

Sau sự cố Nga bắn rơi máy bay của hãng Korean Airline (Hàn Quốc), Tổng thống Mỹ Reagan quyết định bắt đầu dự án mở cửa một phần GPS cho các ứng dụng cộng đồng. Vào năm 1990, người Mỹ đưa vào sai số nhân tạo (Selective Availability - SA) làm giảm độ chính xác của các ứng dụng dân sự. Đến năm 1995, hệ thống GPS mới thực sự hoàn chỉnh với 24 quả thuộc Block II, sau đó là IIA và IIR, bây giờ là IIF. Tổng thống Clinton là người đã quyết định tắt SA vào năm 1996, nâng độ chính xác của máy thu dân dụng lên đáng kể, làm giảm sai số từ 100 mét (SA on) còn 15 mét (SA off) vào năm 2000. Các vệ tinh đời IIF có tuổi thọ 15 năm so với 10 năm của các đời trước. Hiện nay Liên minh châu Âu (EU) cũng đã nghiên cứu, chế tạo hệ thống vệ tinh định vị, dẫn  đường toàn cầu GALILEO hoàn toàn dùng cho mục đích dân sự. Hệ thống vệ tinh này gồm 30 vệ tinh bay ở  độ cao 24.000^m, trên 3 quỹ đạo với góc nghiêng 56⁰.  GALILEO sẽ trở thành hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu chính xác nhất thế giới dựa trên cơ sở kế thừa và tích lũy tinh hoa của GPS và GLONASS. Nhưng hiện nay GPS vẫn đang giữ địa vị độc tôn, thiết bị và công nghệ thu GPS được Mỹ bán rộng rãi cho các nước không bị cấm vận.

Nguyên lý xác định toạ độ của hệ thống GPS là thiết bị thu GPS nhận tín hiệu radio từ các vệ tinh định vị với đầy đủ thông tin chính xác về quĩ đạo cũng như thời gian. Dựa trên các thông số đó, toạ độ chính xác của thiết bị thu GPS được xác định.

Nói cách khác, dựa vào khoảng cách giữa thiết bị thu GPS và các vệ tinh định vị (được tính toán theo độ chênh thời gian) và căn cứ vào vị trí đã biết của các vệ tinh, vị trí của thiết bị thu được xác định, sau đó được tính toán chuyển đổi theo một hệ toạ độ do người dùng định nghĩa.

Nói đến GPS, mọi người thường chỉ nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái dự bị) chuyển động trên các quỹ đạo chung quanh trái đất, mạng lưới theo dõi  và người sử dụng GPS (hình 12).

Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 20.200^km,, góc nghiêng 55⁰.  Mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm. Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào, cũng có thể “nhìn thấy” từ 4 -8 vệ tinh với góc cao lớn hơn 15⁰. Mỗi vệ tinh phát 2 tín hiệu trên dải sóng L (L1=1575.42^mhz, L2=1227,60^mhz)

Người sử dụng gồm có 2 loại: dân sự và quân sự. Máy thu của quân sự có độ chính xác cao hơn rất nhiều so với máy thu của dân sự.

Có nhiều loại GPS, nhưng đều có những cái chung nhất khi sử dụng.  Nên chọn vị trí cao, quang đãng để sử dụng GPS. Khi bật máy lần đầu, GPS thường cần từ 15 - 30 phút để dò tìm và xác định vị trí các vệ tinh định vị. Số lượng vệ tinh tìm thấy sẽ được báo trên màn hình hiển thị bằng ký hiệu. Khi bắt được 3 vệ tinh trở lên, máy bắt đầu tính toán toạ độ. Khi có 4 vệ tinh, máy sẽ tính được độ cao. Toạ độ và độ cao được hiển thị tự động trên màn hình hoặc khi ấn nút position. Các thông số này không cố định mà luôn thay đổi. Chờ một thời gian cho ổn định rồi ghi lại toạ độ điểm cần đo. Chú ý rằng càng bắt được nhiều vệ tinh, toạ độ máy xác định được càng chính xác.