Báo cáo tốt nghiệp ngành khoa học môi trường: Nghiên cứu mối quan hệ giữa sinh khối và phản xạ, phục vụ chuẩn đoán nhanh sinh khối của ngô

Chia sẻ: Đặng Ngọc Cường | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài: xác định ảnh hưởng của một số yếu tố tới sinh khối và phản xạ tán của ngô; xác định những bước sóng có phản xạ liên quan chặt chẽ với hàm lượng N và sinh khối trong hệ thống cây trồng; xây dựng phương trình tính toàn sinh khối tích lũy trong hệ thống cây trồng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tốt nghiệp ngành khoa học môi trường: Nghiên cứu mối quan hệ giữa sinh khối và phản xạ, phục vụ chuẩn đoán nhanh sinh khối của ngô

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình đào tạo đại học thì quá trình thực t ập tốt nghiệp được xem là một khâu quan trọng giúp sinh viên c ủng c ố ki ến th ức được tiếp thu trên giảng đường đại học. Và đây cũng là cơ hội để chúng em thử sức với công việc, bớt đi những bỡ ngỡ khi chúng em ra trường. Được sự giới thiệu của Ban giám hiệu Nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa Tài nguyên và Môi trường, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, em đã thực tập tại Bộ môn Khoa học Đất, khoa Tài nguyên và Môi trường từ ngày 06 tháng 02 năm 2012 đến ngày 30 tháng 04 năm 2012. Trong quá trình thực tập, để có được kết quả như ngày hôm nay, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS TS. Nguyễn Thế Hùng là người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập cũng như thực hi ện khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô giáo Khoa Tài nguyên và Môi trường nói chung và Bộ môn Khoa học Đất nói riêng, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã truyền đạt, trang bị cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cũng như tạo môi trường thuận lợi nhất trong bốn năm em học tập tại trường. Em xin gửi lời cảm ơn tới anh chị, các bạn sinh viên khoa Nông h ọc, trường Đại học Nông lâm đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian thực tập. Cảm ơn gia đình, bạn bè và những người than đã động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập cũng như thời gian thực hiện khóa luận. Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, do kinh nghiệm và kiến thức thực tế còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót và khuyết điểm. Em rất mong được sự tham gia đóng góp ý kiến từ phía các thầy cô giáo và các bạn để khóa luận của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Đỗ Như Quỳnh
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Bộ NN&PTNT : Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. CNS : Các bon – Ni tơ – Lưu huỳnh. FAPAR : Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation. FOV : Fiel of View. GIS : Hệ thống thông tin địa lý. GPS : Hệ thống định vị toàn cầu. LAI : Leaf Area Index. NDVI : Normalized Difference Vegetation Index. RS : Remote Sensing.
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Lượng đạm bón cho các công thức qua các thời kỳ...................30 Bảng 4.1. Tóm tắt thiết kế thí nghiệm và thời gian lấy mẫu....................33 Bảng 4.2. Đặc điểm hai giống ngô LVN 14 và LVN 99............................35 Bảng 4.3. Ảnh hưởng của các giống khác nhau tới sinh khối của ngô......36 Bảng 4.4. Ảnh hưởng của các mức bón đạm khác nhau ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày tới sinh khối của ngô..........................................38 Bảng 4.5. Ảnh hưởng của các loại giống khác nhau đến ph ản xạ tán c ủa ngô....................................................................................................42 Bảng 4.6. Ảnh hưởng của các mức bón đạm khác nhau đến phản xạ tán ngô....................................................................................................45 Bảng 4.7. Phản xạ của giống ngô V1 tại hai giai đoạn phát triển............48
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ Trang Hình 2.1. Thành phần của Viễn thám...........................................................5 Hình 2.2. Nghiên cứu dữ liệu Viễn thám theo đa quan niệm.......................9 Hình 2.3. Dải sóng quang phổ điện từ........................................................12 Hình 2.4. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên...................................16 Hình 2.5. Các bước tiến hành tính toán bề mặt sinh khối rừng.................24 Hình 4.1. Sinh khối của giống V1 và V2 ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày.. .37 Hình 4.2. Ảnh hưởng của các mức bón đạm tới sinh khối của ngô ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày. ..................................................................39 Hình 4.3. Phản xạ của hai giống ngô V1 và V2 ở các bước sóng khác nhau giai đoạn ngô trước trỗ 10 ngày.......................................................41 Hình 4.4. Phản xạ ở các bước sóng của ngô khi bón các mức đạm khác nhau giai đoạn trước trỗ 10 ngày.....................................................44 Hình 4.5. Phản xạ tại các bước sóng khác nhau của giống ngô V1 ở hai giai đoạn phát triển.................................................................48 Hình 4.6. Hệ số tương quan (r) giữa phản xạ tán và sinh khối tươi (fw), sinh khối khô (dw) ở giai đoạn trước trỗ 10 ngày...........................50
MỤC LỤC Trang Phần 1 MỞ ĐẦU...........................................................................................1 1.1. Đặt vấn đề........................................................................................1 1.2. Mục tiêu của đề tài............................................................................2 1.3. Ý nghĩa của đề tài..............................................................................2 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU...................................................................3 2.1. Tổng quan về Viễn thám...................................................................3 2.1.1. Giới thiệu chung về Viễn thám......................................................3 2.1.2. Cơ sở vật lý của Viễn thám.........................................................11 2.1.3. Viễn thám và một số ứng dụng của Viễn thám...........................18 2.2. Ứng dụng Viễn thám trong chuẩn đoán sinh khối thực vật............20 2.2.1. Khái niệm cơ bản.........................................................................20 2.2.2. Thành phần hóa học của cây trồng tạo nên sinh khối .................21 2.2.3. Ứng dụng Viễn thám trong chuẩn đoán sinh khối.......................23 2.3. Cơ sở khoa học của để tài...............................................................25 2.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan trực ti ếp đến đề tài............................................................................................26 Phần 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................28 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................28 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu...................................................................28 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu......................................................................28 3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu....................................................28 3.3. Nội dung nghiên cứu........................................................................28 3.4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................28
3.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu......................................................28 3.4.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng.................................29 3.4.3. Phương pháp đo phản xạ tán........................................................30 3.4.4. Phương pháp lấy mẫu cây............................................................31 3.4.5. Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu.......................................31 3.4.6. Chỉ tiêu nghiên cứu.......................................................................31 Phần 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC..................................................................33 4.1. Tóm tắt ............................................................................................33 4.2. Giới thiệu chung về cây ngô............................................................33 4.2.1. Các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của ngô..........................34 4.2.2. Giới thiệu về hai giống ngô LVN14 và LVN99...........................35 4.3. Ảnh hưởng của các nhân tố đến sinh khối của ngô........................36 4.3.1. Ảnh hưởng của giống đến sinh khối ngô.....................................36 4.3.2. Ảnh hưởng của các mức bón đạm đến sinh khối của ngô...........37 4.3. Ảnh hưởng của các nhân tố đến phản xạ của ngô.........................40 4.3.1. Ảnh hưởng của các loại giống khác nhau đến phản xạ của ngô.40 4.3.2. Ảnh hưởng của các mức bón đạm đến phản xạ tán của ngô......43 4.4. Phản xạ tán của ngô qua các giai đoạn sinh trưởng và phát triển khác nhau......................................................................................47 4.5. Mối tương quan giữa sinh khối và phản xạ ở các bước sóng khác nhau của ngô................................................................................49 Phần 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................52 5.1. Kết luận...........................................................................................52 5.2. Kiến nghị.........................................................................................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................54
-1- Phần 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nóng bỏng và được quan tâm hàng đầu trên thế giới. Cùng với ô nhiễm môi trường đất, ô nhi ễm môi trường nước…thì biến đổi khí hậu cũng được coi là vấn đề nhức nh ối c ần có biện pháp phòng ngừa và giảm nhẹ những tác hại do biến đổi khí hậu gây ra. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu nh ưng nguyên nhân chủ yếu vẫn là sự phát triển của nền kinh t ế, s ự tác động c ủa con người đã phát thải các loại khí nhà kính nh ư CO 2, CH4, SO2; NO2… vào không khí. Ở Việt Nam lượng khí thải từ sản xuất nông nghiệp đang tăng chóng mặt. Theo báo cáo của Bộ NN&PTNT nếu như năm 2000, phát thải từ nông nghiệp là 65 triệu tấn CO2, chiếm 43,1% tổng lượng phát th ải của qu ốc gia thì đến nay con số này đã lên tới 110 triệu tấn, tăng 45 tri ệu tấn. Nguyên nhân là do việc sản xuất lương thực, thực ph ẩm theo ph ương pháp truyền thống tạo ra nhiều khí nhà kính: bón phân quá li ều l ượng t ừ đó gây ra tỷ lệ thất thoát phân cao, gây ô nhiễm môi trường và phát th ải khí nhà kính. Qua việc tăng cường sử dụng phân bón nitơ, tăng với tỷ lệ 1 tỷ tấn mỗi năm như hiện nay với lượng nitơ phản ứng có sẵn trong khí quyền, nitơ ôxít (N2O) đã trở thành loại khí nhà kính có mức độ tác động lớn thứ ba sau carbon dioxide và methane. Chính vì vậy, cần tính toán l ượng phân bón một cách chính xác để giảm lượng phân thất thoát. Hàm lượng các ch ất dinh dưỡng trong cây chính là cơ sở khoa học của việc quản lý phân bón cho cây trồng. Hiện nay, để tính toán lượng phân bón cho cây trồng, người ta thường dùng phương pháp phân tích hàm lượng các chất trong cây. Ph ương pháp này thường cho kết quả chính xác nhưng lại phá hủy cấu trúc của cây, chi phí cao và thời gian phân tích kéo dài. Gần đây nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng phản xạ của thực vật trong việc phát hiện sớm sinh trưởng và
-2- tình trạng dinh dưỡng đa lượng và vi lượng của cây. Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy phản xạ của cây trồng có liên quan m ật thi ết t ới tình hình sinh trưởng và dinh dưỡng của cây. Đây là một phương pháp phân tích nhanh, chi phí thấp và không phải lấy mẫu cây trồng nên có th ể xác đ ịnh trực tiếp trên đồng ruộng. Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Ban Giám hiệu Nhà trường và Ban Chủ nhiệm Khoa Tài nguyên và Môi trường, dưới s ự h ướng dẫn cúa thầy giáo PGS TS. Nguyễn Thế Hùng, em tiến hành thực hiện Đề tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa sinh khối và phản xạ, phục vụ chuẩn đoán nhanh sinh khối của ngô” 1.2. Mục tiêu của đề tài - Xác định ảnh hưởng của một số yếu tố tới sinh khối và phản xạ tán của ngô. - Xác định những bước sóng có phản xạ liên quan chặt chẽ với hàm lượng N và sinh khối trong hệ thống cây trồng. - Xây dựng phương trình tính toàn sinh khối tích lũy trong hệ thống cây trồng. 1.3. Ý nghĩa của đề tài - Sự thành công của đề tài sẽ mở ra hướng ứng dụng phản xạ tán trong việc xác định sinh khối trong cây trồng từ đó đưa ra khuyến cáo bón phân hợp lý, tránh tình trạng hướng dư thừa, góp phần giảm ô nhiễm môi trường, giúp tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí, kết quả thu được có độ chính xác chính xác. - Nâng cao kiến th ức, k ỹ năng và kinh nghi ệm ph ục v ụ cho th ực t ế công việc. - Giúp vận dụng và trau dồi các kiến thức đã học.
-3- Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Tổng quan về Viễn thám 2.1.1. Giới thiệu chung về Viễn thám 2.1.1.1. Khái niệm về Viễn thám Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa như một khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của đối tượng được quan sát được xác đ ịnh, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc với chúng (Lê Văn Nghinh,2006) [11]. Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ thường là nguồn tài nguyên chủ yếu của Viễn thám. Tuy nhiên, năng lượng như từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng. Bộ cảm là thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ này, bộ cảm được lắp trên các vật mang như máy bay, vệ tinh, tàu con thoi. Loại bộ cảm sử dụng nhiều trong Viễn thám hiện nay là các loại máy chụp ảnh, ảnh quét đa phổ quang cơ, máy quét điện từ. Các phương tiện để mang bộ cảm gọi là vật mang. Công nghệ Viễn thám có những ưu việt sau đây : - Độ trùm phủ không gian của tư liệu trên diện tích lớn. - Có khả năng giám sát sự biến đổi tài nguyên, môi trường Trái Đất. - Sử dụng dải phổ khác nhau để quan trắc đối tượng. - Cung cấp nhanh tư liệu ảnh số có tốc độ phân giải cao và siêu cao, là dữ liệu cơ bản cho việc thành lập và hiệu chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và hệ thống cơ sở dữ liệu địa lý quốc gia. 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, t ừ 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
-4- chúng. Trong tiếng Anh, Viễn thám là “Remote Sensing”, thường đ ược vi ết tắt là RS. Nếu nói một cách khoa học thì chúng ta có th ể dùng định nghĩa sau: “ Viễn thám là một khoa học thu nhận thông tin của b ề mặt Trái Đ ất mà không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt ấy. Điều này được thực hiện nh ờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ, bức xạ từ đối t ượng và sau đó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin nói trên ”. 2.1.1.2. Phân loại Viễn thám a.Phân loại theo nguồn tín hiệu Có hai loại Viễn thám: - Viễn thám chủ động (active sensor): nguồn tia tới là các tia phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các thiết bị đặt trên máy bay. - Viễn thám bị động (passive sensor): nguồn tia tới là các tia phát ra từ mặt trời hoặc các vật chất tự nhiên khác. b. Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo - Vệ tinh địa tĩnh: là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của Trái Đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với Trái Đất là đứng yên. - Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực): là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc hoặc gần vuông góc với mặt ph ẳng xích đạo của Trái Đ ất. Tốc độ quay của vệ tinh khác hoặc với tốc độ quay của Trái Đất và đ ược thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh th ổ c ủa m ặt đ ất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặp lại là s ự cố đ ịnh v ị đ ối với m ột vệ tinh. c. Phân loại theo dải phổ điện từ - Viễn thám quang học: Là hệ thống Viễn thám mà thiết bị có thể hoạt động trong vùng phổ điện từ như vùng như vùng sóng nhìn th ấy (Visible), vùng cận cận hồng ngoại (Near Infrared), vùng giữa cận h ồng ngoại (Middle Infrared) và vùng cận hồng ngoại ngắn (Short Wave Infrared). Các thiết bị cảm biến của hệ thống này rất nhạy cảm với bước sóng từ 300 – 3000nm.
-5- - Viễn thám cận hồng ngoại : là hệ thống mà bộ cảm hoạt động trong vùng cận hồng ngoại, hay bộ cảm biến ghi lại năng lượng tỏa ra từ mặt đất trong dải phổ từ 3000nm đến 5000nm và 8000nm đến 14000nm. D ải sóng ngắn hơn đề cập ở trên được sử dụng trong trường hợp quan sát đối tượng phát nhiệt cao như cháy rừng, dải sóng dài hơn được dùng cho việc quan sát mặt đất thông thường ở nhiệt độ thấp hơn. Vì th ế Vi ễn thám c ận hồng ngoại nhiệt được dùng phổ biến trong quan trắc cháy, ô nhiễm nhiệt. - Viễn thám siêu cao tần: Cảm biến của Viễn thám siêu cao tần ghi lại các vi sóng tán xạ ngược của bước sóng trong dải phổ đi ện t ừ từ 1mm đến 1m. Hầu hết các cảm biến siêu cao tần là Viễn thám ch ủ đ ộng, t ức là có mang theo thiết bị phát năng lượng. Do không phụ thuộc vào năng l ượng mặt trời, hệ thống này độc lập với thời tiết và bức xạ năng lượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) [12]. 2.1.1.3. Thành phần cơ bản của Viễn thám Trong hầu hết các hệ thống Viễn thám, quá trình thu nhận tín hi ệu diễn ra bởi sự tương tác giữa bức xạ tới và đối tượng quan sát. Sơ đồ dưới đây sẽ minh họa quá trình chụp ảnh Viễn thám, đồng thời trình bày bảy thành phần cơ bản trong một hệ thống Viễn thám: Hình 2.1. Thành phần của Viễn thám
-6- Hệ thống Viễn thám thường bao gồm bảy phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau (Đặng Đình Dương, 2004) [1]. 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 đi ện t ừ 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 Vi ễn 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 tác động qua lại 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 t ừ đ ối t ượng 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 th ể là truy ền 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 truy ền 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 d ạng 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 m ột
-7- hoặc kết hợp nhiều phương pháp. Các phương pháp này là giải đoán th ủ công bằng mắt, giải đoán bằng kỹ thuật số hay các công cụ đi ện tử đ ể l ấy 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. Như vậy, hệ thống Viễn thám bao gồm bẩy phần tử có quan h ệ ch ặt chẽ với nhau và hoạt động theo nguyên lý sau: - Nguồn năng lượng chính thường sử dụng cho các bộ cảm th ụ động đó là bức xạ mặt trời (quang học), các bộ cảm chủ động tự tạo ra nguồn năng lượng nhân tạo như sóng rada, tia laze. - Các nguồn năng lượng này tương tác với khí quyển và tương tác với các đối tượng được quan tâm trên bề mặt Trái Đất. Năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến được đặt trên vật mang. - Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ghi nhận bởi ảnh Viễn thám và thông qua phân tích tự động trên ph ần m ềm hoặc giải đoán trực tiếp dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. - Cuối cùng các dữ liệu và các thông tin liên quan đ ến các v ật th ể và các hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông lâm nghiệp, khí tượng, môi trường, thủy sản. 2.1.1.4. Nguyên lý làm việc cơ bản của Viễn thám Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đoán và tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh chụp hàng không, hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số. Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng tượng bức xạ (không ảnh và ảnh vệ tinh) và sóng ph ản hồi (ảnh radar) phát ra từ vật thể khi khảo sát. Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một
-8- vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán đối tượng một cách chính xác hơn (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) [12]. Nếu biết trước phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn của vật thể trong phòng thí nghiệm, xác định bằng các máy đo ph ổ, ta có th ể giải đoán vật thể bằng cách phân tích đường cong phổ thu được từ ảnh v ệ tinh. Các phần mềm xử lý ảnh số được phát triển, nhằm cho ra thông tin về phổ bức xạ của các vật thể hoặc các hiện tượng xảy ra trong gi ới h ạn diện phủ của ảnh. Xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm hiển th ị rõ ảnh và tách l ọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số, dựa vào các thông tin chìa khóa v ề ph ổ b ức xạ phát ra. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý ảnh số được thực hiện trên các phần mềm xử lý ảnh như IDRISI, ERDAS (PC), ERDAS Imagine (UNIX), PCI, ERMAPER, DRAGON, ENVI,ILWIS....
-9- Hình 2.2. Nghiên cứu dữ liệu Viễn thám theo đa quan niệm (Theo Lillesand,1986)[21] Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh Viễn thám được th ực hiện dựa trên các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là: 1. Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìn thấy đến sóng radar. 2. Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các độ cao khác nhau, như ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí c ầu,
-10- chụp từ máy bay trực thăng và phản lực đến các ảnh vệ tinh có ng ười đi ều khiển hoặc tự động. 3. Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau. 4. Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian, phổ và thời gian. 5. Đa phương pháp: Xử lý ảnh bằng mắt và bằng số. 2.1.1.5. Các ngành khoa học liên quan  Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS Viễn thám sẽ là một phương pháp hiệu quả nhất khi nó được kết hợp chặt chẽ với các tư liệu của các bộ môn khoa học khác, đặc biệt là khi nó được vận dụng và kết hợp nhuần nhuyễn với kỹ thuật máy tính và hệ thông tin địa lý. Sự kết hợp giữa ảnh chụp Viễn thám và dữ liệu số trong GIS cùng với các công cụ phân tích kết hợp ảnh chụp và dữ liệu là rất c ần thi ết. Hiểu biết về Viễn thám giúp chúng ta thực hiện được nhiều bài toán phân tích không gian hoặc ra quyết định một cách trực quan và chính xác. D ữ liệu sử dụng cho Viễn thám chính là các ảnh chụp về th ế gi ới t ự nhiên bằng nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên trong nhiều bài toán, ảnh ch ụp không thể thay thế được các dữ liệu trong GIS. Ảnh số chính là một phần của GIS, là thông tin tham chi ếu c ực kỳ hiệu quả cho GIS. Công nghệ GIS ngày nay tích hợp với các tư liệu Viễn thám bằng nhiều cách khác nhau sao cho GIS có thể hoạt động hiệu qu ả trong những môi trường dữ liệu khác nhau. Chúng ta có thể sử dụng Viễn thám và GIS để đo đạc và quan sát hay để phân tích, hiển th ị và ra quy ết định không gian. Sự phong phú của dữ liệu không gian sẽ là một kết nối tốt giữa ảnh chụp và các mô hình phân tích không gian (Lê Văn Nghinh, 2006) [11].  GPS trong Viễn thám Trong khoa học Viễn thám không thể không có một h ệ thống đ ịnh v ị chung cho Trái Đất từ vệ tinh và giám sát từ mặt đất. Hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) bao gồm 24 vệ tinh quay quanh Trái Đ ất theo sáu quỹ đạo khác nhau, cứ bốn vệ tinh thành một nhóm quỹ đạo.
-11- Dữ liệu đầu vào được lưu trữ trong GPS là hệ thông tin về hệ tọa độ của các điểm khảo sát hoặc nó được gắn vào máy tính và chuyển dữ liệu mà nó thu được vào máy tính thông qua một phần mềm chuyên dụng. Khi GPS gắn trên các đơn vị chuyển động như xe cộ và máy bay, nó ghi nh ận tọa độ của các đường đi qua và chuyển vào máy tính. 2.1.2. Cơ sở vật lý của Viễn thám 2.1.2.1. Bức xạ điện từ  Sóng điện từ: Thành phần đầu tiên của một hệ thống Viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu vào đối tượng. Năng lượng này ở dạng sóng điện từ. Tất cả sóng điện từ đều có một thuộc tính cơ bản và phù h ợp v ới lý thuy ết sóng. 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. Khi có sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau lan truyền trong không gian như sóng gọi là sóng điện từ. Sóng điện từ có các tính chất cơ bản như sau: - Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nh ất theo ki ểu hình sin với tốc độ gần bằng 3 x 108 m/s (tốc độ ánh sáng). - Khoảng cách giữa các cực trị được gọi là bước sóng với đơn vị là độ dài. Đây cũng chính là khoảng cách từ một 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 một giây được gọi là tần số (√) - đơn vị của tần số là : herzt.  Quang phổ điện từ: Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau. Sự phân chia thành các dải ph ổ liên quan đ ến tính ch ất b ức
-12- xạ tự nhiên của các đối tượng, từ đó hình thành nên các ph ương pháp Viễn thám khác nhau. • Các dải sóng của quang phổ điện từ Hình 2.3. Dải sóng 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 ng ắn với ở
-13- * Green (xanh lá cây – lục): 0,5 - 0,6 μm * Red (đỏ) : 0,6 - 0,7 μm . - Sau vùng đỏ là dải cận hồng ngoại (infrared): từ 0,7-14 μm ,trong đó lại chia thành các vùng : * Cận hồng ngoại phản xạ: 0,7-3 μm * Cận hồng ngoại trung (giữa) : 3- 7 μm * Cận hồng ngoại nhiệt (xa) : 7- 14 μm - Vùng sóng Radar hay vi sóng (vi sóng - microwave): là các vùng có bước sóng dài hơn nhiều so với vùng cận hồng ngoại, độ dài sóng từ 1mm đến 1m. - Sau vùng Radar là sóng radio có bước sóng > 30 cm. 2.1.2.2. Tương tác năng lượng  Tương tác năng lượng trong khí quyển: Những ảnh hưởng của khí quyển dưới ánh sáng khi truy ền qua nó là tán xạ, truyền qua và hấp thụ ánh sáng của khí quyển. Những ảnh hưởng này có nguyên nhân là tương tác cơ học của các thành phần khí quy ển đối với ánh sáng. Với bất kỳ một nguồn sáng nào, toàn bộ bức xạ cảm nhận được bằng các thiết bị Viễn thám 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 b ước 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 tượng 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 l ơ ( blue) là nổi hơn cả so với các tia sáng khác trong dải nhìn th ấy. Vào lúc bu ổi sáng sớm hoặc lúc mặt trời lặn các tia mặt trời phải truy ền qua m ột 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 ch ỉ nhìn th ấy một phần nhỏ các tia được tán xạ ở bước sóng dài hơn đó là các tia màu đỏ (red) và da cam (magenta).
-14- Hiện tượng tán xạ cũng là nguyên nhân đ ầu tiên gây nên hi ện t ượng sương mù trên ảnh vệ tinh. Tất nhiên hiện tượng sương mù s ẽ làm gi ảm độ nét hay độ tương phản của hình ảnh. Đối với ảnh màu, đó là hi ện tượng xuất hiện nhiều màu xanh lơ trải đều trên toàn ảnh. Đ ể khác ph ục hiện tượng này, một tấm lọc thường được đ ặt trước ống kính đ ể tránh cho những tia sáng có bước sóng ng ắn truy ền vào phim, t ấm l ọc đó g ọi là lọc sương mù. Ngoài ra, có thể có nhiều loại lọc khác nh ư l ọc tia xanh l ơ (lọc Blue), lọc tia cực tím (l ọc 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- 100 μm) là nguyên nhân của hiện tượng tán xạ Mie. Hiện tượng tán xạ 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. Trong trường hợp ở vùng nhìn thấy, khi các tia màu lơ, lam và đỏ được tán xạ, đều nhau do sương mù và mây thì thường xuất hiện màu trắng do ảnh hưởng của tán xạ Mie. - Sự hấp thụ: Ngược lại với hiện tượng tán xạ, sự hấp thụ bởi khí quy ển là nguyên nhân đều phải truyền qua một khoảng cách nào đó trong khí quy ển, khoảng cách đó gọi là khoảng cách đường truyền (Nguyễn Ngọc Th ạch, 2005) [12]. - Sự tán xạ: 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 dẫn đến sự giảm năng lượng của ánh sáng. Khi truyền qua khí quyển, hiện tượng hấp thụ năng lượng xảy ra khác nhau đối với m ột b ước sóng nhất định. Hiện tượng hấp thụ năng lượng mặt trời c ủa khí quy ển là hơi nước, khí cacbonic và khí ozon. Trong dải phổ, vùng dải sóng mà ở đó