Bài giảng viễn thám ( 1 )

CHƯƠNG I
CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM

1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM
1.1.1. Viễn thám là gì?
Viễn thám (remote sensing) là một kỹ thuật và phương pháp thu nhận thông tin về các đối tượng từ một khoảng cách nhất định mà không có những tiếp xúc trực tiếp với đối tượng.
Viễn thám là một khoa học thu nhận thông tin của đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với bề đối tượng ấy. Điều này được thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ, bức xạ từ các đối tượng và sau đó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin nói trên (theo CCRS).
Thuật ngữ viễn thám được đề cập từ những năm 1950 do một nhà địa lý người Mỹ là E.Pruit đặt ra (Thomas, 1999). Các thông tin thu nhận là kết quả của việc giải mã hoặc đo đạc những biến đổi mà đối tượng tác động tới các môi trường chung quanh như trường điện từ, trường âm thanh hoặc trường hấp dẫn. Ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được phát triển và ứng dụng rất nhanh và rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực.
1.1.2. Lịch sử phát triển của kỹ thuật viễn thám
Sự phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật chụp ảnh. Năm 1858 G.F.Toumachon người Pháp đã sử dụng khinh khí cầu bay ở độ cao 80 m để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi là năm khai sinh ngành kỹ thuật viễn thám. Năm 1894 Aine Laussedat đã khởi xướng một chương trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình (Thomas,1999). Năm 1929 ở Liên Xô cũ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật, thổ nhưỡng. Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cản quang cho chụp ảnh màu hồng ngoại đã được tiến hành. Dựa trên kỹ thuật này một kỹ thuật do thám hàng không đã ra đời. Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống siêu cao tần tích cực (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng từ đầu thế kỷ này. Đầu tiên người ta sử dụng để theo dõi và phát hiện những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, kỹ thuật RADAR phát triển mạnh mẽ. Vào giữa những năm 50 này người ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống RADAR ảnh cửa mở thực. Hệ thống RADAR có cửa mở tổng hợp (Syntheric Aparture Radar - SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu.
Vào năm 1956, người ta đã tiến hành thử nghiệm ảnh máy bay trong việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật. Vào những năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được tiến hành dưới sự bảo trợ của cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ. Từ những thành công trong nghiên cứu trên, ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng vệ tinh nhân tạo Landsat đầu tiên mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu về các hành tinh (kể cả Trái Đất ) và môi trường chung quanh. Những máy đặt trên vệ tinh nhân tạo Trái Đất cung cấp thông tin có tính toàn cục về động thái của mây, lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương. Sự tồn tại tương đối lâu của vệ tinh trên quỹ đạo cũng như khả năng lặp lại đường bay của nó cho phép theo dõi những biến đổi theo mùa, theo hàng năm và trong khoảng thời gian tương đối dài của các đối tượng trên mặt đất.
Trong vòng hai thập kỷ gần đây kỹ thuật viễn thám được hoàn thiện dần dần không những với những thiết bị thu đặc biệt mà nhiều nước dự kiến kế hoạch sẽ phóng vệ tinh điều tra tài nguyên như Nhật, Ấn Độ, các nước Châu Âu. Tổ chức EOS phóng vệ tinh mang máy thu MODIS (100 kênh) và HIRIS (200 kênh) lên quỹ đạo. Nhiều phần mền xử lý ảnh số đã ra đời làm cho nó thành một kỹ thuật quan trọng trong việc điều tra điều kiện và đánh giá tài nguyên thiên nhiên quản lý và bảo vệ môi trường. Ngày nay tia Laze cũng bắt đầu được ứng dụng trong viễn thám. Hiện nay nó được ứng dụng chủ yếu cho các mục đích nghiên cứu trong khí quyển, làm bản đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt bằng hiệu ứng huỳnh quang. Viễn thám ngày nay đã cung cấp những thông tin tổng hợp hoặc những thông tin tức thời để có thể khắc phục một loạt các vấn đề thiên tai, theo dõi sự biến động của các tài nguyên hồi phục ( nước, sinh vật ...).
Ở Việt nam kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng từ năm 1976 (Viện Điều tra Quy hoạch Rừng). Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô - Việt tháng 7 - 1980. Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị khoa học về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ Xô - Việt năm 1980 trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF-6 vào mục đích thành lập một loạt các bản đồ chuyên đề như: địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước, thuỷ văn, rừng vv...
Ủy ban Nghiên cứu Vũ trụ Việt Nam đã hình thành một tiến bộ khoa học trọng điểm “Sử dụng các thành tựu vũ trụ ở Việt Nam” mang mã số 48 - 07 trong đó có vấn đề Viễn thám. Chương trình trên tập trung vào các vấn đề: Thành lập các bản đồ địa chất, địa mạo, địa chất thuỷ văn, hiện trạng sử dụng đất rừng, biến động tài nguyên rừng, địa hình biến động của một số vùng cửa sông vv...; Vấn đề nghiên cứu các đặc trưng phổ phản xạ; Vấn đề nhận dạng trong viễn thám để xây dựng các cơ sở cho phần mềm xử lý ảnh số.
Thông qua các dự án viện trợ quốc tế của UNDP và FAO như VIE 76/011 và VIE 83/004 Viện khoa học Việt Nam nay là Trung tâm Khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia đã được trang bị một số thiết bị chính cho kỹ thuật viễn thám. Trong đó đáng chú ý nhất là:
1. Hệ xử lý ảnh số ROBOTRON
2. Thiết bị tổng hợp ảnh màu
3. Phòng thí nghiệm kỹ thuật ảnh
Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn như các lĩnh vực khí tượng, đo đạc bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt. Công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý đã được ứng dụng để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiều dự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên, giảm sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất các thiên tai ở một số vùng. Cũng từ 1990 viễn thám ở nước ta đã chuyển dần từng bước từ công nghệ tương tự sang công nghệ số kết hợp hệ thông tin địa lý vì vậy hiện nay chúng ta có thể xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuất công nghiệp. Nhiều ngành, nhiều cơ quan đã trang bị các phần mềm mạnh phổ biến trên thế giới như các phần mềm ENVI, ERDAS, PCI, ER MAPPER, OCAPI,... cùng với các phần mềm để xây dựng hệ thông tin địa lý.
Đến nay ở Việt Nam đã có Trung tâm Viễn thám Quốc gia và đã hình hành 20 Trung tâm và phòng viễn thám, đó là các cở sở nghiên cứu và đưa tiến bộ kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng vào công tác chuyên môn như: Phòng Viễn thám của Viện Điều tra Quy hoạch Rừng Bộ Lâm nghiệp (cũ), nay là Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn; Các phòng Địa chất Ảnh của Liên đoàn Địa chất - Bản đồ Địa chất và Intergeo của Tổng cục Địa chất; Trung tâm Viễn thám và Địa chất - Viện Địa chất, Trung tâm; Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia; Trung tâm Liên ngành Viễn Thám & GIS của Trung tâm Khoa học; Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia với Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn; Bộ phận Viễn thám của Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn; Các trạm thu ảnh vệ tinh khí tượng của Trung tâm Quốc gia Khí tượng Thủ;y văn.
1.1.3. Phân loại viễn thám
Có nhiều tiêu chí khác nhau được sử dụng để phân loại viễn thám. Trong đó phổ biến là cách phân loại theo nguồn năng lượng và giải phổ điện từ.
Phân loại theo nguồn năng lượng (source of energy):
Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu trong viễn thám. Năng lượng mặt trời vừa phản chiếu đối tượng (trong khoảng nhìn thấy) vừa hấp thụ và toả năng lượng (cho dải hồng ngoại nhiệt). Hệ thống viễn thám cho phép ghi lại giá trị năng lượng tự nhiên (ánh sáng mặt trời) được gọi là viễn thám thụ động (passive sensor). Hệ thống này chỉ có thể làm việc khi mặt đất được chiếu sáng. Điều ày có nghĩa việc quan sát mặt đất (chụp ảnh) chỉ có thể thực hiện vào ban ngày. Một hệ thống viễn thám mà nguồn năng lượng phản chiếu do người tạo ra (thường là gắn kèm với vật mang) được gọi là viễn thám chủ động. Thuận lợi của hệ thống này là có thể làm việc trong mọi điều kiện thời tiết các mùa trong năm và mọi thời điểm trong ngày. Viễn thám rada là một ví dụ của loại này.
Phân loại theo dải phổ điện từ (range of electromagnectic spectrum)
Viễn thám quang học (optical remote sensing): Là hệ thống viễn thám mà thiết bị có thể hoạt động trong vùng phổ điện từ như vùng nhìn thấy (visible), vùng cận hồng ngoại (near infrared), vùng giữa hồng ngoại (middle infrared) và hồng ngoại ngắn (short wave infrared). Các thiết bị cảm biến của hệ thống này rất nhạy với bước sóng từ 300nm đến 3000nm.
Viễn thám hồng ngoại (thermal remhote sensing): Là hệ thống mà bộ cảm biến hoạt động trong vùng hồng ngoại; hay bộ cảm biến ghi lại năng lượng toả ra từ mặt đất trong dải phổ từ 3000nm đến 5000nm và 8000nm đến 14000nm. Dải 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 thế viễn thám hồng ngoại nhiệt được dùng phổ biến trong quan trắc cháy, ô nhiễm nhiệt…
Viễn thám siêu cao tần (microwave remote sensing): Cảm biến của viễn thám siêu cao tần ghi lại các vi sóng tán xạ ngược của bước sóng trong dải phổ điện từ từ 1mm đến 1m. Hầu hết các cảm biến siêu cao tần là viễn thám chủ động, tức là có mang theo thiết bị phát năng lượng. Do không phụ thuộc vào năng lượng mặt trời, hệ thống này độc lập với thời tiết và bức xạ năng lượng mặt trời.

1.1.4. Các thành phần của viễn thám
Trong hầu hết hệ thống viễn thám, quá trình thu nhận tín hiệu diễn ra bởi sự tương tác giữa bức xạ tới và đối tượng quan sát. Sơ đồ dưới đây sẽ minh hoạ quá trình chụp ảnh viễn thám, đồng thời trình bày 7 thành phần cơ bản trong một hệ thống viễn thám.



Hình 1: Sơ đồ các thành phần của viễn thám
Hệ thống viễn thám thường bao gồm bảy phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có:
A. 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.
B. Những tia phát xạ và khí quyển. Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng nên sẽ phải tác 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 từ đối tượng đến bộ cảm.
C. 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
D. 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.
E. 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.
F. 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.
G. 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.
1.1.5. 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.


Hình 2: Bức xạ điện từ
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.


Hình 3: Bước sóng

- 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.
Tần số và bước sóng quan hệ với nhau công thức: c=λxf; 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.
1.1.6. Đặc tính của sóng điện từ
Sóng điện từ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau phụ thuộc vào: thành phần vật chất cấu trúc của bản thân đối tượng. Những cơ chế tương tác này thay đổi một cách rõ nét qua một số đặc tính của sóng điện từ như thành phần phổ, sự phân cực, cường độ và hướng phản xạ. Như vậy để xác định được hoàn toàn đầy đủ mọi thông tin về một đối tượng nào đó cần phải khảo sát nó trong toàn bộ giải phổ sóng điện từ.
‰ Sự tồn tại của khí quyển làm giảm đi khả năng lan truyền của sóng điện từ và tăng phần nhiễu của tín hiệu thu được. Sự có mặt của mây mù, bụi và những thành phần khác làm tăng thêm ảnh hưởng tiêu cực này. Người ta đã tìm ra được những khoảng sóng mà trong đó ảnh hưởng của khí quyển là nhỏ nhất.




Hình 4: Phổ điện từ mở rộng của vùng nhìn thấy, vùng hồng ngoại, vùng cực ngắn
Giải phổ Bước sóng (μm) Đặc điểm
Tia gama 0.0003μm Bức xạ tối thường bị hấp thụ toàn bộ bởi tầng khí quyển phía trên và không có khả năng dùng trong VT.
Vùng tia X 0.0003-.03 μm Hoàn toàn bị hấp thụ bởi khí quyển không sử dụng được trong VT.
Vùng tia cực tím 0.03- 0.4μm Các bức xạ tối có bước sóng nhỏ hơn 0.3μm hoàn toàn bị hấp thụ bởi tầng ozôn của khí quyển.
Vùng tia cực tím chụp ảnh 0.3 - 0.4μm Truyền qua khí quyển ghi nhận được vào phim và các photo detecter nhưng bị tán xạ mạnh trong khí quyển.
Vùng nhìn thấy 0.4 - 0.7μm Tạo ảnh với phim và photo detecter, đạt cực đại của năng lượng phản xạ ở bước sóng 0.5.
Vùng hồng ngoại 0.7 - 10μm Phản xạ lại bức xạ mặt trời không có thông tin về tính chất nhiệt của đối tượng. Băng từ 0.7 - 1.1 μm được nghiên cứu với phim và gọi là hồng ngoại gần
Vùng hồng ngoại nhiệt 3-5 & 8-14μm Các chỉ số khí quyển chính ở nhiệt ghi được hình ảnh của các bước sóng này, yêu cầu phải có máy quét quang cơ và hệ thống máy thu đặc biệt gọi là hệ thống “vibicol” không phải bằng phim.
Vùng cực ngắn 0.1 - 30 cm Các bước sóng dài hơn có thể hay vùng rađa xuyên qua mây, sương mù và mưa. Các hình ảnh có thể ghi được trong dạng chủ động hay bị động.
Vùng rađa 0.1 - 30 cm Dạng “ chủ động của VT sóng sóng cực ngắn ”. Hình ảnh rađa được ghi lại ở các băng sóng khác nhau.
Vùng rađio > 30 cm Là vùng có bước sóng dài nhất trong phổ điện từ. Một vài sóng rada được phân ra với các bước sóng rất dài được sử dụng trong vùng sóng này.

Trong vùng nhìn thấy, các bước sóng khác nhau sẽ cho ta các mầu khác nhau cụ thể là:






+ Tím: 0.4 - 0.446 µm
+ Lam: 0.446 - 0.500 µm
+ Xanh: 0.500 - 0.578 µm
+ Vàng: 0.578 - 0.592 µm
+ Cam: 0.592 - 0.620 µm
+ Đỏ: 0.620 - 0.7 µm





Trong kỹ thuật viễn thám có 3 mầu cơ bản để tạo ra các mầu trong khoảng nhìn thấy đó là đỏ, xanh lục, xanh lam.



Hình 5: Bước sóng và tần số trong vùng nhìn thấy
1.1.7. Nguồn năng lượng và nguyên tắc bức xạ
Năng lượng sóng điện từ được đề cập bởi hai lý thuyết: lý thuyết sóng và lý thuyết hạt. Ánh sáng nhìn thấy được chỉ là một trong nhiều dạng của năng lượng điện từ. Sóng rađio, nhiệt năng tia cực tím và tia X cũng là những dạng năng lượng của năng lượng điện từ.



Hình 6: Quy luật bức xạ năng lượng
Tất cả các năng lượng này về bản chất giống nhau và bức xạ theo một quy luật hình Sin với tốc độ của ánh sáng và tuân theo phương trình sau :
C = f . λ (1)
Trong đó : c - tốc độ ánh sáng và là một hằng số ( 3 × 108 m/s )
f - tần số
λ - bước sóng
†Trong viễn thám một đặc trưng quan trọng trong sóng điện từ là phổ điện từ (Electromagnetic spectrum). Trị số này thường đo bằng bước sóng của phổ với đơn vị là micromet(μm). Hệ thống Viễn thám thông thường chỉ thực hiện ở một vài vùng như vùng nhìn thấy, phản xạ hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt hoặc một phần của sóng rađio. Ở đây cần chú ý phân biệt sự khác nhau giữa vùng phản xạ hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt.
Năng lượng của một quantum (lượng tử) được xác định theo công thức :
E = h f (2)
Trong đó : E - năng lượng của một quantum tính bằng joul (J)
h - hằng số Plank bằng 6.625 × 10-34 (j.s)
Từ phương trình (1) và (2) ta có





Như vậy ta thấy rằng năng lượng của một quantum phụ thuộc vào độ dài của bước sóng. Độ dài của sóng càng lớn thì năng lượng càng nhỏ. Điều này có một mối liên quan hết sức quan trọng trong viễn thám.
Theo lý thuyết hạt tất cả các vật có nhiệt độ trên nhiệt độ tuyệt đối (0o K hay là - 273oC) đều phát ra năng lượng, tổng năng lượng càng tăng khi nhiệt độ càng tăng và được tính theo định luật Stephan-Boltzman.
M = σ . T4
Trong đó:
M - tổng năng lượng phát ra từ bề mặt vật thể (W/m2)
σ - hằng số Stephan-Boltzman (= 5,6697.10-8 W/m2/OoK).
T - Nhiệt độ tuyệt đối.
Phương trình trên được xác định cho vật thể đen, chính là nguồn phát xạ mà năng lượng phát xạ chính là nguồn năng lượng đã được vật thể hấp thụ .

Hình 7: Nguồn phát xạ và hấp phụ năng lượng chính (mặt trời, trái đất)
1.1.8. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng tự nhiên, nên việc nghiên cứu các tính chất quang học (chủ yếu là đặc trưng phản xạ phổ) của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò quan trọng đối với việc ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám. Phần lớn các phương pháp ứng dụng viễn thám được sử dụng hiện nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng hay nhóm các đối tượng tự nhiên. Các thiết bị ghi nhận, các loại phim ảnh chuyên dụng với độ nhậy phổ phù hợp đã được chế tạo dựa trên các kết quả nghiên cứu về quy luật phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.

Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả của việc giải đoán các thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái của đối tượng tự nhiên. Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn kênh phổ tối ưu chứa nhiều thông tin về đối tượng nghiên cứu nhất, đồng thời đó cũng là cơ sở để phân tích các tính chất của đối tượng địa lý, tiến tới phân loại các loại đối tượng đó.
Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện chiếu sáng, môi trường, khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, chất mùn, cấu trúc bề mặt ...). Như vậy, các đối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau. Phương pháp viễn thám dựa chủ yếu trên nguyên lý này để nhận biết, phát hiện các đối tượng, hiện tượng trong tự nhiên. Các thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên sẽ giúp các nhà chuyên môn lựa chọn được kênh phổ tối ưu chứa nhiều thông tin về đối tượng nghiên cứu. Đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng, tiến tới phân loại chúng.
Năng lượng mặt trời (E0) chiếu xuống mặt đất dưới dạng sóng điện từ, khi năng lượng này tác động lên bề mặt một đối tượng nào đó thì một phần bị phản xạ trở lại (EPX), một phần bị đối tượng hấp thụ và chuyển thành dạng năng lượng khác (EHT), phần còn lại bị truyền qua hay còn gọi là hiện tượng thấu quang năng lượng (ETQ). Có thể mô tả quá trình trên theo công thức:
E0 = EPX + EHT + ETQ (1.1)
Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần hoặc tán xạ toàn phần. Vì vậy cần phải lưu ý khi giải đoán ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, nhất là khi xử lý ảnh cần phải có các thông tin về các khu vực đang khảo sát và phải biết rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị sử dụng, điều kiện chụp ảnh vì các yếu tố này có vai trò nhất định trong việc giải đoán hoặc xử lý ảnh. Đồng thời, năng lượng phản xạ từ các đối tượng không những phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt đối tượng mà còn phụ thuộc vào bước sóng của năng lượng chiếu tới. Do vậy, hình ảnh của đối tượng được ghi nhận bằng năng lượng phản xạ phổ của các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau.
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ phổ vào bước sóng, người ta đưa ra khái niệm về khả năng phản xạ phổ. Khả năng phản xạ phổ r(l) của bước sóng 1 được định nghĩa bằng công thức:
r(λ) = [EPX (λ)/E0 (λ)] x 100% (1.2)
Các đối tượng tự nhiên trên mặt đất rất đa dạng và phức tạp, song xét cho cùng nó được cấu thành bởi ba loại đối tượng cơ bản, đó là: thực vật, thổ nhưỡng và nước.

* Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật
Đặc tính chung nhất của thực vật là khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào chiều dài bước sóng và các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của thực vật.

Hình 8: Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

1. Đường cong đặc trưng phản xạ phổ của thực vật
2. Đường cong đặc trưng phảxạ phổ của thổ nhưỡng
3. Đường cong đặc trưng phản xạ phổ của nước

Đây là đối tượng được quan tâm nhất. Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau có tính chất phản xạ phổ khác nhau. Bức xạ mặt trời (E0) khi tới bề mặt lá cây một phần bị phản xạ ngay (E1). Bức xạ ở vùng sóng chàm và sóng đỏ bị chất diệp lục hấp thụ để thực hiện quá trình quang hợp. Bức xạ ở vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong lá cây sẽ phản xạ trở lại (EG). Bức xạ ở vùng sóng hồng ngoại (EIR > 720nm) cũng sẽ phản xạ khi gặp chất diệp lục của lá. Như vậy, năng lượng phản xạ từ thực vật (EPX) bao gồm:

EPX = E1 + EG + EIR (1.3)

Trong đó thành phần năng lượng (EG + EIR) chứa đựng những thông tin cần thiết về bản chất và trạng thái của thực vật, còn phần năng lượng E1 chỉ có tác dụng tạo ra độ chói của đối tượng . Sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ của thực vật được xác định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài lá cây (chất diệp lục, cấu tạo mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái cây ...), thời kỳ sinh trưởng (tuổi cây, giai đoạn sinh trưởng ...) và các tác động ngoại cảnh (điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý ...). Tuy vậy, đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật vẫn mang những đặc điểm chung: phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần (l > 720nm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (l = 680 - 720nm).

Hình 9: Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Theo đồ thị ta thấy sắc tố hấp của lá cây thụ bức xạ vùng sóng ánh sáng nhìn thấy và vùng cận hồng ngoại, ngoài ra do trong lá cây có nước nên nó hấp thụ bức xạ vùng hồng ngoại. Cũng từ đồ thị trên, ta thấy khả năng phản xạ phổ của lá cây xanh ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp. Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tương ứng với hai dải sóng bị chất diệp lục hấp thụ. Ở hai dải sóng này, chất diệp lục hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy năng lượng phản xạ của lá cây không lớn. Vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất là vùng ánh sáng lục tương ứng với bước sóng 540nm. Do đó, lá cây tươi được mắt ta cảm nhận có màu lục. Khi lá úa hoặc cây bị bệnh lá cây màu vàng hàm lượng diệp lục trong lá giảm đi do đó khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị thay đổi. Như vậy, có thể thấy khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt.
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi chất diệp lục có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ.
- Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt.
- Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước. Khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp thụ là cực đại; ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ không lớn bằng hàm lượng nước trong lá.
* Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng
Thổ nhưỡng là nền của lớp phủ thực vật, cùng với lớp phủ thực vật tạo thành một thể thống nhất trong cảnh quan tự nhiên. Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại.
Một phần bức xạ mặt trời chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tượng (E1), phần còn lại đi vào bề dày của lớp phủ thổ nhưỡng. Một phần năng lượng này được hấp thụ làm tăng nhiệt độ của đất, một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và các thành phần vật chất khác có trong đất (nước và các chất khoáng) sẽ phản xạ trở lại (E2). Như vậy, phần năng lượng E2 sẽ chứa đựng những thông tin cơ bản về thành phần, bản chất các loại đất. Có thể biểu diễn năng lượng phản xạ đó dưới dạng:
EPX = E1 + E2 (1.4)
Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc chủ yếu vào bản chất hóa- lý của đất, hàm lượng chất hữu cơ, độ ẩm, trạng thái bề mặt, thành phần cơ giới của đất ...
Cấu trúc của đất phụ thuộc vào thành phần, tỷ lệ cấu sét, bụi, cát. Sét là hạt mịn có đường kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đường kính 0.002 đến 0.05mm, cát có đường kính 0.05mm đến 2mm. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ thành phần của sét, bụi và cát mà có các loại đất khác nhau.



Hình 10: Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng

Đất cát mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ vì chúng ở gần nhau hơn. Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn. Khi độ ẩm lớn, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng nước, do vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ cao hơn và do đó độ ẩm cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của chúng.
Nhìn vào đồ thị ta thấy: khi độ ẩm tăng lên thì khả năng phản xạ phổ sẽ giảm. Do vậy, khi hạt nước rơi vào cát khô ta thấy cát có mầu thẫm hơn, đó là nguyên nhân có sự chênh lệch rõ rệt giữa các đường đặc trưng 1, 2, 3. Tuy nhiên, nếu cát ẩm nếu có thêm nước cũng sẽ không thẫm mầu đi mấy. Thành phần chất hữu cơ có trong đất cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng, với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5 á 5,0% đất có mầu nâu sẫm. Nếu hàm lượng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có mầu nâu sáng. Ôxít sắt cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của đất. Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng ôxít sắt trong đất giảm xuống. Khi loại bỏ ôxít sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 500nm đến 1100nm nhưng với bước sóng lớn hơn 1100nm thì hầu như không có tác dụng.



Hình 11: Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc vào độ ẩm

Như trên đã nói, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng, tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Vùng phản xạ và bức xạ phổ mạnh dùng để ghi nhận thông tin hữu ích về thổ nhưỡng còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của thổ nhưỡng.


* Đặc trưng phản xạ phổ của nước
Khả năng phản xạ phổ của nước cũng thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Trên ảnh chụp bằng kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại, đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính khác của nước cần phải sử dụng ảnh chụp bằng kênh nhìn thấy để nhận biết.
Phần lớn năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới đều bị nước hấp thụ cho quá trình tăng nhiệt độ nước. Phần năng lượng phản xạ trên bề mặt kết hợp với phần năng lượng sinh ra sau quá trình tán xạ với các hạt vật chất lơ lửng trong nước phản xạ lại, tạo thành năng lượng phản xạ của nước. Vì vậy, năng lượng phản xạ của các loại nước là thấp và giảm dần theo chiều tăng của bước sóng. Bức xạ mặt trời hầu như bị nước hấp thụ hoàn toàn ở vùng hồng ngoại và cận hồng ngoại. Nước đục phản xạ mạnh hơn nước trong, đặc biệt ở vùng sóng đỏ.

Hình 12: Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước
Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp nước mỏng sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do vậy năng lượng phản xạ rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta nhiều khả năng giải đoán các yếu tố thuỷ văn. Ví dụ: đường bờ nước sẽ được giải đoán dễ dàng trên ảnh chụp bằng kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại.
* Một số yếu tố chính ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.
Yếu tố thời gian: Thực phủ mặt đất và một số đối tượng khác thường thay đổi theo thời gian và do vậy khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian. Ví dụ: cây rụng lá vào mùa đông và xanh tốt vào mùa xuân, mùa hè, hoặc cây lúa có màu khác nhau theo thời vụ. Vì vậy khi giải đoán ảnh cần biết rõ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh và đặc điểm của đối tượng cần đoán đọc điều vẽ.
Yếu tố không gian: Người ta chia làm hai loại:
- Yếu tố không gian cục bộ: thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại cây nhưng trồng theo hàng và trồng theo mảng lớn sẽ có khả năng phản xạ phổ không như nhau.
- Yếu tố không gian địa lý: thể hiện khi cùng loại thực vật nhưng sinh trưởng ở các vùng địa lý khác nhau thì khả năng phản xạ phổ sẽ không như nhau. Yếu tố không gian cũng thể hiện khi chụp ảnh vùng nói lúc mặt trời không ở vị trí thiên đỉnh, khi đó cùng một đối tượng ở trên sườn được chiếu sáng và sườn không được chiếu sáng sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau.
Ảnh hưởng của khí quyển: Khi xem xét hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám ta thấy rằng: năng lượng bức xạ từ mặt trời xuống các đối tượng trên mặt đất phải qua tầng khí quyển, sau khi phản xạ từ bề mặt trái đất năng lượng lại được truyền qua khí quyển tới thiết bị ghi thông tin trên vệ tinh. Do vậy khí quyển có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.
Có hai con đường ảnh hưởng chính của khí quyển đó là tán xạ và hấp thụ.
- Hiện tượng tán xạ chỉ làm đổi hướng tia chiếu mà không làm mất năng lượng. Tán xạ là do các hạt vật chất nhỏ có trong không khí hoặc các ion có trong khí quyển phản xạ tia chiếu tới, hoặc do tia chiếu truyền qua lớp khí quyển dày đặc có mật độ không khí không đồng nhất gây nên.
- Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi tia sáng không được tán xạ mà truyền qua lớp nguyên tử không khí trong khí quyển và làm nóng lớp khí quyển đó. Hiện tượng tán xạ tuyệt đối xảy ra khi không có sự hấp thụ năng lượng.

1.2. KHÁI NIỆM ẢNH SỐ TRONG VIỄN THÁM
1.2.1. Khái niệm về ảnh số
Ảnh số được tạo bởi mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích thước được gọi là Pixel. Mỗi pixel được xác định bởi toạ độ hàng (m), cột (n) và giá trị độ xám (g) của nó là g(m, n) biến đổi theo toạ độ điểm(x, y). Toạ độ hàng và cột của mỗi pixel đều là các số nguyên. Còn giá trị độ xám của pixel nằm trong thang độ xám từ 0-255 (thang độ xám 256 bậc theo đơn vị thông tin 8 bit). Toạ độ số hoá chỉ là các giá trị rời rạc m, n và được biểu thị:

Khi lấy ∆x = ∆y và N = M chỉ ra các giá trị rời rạc được gán vào các giá trị độ xám g(m, n) tương ứng của các pixel, lúc đó chúng ta nói rằng ảnh được lấy mẫu (Sampling) và các giá trị độ xám của nó được lượng tử hoá.
Các phần tử của ma trận độ xám g(m, n) có dạng:

Đối với ảnh vệ tinh dạng số thì mỗi phần tử ảnh của pixel thể hiện một khu vực bề mặt trên trái đất. Giá trị độ xám của pixel được tính bằng trị trung bình của độ phản xạ phổ của toàn bộ khu vực nằm trong phạm vi của pixel. Ta có thể thu được ảnh số nhờ các thiết bị số hoá, cụ thể là máy quét ảnh.
1.2.2. Các đặc trưng cơ bản của ảnh số trong viễn thám
Trong viễn thám, việc thu nhận ảnh số được thực hiện nhờ các hệ thống Sensor đặt trên các vệ tinh hoặc trên tàu vũ trụ. Các Sensor này quét và định mẫu năng lượng phản xạ bề mặt trái đất tại vùng mà vệ tinh bay qua. Trong cùng một thời điểm các năng lượng phổ thu nhận được phân tích liên tục nhờ hệ thống lăng kính tách tia đặc biệt và được ghi lại sau khi đã lượng tử hoá thành các băng phổ khác nhau tạo ra ảnh số viễn thám hay gọi là ảnh số đa phổ. Loại ảnh này có đặc trưng riêng của chúng là đặc trưng phổ, đặc trưng không gian và đặc trưng thời gian.
* Đặc trưng phổ
Các đối tượng khác nhau dưới mặt đất phản xạ các bước sóng điện từ khác nhau, vì thế các đối tượng mặt đất thuộc cùng một lớp sẽ có phổ (độ đen) khác nhau trong các băng phổ khác nhau; Các đối tượng thuộc các lớp khác nhau cũng sẽ có phổ khác nhau trên cùng một băng phổ. Đây chính là đặc trưng phổ của ảnh viễn thám, đặc trưng này được thể hiện ở ba dạng là đường cong đặc trưng phổ.

Hình 17: Các đường cong phổ đặc trưng
Trên hình 17 thể hiện đường cong phổ đặc trưng của nước, đất và thực vật. Trục hoành biểu thị độ dài bước sóng, trục tung biểu thị độ phản xạ của các đặc trưng mặt đất với độ dài bước sóng tương ứng. Các đường cong đặc trưng này có thể được vẽ từ các số liệu đo phổ các đối tượng nhờ phổ kế hoặc radio kế trên thực địa.
Hình 18 thể hiện các đường cong phổ đặc trưng tương ứng của nước, đất và thực vật được vẽ dựa trên việc đo độ đen của chúng trên các băng phổ khác nhau. Trục hoành biểu thị số thứ tự băng ảnh, trục tung biểu thị giá trị phổ (độ đen) đo được. Từ hình 17 và hình 18 ta thấy có sự tương thích giữa các đường cong phổ tương ứng của cùng một lớp đối tượng.

Hình 18: Các đường cong phổ tương ứng
Không gian phổ đặc trưng được xác định theo hệ thống toạ độ trực giao đa chiều, trong đó từng trục tọa độ sẽ ứng với một băng ảnh và chỉ ra giá trị phổ của băng ảnh đó.
Hình 19 chỉ ra không gian phổ đặc trưng hai chiều tương ứng với băng 5 và băng 7 của tư liệu ảnh Landsat với ba lớp đối tượng là nước, đất và thực vật với ba điểm phổ là W, S và V. Các vetor OW, OS và OV được gọi là các vector phổ đặc trưng. Trong không gian phổ đặc trưng, nếu hai vector phổ bất kỳ trùng khít với nhau, tức là chúng cùng hướng và bằng nhau về độ dài thì chúng sẽ cùng một lớp và ngược lại.

Hình19: Không gian phổ đặc trưng
Cuối cùng, đối với băng ảnh đơn như ảnh hàng không trắng đen, ảnh Radar hoặc ảnh hồng ngoại, đặc trưng phổ của chúng sẽ suy giảm thành đặc trưng độ đen (hay độ tương phản).
Đặc trưng phổ và độ tương phản đều là cơ sở chính của công tác giải đoán ảnh trực tiếp hoặc bằng máy tính và nâng cao chất lượng ảnh.

* Đặc trưng không gian
Đặc trưng không gian tức là đặc trưng hình học của ảnh viễn thám và thể hiện chính dưới ba dạng là độ phân giải, cấu trúc của ảnh và méo ảnh.
Độ phân giải của tư liệu ảnh viễn thám thể hiện ở ba vấn đề: Độ phân giải không gian, độ phân giải Rediometric và độ phân giải phổ.
Độ phân giải không gian: Độ phân giải không gian của ảnh là khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng mà chúng được phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh. Trên lý thuyết độ phân giải không gian của ảnh được xác định bởi góc nhìn tức thời của bộ thu (IFOV). Giá trị này là kích thước đo được trên mặt đất được nhìn bởi một phần tử của bộ ghi tại một thời điểm. Độ phân giải không gian thường được thể hiện bằng kích thước của pixel, ví dụ như ảnh Landsat TM là (30x30) m hay ảnh SPOT-XS là (20x20)m và SPOT-PAN là (10x10)m ... Độ phân giải không gian là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của công tác đo vẽ bản đồ và của công tác phân loại.
Độ phân giải Radiometric: Độ phân giải Radiometric của ảnh được định nghĩa là sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám có thể phát hiện được bởi bộ thu. Theo lý thuyết độ phân giải radiometric của hệ thống viễn thám phụ thuộc vào tỷ số giữa tín hiệu và nhiễu. Tuy nhiên, trên thực tế độ phân giải Radiometric của ảnh số được xác định bởi số bậc được sử dụng để biểu diễn giá trị độ xám của mỗi pixel. Hiện nay, người ta sử dụng 8bit (256 bậc) để biểu thị giá trị độ xám của mỗi pixel. Ảnh có độ phân giải radiometric càng cao thì sử dụng càng nhiều bậc để biểu diễn giá trị độ xám của pixel và cho phép phân biệt được những thay đổi nhỏ hơn về độ xám của các đối tượng.
Độ phân giải phổ: Tín hiệu phản xạ từ các đối tượng trên mặt đất có thể thu nhận theo các dải bước sóng khác nhau. Mỗi giải sóng đó được gọi là một băng (band) hay một kênh (Chanel). Ví dụ ảnh Spot thu nhận tín hiệu trên ba kênh: Xanh lá cây, đỏ và gần hồng ngoại.
* Cấu trúc của ảnh:
Cấu trúc của ảnh cho ta các đường viền, hướng, vị trí kích thước và sự phân bố các mẫu của đặc trưng này. Nó là cơ sở chính để nội suy địa hình, thừa nhận cấu trúc hoặc màu tổng hợp không gian từ là dò tìm đường bao hoặc rút ra các đặc trưng tuyến tính.
* Méo ảnh:
Méo ảnh là sự không tương tự giữa ảnh và lưới chiếu bản đồ tương ứng với các đặc trưng của mặt đất. Để dùng ảnh viễn thám vào mục đích vẽ bản đồ thì méo hình của ảnh bắt buộc phải hiệu chỉnh. Đây là mục đích chính của công tác nắn chỉnh ảnh viễn thám.

* Đặc trưng thời gian
Đặc trưng này có được là do theo chu kỳ hoạt động của vệ tinh, cứ sau một khoảng thời gian nhất định thu được ảnh ở vị trí ban đầu.
Đặc trưng thời gian của ảnh viễn thám được thể hiện về sự khác nhau giữa phổ và cấu trúc giữa các ảnh đa thời gian, nó là cơ sở chính để dự báo về những biến đổi của bề mặt trái đất hay nói cách khác là sự thay đổi của môi trường.
* Đặc trưng chiết suất thông tin liên hợp
Ngoài ba đặc trưng trên, người ta có thể sử dụng thông tin trên từng băng của ảnh để chồng xếp với nhau, tức là người ta có thể tổng hợp các thông tin trên các băng với nhau để tạo ra một băng mới, tạo ra cho ta khoảng khai thác tư duy được nhiều hơn. Hay nói cách khác vì ảnh ở dạng số nên người ta có thể cộng, trừ, nhân, chia... các băng ảnh với nhau.

Hình 20: Tính toán số học trên các băng