Công nghệ viễn thám hoạt động theo nguyên lý nào?

Nguyên lý cốt lõi của công nghệ viễn thám là gì?

Bản chất của công nghệ viễn thám nằm ở sự tương tác giữa năng lượng điện từ và vật thể, sau đó đo tín hiệu từ xa để suy ra đặc điểm của vật thể

Với viễn thám quang học thụ động, nguồn năng lượng phổ biến là ánh sáng Mặt Trời. Bức xạ chiếu tới bề mặt và mỗi loại vật liệu hấp thụ, phản xạ hoặc truyền qua các vùng bước sóng khác nhau. Cảm biến ghi nhận phần năng lượng đi tới nó, từ đó tạo dữ liệu phản ánh đặc trưng của khu vực quan sát

Với cảm biến chủ động, thiết bị tự phát một xung năng lượng về phía đối tượng rồi đo tín hiệu phản hồi. Radar và LiDAR là những ví dụ điển hình của nguyên lý này

Có thể khái quát chu trình hoạt động như sau:

Nguồn năng lượng → tương tác với đối tượng → bức xạ hoặc tín hiệu phản hồi → cảm biến thu nhận → dữ liệu được xử lý → thông tin được diễn giải

Điểm quan trọng là cảm biến không chỉ ghi lại một “bức ảnh”. Nó đo các đặc trưng của tín hiệu trong những vùng phổ hoặc dạng năng lượng nhất định, nhờ đó có thể phân biệt và theo dõi các đối tượng trên bề mặt

Bức xạ phản xạ và bức xạ phát ra được thu nhận như thế nào?

Có hai cơ chế phổ biến là viễn thám thụ động và viễn thám chủ động

Viễn thám thụ động

Cảm biến thụ động không tự phát năng lượng để đo đối tượng mà thu nhận năng lượng tự nhiên từ môi trường

Trong nhiều hệ thống quang học, cảm biến ghi nhận bức xạ Mặt Trời phản xạ từ bề mặt. Ở các vùng phổ nhiệt, cảm biến có thể đo bức xạ do chính vật thể phát ra

Điều này tạo ra sự khác biệt giữa các đối tượng. Chẳng hạn, đất, nước, thảm thực vật và các bề mặt nhân tạo không phản xạ và phát xạ năng lượng giống nhau. Chính sự khác biệt về đáp ứng phổ giúp dữ liệu viễn thám chứa thông tin về trạng thái và đặc điểm của bề mặt

Viễn thám chủ động

Cảm biến chủ động tự phát tín hiệu về phía đối tượng và đo năng lượng quay trở lại

Radar phát xung vi ba, còn LiDAR phát xung laser. Khi tín hiệu gặp bề mặt, một phần năng lượng bị hấp thụ, tán xạ hoặc phản xạ và quay trở lại cảm biến

Đặc điểm của tín hiệu phản hồi phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu, độ nhám, hình dạng và cấu trúc của bề mặt. Vì vậy, dữ liệu có thể được sử dụng để nhận biết đặc trưng địa hình hoặc theo dõi các biến đổi trên bề mặt

Vì sao mỗi đối tượng tạo ra tín hiệu khác nhau?

Cơ sở của việc nhận biết từ xa là mỗi vật liệu có cách tương tác khác nhau với năng lượng điện từ

Khi bức xạ tới một đối tượng, năng lượng có thể được phản xạ, hấp thụ hoặc truyền qua ở những mức khác nhau. Sự thay đổi đó tạo nên đặc trưng phổ hoặc tín hiệu riêng của vật thể

Ví dụ, thực vật có đặc tính phản xạ khác với nước và đất ở nhiều vùng bước sóng. Vì vậy, khi cảm biến thu nhận dữ liệu ở nhiều kênh phổ, hệ thống có thể sử dụng sự khác biệt này để phân loại hoặc theo dõi các loại bề mặt

Điều đó cũng giải thích vì sao ảnh viễn thám không chỉ có giá trị ở phần hình ảnh nhìn thấy bằng mắt thường. Một số cảm biến có thể ghi nhận các vùng của phổ điện từ mà mắt người không nhìn thấy, qua đó bổ sung thông tin mà ảnh thông thường không thể hiện rõ

Từ tín hiệu viễn thám đến thông tin về bề mặt như thế nào?

Tín hiệu thu được từ cảm biến trước hết là dữ liệu đo lường, chưa phải ngay lập tức là kết luận về đối tượng. Dữ liệu cần được xử lý và diễn giải để biến thành thông tin có ý nghĩa

Quy trình cơ bản gồm:

1.    Thu nhận tín hiệu: Cảm biến ghi lại bức xạ phản xạ, phát xạ hoặc tín hiệu quay trở lại từ đối tượng

2.    Truyền và lưu trữ dữ liệu: Dữ liệu được đưa về hệ thống tiếp nhận để quản lý và xử lý

3.    Xử lý dữ liệu: Các bước hiệu chỉnh và xử lý giúp dữ liệu phù hợp hơn cho phân tích

4.    Phân tích đặc trưng: Các thông tin về cường độ, bước sóng, thời gian hoặc đặc điểm hình học của tín hiệu được khai thác

5.    Diễn giải: Dữ liệu được chuyển thành thông tin về đối tượng, hiện trạng hoặc sự thay đổi của khu vực quan sát

Nhờ chuỗi này, ảnh và dữ liệu viễn thám có thể phục vụ việc lập bản đồ, theo dõi biến động lớp phủ, quan sát rừng, đất nông nghiệp, mặt nước, địa hình và nhiều đối tượng khác

Nguyên lý viễn thám có những giới hạn nào?

Viễn thám không phải lúc nào cũng đo trực tiếp được mọi đặc tính của đối tượng. Kết quả phụ thuộc vào loại cảm biến, vùng phổ sử dụng, điều kiện quan sát và đặc tính của bề mặt

Với cảm biến quang học thụ động, mây, sương và điều kiện chiếu sáng có thể ảnh hưởng đáng kể đến dữ liệu. Trong khi đó, cảm biến chủ động có thể tự cung cấp năng lượng đo nhưng tín hiệu phản hồi vẫn chịu tác động của đặc điểm bề mặt và điều kiện quan sát

Ngoài ra, việc có dữ liệu viễn thám không đồng nghĩa với việc mọi thuộc tính của đối tượng đều được xác định trực tiếp. Nhiều thông tin cần được suy ra thông qua mối quan hệ giữa tín hiệu đo được và đặc tính vật lý của đối tượng

Vì vậy, nguyên lý cốt lõi của công nghệ viễn thám có thể hiểu là: đo tín hiệu từ xa, phân tích sự tương tác giữa năng lượng và vật chất, rồi suy ra thông tin về đối tượng hoặc hiện tượng được quan sát.