Viễn thám (Remote Sensing) là công nghệ thu thập thông tin về bề mặt Trái Đất hoặc một đối tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tượng đó. Thông tin thường được thu nhận thông qua các cảm biến đặt trên vệ tinh, máy bay hoặc UAV/drone, sau đó được xử lý để tạo ảnh, bản đồ và các lớp dữ liệu phục vụ phân tích.
Ngày nay, viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong trắc địa – bản đồ, GIS, quản lý đất đai, nông nghiệp, lâm nghiệp, tài nguyên môi trường, quy hoạch và giám sát thiên tai.
Viễn thám hoạt động như thế nào?
Nguyên lý cơ bản của viễn thám là cảm biến ghi nhận bức xạ điện từ được phản xạ hoặc phát xạ từ các đối tượng trên bề mặt Trái Đất.
Có thể hình dung quá trình:
Nguồn năng lượng → Bề mặt Trái Đất → Tương tác với đối tượng → Cảm biến thu nhận → Truyền dữ liệu → Xử lý ảnh → Phân tích thông tin.
Ví dụ, ánh sáng Mặt Trời chiếu xuống một khu vực có rừng, ruộng, sông và khu dân cư. Mỗi loại bề mặt phản xạ năng lượng khác nhau. Cảm biến vệ tinh ghi nhận sự khác biệt đó, từ đó có thể hỗ trợ phân loại lớp phủ mặt đất.
Có những loại viễn thám nào?
Xét theo nguồn năng lượng, có thể chia thành hai nhóm chính.
Viễn thám thụ động
Cảm biến thu nhận năng lượng tự nhiên được phản xạ hoặc phát ra từ đối tượng. Nguồn năng lượng phổ biến trong vùng quang học là Mặt Trời.
Các hệ thống ảnh quang học trên nhiều vệ tinh quan sát Trái Đất là ví dụ quen thuộc.
Ưu điểm là hình ảnh trực quan và có thể khai thác nhiều thông tin về lớp phủ, thực vật, đất và nước. Tuy nhiên, ảnh quang học có thể bị ảnh hưởng bởi mây, sương mù và điều kiện chiếu sáng.
Viễn thám chủ động
Hệ thống chủ động tự phát năng lượng về phía đối tượng và đo tín hiệu phản hồi.
Hai công nghệ tiêu biểu là Radar/SAR và LiDAR.
Radar sử dụng sóng điện từ ở vùng vi ba và có khả năng quan sát trong nhiều điều kiện mà ảnh quang học gặp hạn chế. LiDAR sử dụng xung laser để đo khoảng cách và có thể tạo dữ liệu 3D có mật độ cao.
Các nền tảng thu nhận dữ liệu viễn thám
Vệ tinh
Vệ tinh cho phép quan sát khu vực rất rộng và lặp lại theo thời gian. Một số chương trình/dòng dữ liệu được sử dụng rộng rãi gồm Landsat, Sentinel và các hệ thống vệ tinh quan sát Trái Đất khác.
Dữ liệu vệ tinh đặc biệt hữu ích khi cần theo dõi biến động sử dụng đất, rừng, cây trồng, nguồn nước hoặc môi trường trên phạm vi lớn.
Máy bay
Cảm biến được lắp trên máy bay có thể thu nhận dữ liệu với độ phân giải phù hợp cho nhiều nhiệm vụ khảo sát chuyên sâu. Máy bay có thể mang camera quang học, camera đa phổ hoặc LiDAR tùy nhiệm vụ.
UAV/Drone
UAV ngày càng phổ biến trong khảo sát phạm vi nhỏ và trung bình nhờ khả năng bay linh hoạt.
Từ ảnh UAV có thể xử lý để tạo ảnh trực giao (orthomosaic), mô hình bề mặt, mô hình 3D và các sản phẩm đo ảnh khác khi quy trình thu thập và xử lý đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
Độ phân giải ảnh viễn thám là gì?
Khi lựa chọn dữ liệu viễn thám, không nên chỉ quan tâm đến hình ảnh có “rõ” hay không. Có bốn khái niệm quan trọng:
| Loại độ phân giải | Ý nghĩa |
|---|---|
| Không gian | Kích thước chi tiết trên mặt đất mà pixel đại diện |
| Phổ | Khả năng ghi nhận các vùng/băng phổ khác nhau |
| Thời gian | Khả năng quan sát lại cùng khu vực |
| Bức xạ | Khả năng phân biệt mức năng lượng tín hiệu |
Ví dụ, ảnh có độ phân giải không gian cao có thể thể hiện các đối tượng nhỏ tốt hơn, nhưng chưa chắc là dữ liệu tốt nhất cho mọi bài toán.
Ảnh đa phổ là gì?
Cảm biến đa phổ ghi nhận dữ liệu ở nhiều vùng bước sóng khác nhau. Ngoài các kênh ánh sáng nhìn thấy như đỏ, xanh lá, xanh lam, cảm biến có thể ghi nhận thêm vùng cận hồng ngoại và các vùng phổ khác.
Đây là cơ sở để phân tích nhiều đối tượng mà mắt người khó nhận biết trực tiếp.
Một ứng dụng nổi tiếng là đánh giá thực vật bằng NDVI – Normalized Difference Vegetation Index.
NDVI sử dụng sự khác biệt giữa vùng cận hồng ngoại (NIR) và vùng đỏ (Red) để hỗ trợ đánh giá đặc điểm của thảm thực vật.
Viễn thám được ứng dụng như thế nào?
Trong trắc địa – bản đồ, dữ liệu viễn thám có thể hỗ trợ thành lập, cập nhật và phân tích thông tin không gian.
Trong quản lý đất đai, ảnh qua nhiều thời điểm giúp phát hiện biến động lớp phủ và hỗ trợ theo dõi quá trình đô thị hóa.
Trong nông nghiệp, ảnh đa phổ có thể hỗ trợ theo dõi sinh trưởng cây trồng, phân tích biến động thảm thực vật và xác định những khu vực cần kiểm tra ngoài thực địa.
Trong lâm nghiệp, viễn thám được sử dụng để theo dõi diện tích rừng, biến động lớp phủ rừng, cháy rừng và nhiều chỉ tiêu liên quan.
Trong tài nguyên – môi trường, dữ liệu có thể hỗ trợ theo dõi nguồn nước, bờ biển, ngập lụt, xói lở và biến động môi trường.
Trong quy hoạch đô thị, chuỗi ảnh nhiều thời điểm giúp đánh giá tốc độ mở rộng khu dân cư và thay đổi sử dụng đất.
Viễn thám và GIS khác nhau như thế nào?
Hai khái niệm này liên quan chặt chẽ nhưng không giống nhau.
Viễn thám tập trung vào thu nhận và khai thác thông tin từ cảm biến ở khoảng cách xa.
GIS – Geographic Information System tập trung vào quản lý, phân tích, kết hợp và trình bày dữ liệu không gian.
Một quy trình thực tế có thể là:
Vệ tinh/UAV → Ảnh viễn thám → Xử lý ảnh → Phân loại đối tượng → Đưa vào GIS → Phân tích và thành lập bản đồ.
Do đó, viễn thám thường là một nguồn dữ liệu rất quan trọng cho GIS.
Viễn thám và GNSS khác nhau như thế nào?
GNSS RTK chủ yếu giúp xác định tọa độ của vị trí ngoài thực địa.
Viễn thám quan sát và thu thập thông tin trên một khu vực từ xa.
Ví dụ, ảnh vệ tinh có thể cho thấy một vùng rừng rộng hàng nghìn hecta đang thay đổi như thế nào. GNSS RTK có thể được sử dụng ngoài thực địa để xác định chính xác tọa độ một số điểm kiểm tra.
Trong nhiều dự án, hai công nghệ được kết hợp:
Viễn thám phát hiện và phân tích khu vực → GIS quản lý dữ liệu → GNSS kiểm tra thực địa và thu tọa độ.
Viễn thám có thay thế hoàn toàn đo đạc thực địa không?
Không.
Viễn thám có lợi thế rất lớn về phạm vi quan sát, khả năng theo dõi biến động và thu thập dữ liệu trên khu vực rộng, nhưng không phải lúc nào cũng thay thế được khảo sát thực địa.
Đối với các công việc cần tọa độ hoặc kích thước có độ chính xác cao, vẫn có thể cần GNSS RTK, máy toàn đạc, máy thủy bình hoặc các phương pháp trắc địa phù hợp.
Ngoài ra, dữ liệu thực địa còn được sử dụng để kiểm tra, hiệu chỉnh và đánh giá kết quả phân loại ảnh viễn thám.
Một quy trình ứng dụng viễn thám cơ bản
Quy trình có thể gồm: Xác định mục tiêu → lựa chọn nguồn ảnh → tiền xử lý → xử lý/phân tích ảnh → phân loại hoặc trích xuất thông tin → kiểm tra thực địa → tích hợp GIS → thành lập bản đồ/báo cáo.
Ví dụ khi theo dõi biến động rừng, có thể lấy ảnh của hai hoặc nhiều thời điểm, chuẩn hóa dữ liệu, phân loại lớp phủ rồi so sánh để phát hiện khu vực có biến động.
Ưu điểm của công nghệ viễn thám
Ưu điểm nổi bật là khả năng quan sát khu vực rộng trong thời gian tương đối ngắn. Dữ liệu nhiều thời điểm còn giúp nghiên cứu sự thay đổi của đối tượng theo thời gian.
Viễn thám cũng rất hữu ích đối với những khu vực khó tiếp cận trực tiếp, chẳng hạn vùng núi, rừng rộng hoặc khu vực chịu ảnh hưởng thiên tai.
Khi kết hợp với GIS, GNSS và AI, lượng dữ liệu viễn thám lớn có thể được khai thác để tự động nhận dạng và phân tích nhiều loại đối tượng.
Hạn chế của viễn thám
Dữ liệu viễn thám không phải lúc nào cũng phản ánh trực tiếp mọi thông tin cần biết. Kết quả phụ thuộc vào độ phân giải, loại cảm biến, thời điểm chụp, điều kiện khí quyển và phương pháp xử lý.
Ảnh quang học có thể bị mây che. Ảnh có độ phân giải không gian thấp khó nhận dạng các đối tượng nhỏ. Một số dữ liệu độ phân giải cao hoặc dữ liệu chuyên dụng cũng có chi phí đáng kể.
Quan trọng hơn, việc nhìn thấy một đối tượng trên ảnh không đồng nghĩa tự động xác định chính xác bản chất của nó. Nhiều bài toán vẫn cần dữ liệu kiểm chứng ngoài thực địa.
Mối quan hệ giữa Viễn thám – GIS – GNSS
Có thể ghi nhớ đơn giản:
VIỄN THÁM → Quan sát Trái Đất từ xa
GNSS → Xác định vị trí, tọa độ
GIS → Quản lý và phân tích dữ liệu không gian
Khi kết hợp ba công nghệ này, người dùng có thể xây dựng một quy trình hoàn chỉnh từ thu nhận dữ liệu → xác định vị trí → phân tích → thành lập bản đồ → quản lý và ra quyết định.
Kết luận
Viễn thám là công nghệ thu nhận thông tin về đối tượng từ khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp, phổ biến thông qua cảm biến trên vệ tinh, máy bay và UAV.
Công nghệ này hiện có vai trò quan trọng trong trắc địa – bản đồ, GIS, nông nghiệp, lâm nghiệp, đất đai, tài nguyên môi trường, quy hoạch và giám sát thiên tai.
Điểm cần ghi nhớ:
Viễn thám = Thu nhận thông tin từ xa
GNSS = Xác định vị trí
GIS = Quản lý và phân tích dữ liệu không gian
Ba công nghệ không thay thế nhau mà có thể bổ trợ cho nhau trong các dự án khảo sát và quản lý tài nguyên hiện đại.
