Viễn thám là gì và nó được sử dụng để làm gì?

Viễn thám là gì?

Viễn thám là một loại công nghệ không gian địa lý lấy mẫu phát ra và phản xạ bức xạ điện từ (EM) từ các hệ sinh thái trên cạn, khí quyển và dưới nước của Trái đất để phát hiện và theo dõi các đặc điểm vật lý của một khu vực mà không cần tiếp xúc vật lý. Phương pháp thu thập dữ liệu này thường liên quan đến công nghệ cảm biến dựa trên máy bay và vệ tinh, được phân loại là cảm biến thụ động hoặc cảm biến chủ động.

Cảm biến thụ động phản ứng với các kích thích bên ngoài, thu thập bức xạ được phản xạ hoặc phát ra bởi một đối tượng hoặc không gian xung quanh. Nguồn bức xạ phổ biến nhất được đo bằng viễn thám thụ động là ánh sáng mặt trời phản xạ. Các ví dụ phổ biến về cảm biến từ xa thụ động bao gồm thiết bị tích hợp điện tích, chụp ảnh phim, máy đo bức xạ và tia hồng ngoại.

Cảm biến chủ động sử dụng các kích thích bên trong để thu thập dữ liệu, phát ra năng lượng để quét các đối tượng và khu vực, sau đó cảm biến đo năng lượng phản xạ từ mục tiêu. RADAR và LiDAR là các công cụ viễn thám chủ động điển hình để đo thời gian trễ giữa phát xạ và quay lại để thiết lập vị trí, hướng và tốc độ của một đối tượng. Dữ liệu viễn thám thu thập được sau đó được xử lý và phân tích bằng phần cứng viễn thám và phần mềm máy tính (ví dụ phân tích năng lượng và thông tin kinh doanh năng lượng ), có sẵn trong nhiều ứng dụng mã nguồn mở và độc quyền.

Viễn thám được sử dụng để làm gì?

Công nghệ viễn thám được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong hàng nghìn trường hợp sử dụng khác nhau, bao gồm hầu hết các ngành khoa học trái đất, chẳng hạn như khí tượng, địa chất, thủy văn, sinh thái học, hải dương học, băng hà, địa lý và khảo sát đất đai, cũng như các ứng dụng trong quân sự. , lĩnh vực tình báo, thương mại, kinh tế, kế hoạch và nhân đạo. Một số ví dụ viễn thám điển hình bao gồm:

• Viễn thám GIS: Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống được thiết kế để thu thập, lưu trữ, quản lý, phân tích, thao tác và trình bày dữ liệu địa lý hoặc không gian – vệ tinh viễn thám cung cấp một nguồn dữ liệu không gian quan trọng. Viễn thám và GIS phối hợp với nhau để thu thập, lưu trữ, phân tích và trực quan hóa dữ liệu từ hầu hết mọi vị trí địa lý trên Trái đất.
• Theo dõi và quản lý độ ẩm và tưới tiêu là những thành phần chính của viễn thám trong nông nghiệp.
• Radar Doppler đo các sự kiện khí tượng như tốc độ và hướng gió trong các hệ thống thời tiết cũng như cường độ và vị trí lượng mưa. Một ứng dụng khác là kiểm soát giao thông trên không.
• Các vệ tinh AVHRR và MODIS sử dụng cảm biến nhiệt và cảm biến hồng ngoại trung bình để theo dõi các núi lửa đang hoạt động.
• INSAR (radar khẩu độ tổng hợp giao thoa) sử dụng kỹ thuật viễn thám giao thoa để dự đoán và đưa ra các cảnh báo sớm về khả năng sạt lở đất.
• Ứng dụng chính của phát hiện và phạm vi ánh sáng (LiDAR) là quản lý và giám sát thảm thực vật , tuy nhiên nó cũng được áp dụng trong các trường hợp sử dụng vũ khí và đường đạn được chiếu sáng bằng laser. LiDAR cũng có thể được sử dụng để phát hiện và đo nồng độ của các hóa chất khác nhau trong khí quyển.
• Các cặp ảnh chụp từ trên không được sử dụng để lập mô hình các đặc điểm môi trường sống trên cạn và tạo bản đồ địa hình bằng các nhà phân tích hình ảnh và địa hình trong các bộ phận giao thông và đường cao tốc cho các tuyến đường tiềm năng.
• Hình ảnh đo quang phổ được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ cho mục đích theo dõi mục tiêu bằng cách xác định các vật phẩm do con người tạo ra bằng các ký hiệu phân cực của chúng, không có trong các vật thể tự nhiên.
• Vệ tinh viễn thám cung cấp các hình ảnh viễn thám trước và sau để xác định thiệt hại sau động đất, cung cấp dữ liệu quan trọng cho các nhân viên cứu hộ.
• Dữ liệu từ máy đo độ cao laser và radar trên vệ tinh, đo sonar và siêu âm có thể được sử dụng để lập bản đồ bờ biển và phòng chống xói mòn, để hiểu rõ hơn về cách quản lý tài nguyên đại dương, đánh giá tác động của thảm họa thiên nhiên và tạo ra các chiến lược ứng phó với thảm họa được sử dụng trước đây và sau một sự kiện nguy hiểm, và để giảm thiểu thiệt hại mà sự phát triển đô thị gây ra đối với môi trường và giúp quyết định cách thức bảo vệ tốt nhất các nguồn tài nguyên thiên nhiên.
• Viễn thám dầu khí là một công cụ không thể thiếu cho các hoạt động khai thác khí và dầu ở thượng nguồn và hạ nguồn thông qua việc đánh giá cơ sở hạ tầng để lập kế hoạch thực địa. Phân tích quang phổ là rất quan trọng để đánh giá các mỏm trồi trên bề mặt và sự thấm hydrocacbon trên bề mặt.

‍Tầm quan trọng của Viễn thám

Viễn thám cho phép thu thập dữ liệu từ các khu vực nguy hiểm hoặc không thể tiếp cận, với mức độ liên quan ngày càng tăng trong xã hội hiện đại. Nó thay thế việc thu thập dữ liệu chậm hơn, tốn kém trên mặt đất, cung cấp phạm vi phủ sóng nhanh chóng và lặp đi lặp lại các khu vực cực lớn cho các ứng dụng hàng ngày, từ dự báo thời tiết đến báo cáo về thiên tai hoặc biến đổi khí hậu.

Viễn thám cũng là một phương pháp không dò tìm, cho phép người dùng thu thập dữ liệu và thực hiện xử lý dữ liệu và phân tích GIS ngoại vi mà không làm ảnh hưởng đến khu vực hoặc đối tượng mục tiêu. Theo dõi lũ lụt và cháy rừng, phá rừng, gấu Bắc Cực, nồng độ hóa chất và động đất chỉ là một vài trường hợp trong đó viễn thám không gian địa lý cung cấp viễn cảnh toàn cầu và những hiểu biết có thể hành động mà nếu không thì không thể đạt được.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của viễn thám

Chính là dựa vào đặc trưng của phản xạ hay bức xạ, quan sát và thu nhận năng lượng này từ các đối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau. Sau đó tiến hành phân tích, xử lý, giải đoán các thông tin này. Tuy nhiên, kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin sẽ phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về các mối tương quan đặc trưng giữa phản xạ phổ với bản chất và trạng thái của các đối tượng tự nhiên.

Hình 1. Hình ảnh mô tả nguyên lý hoạt động của viễn thám.

Nhờ vào viễn thám cũng như những thông tin liên quan đến đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên mà các nhà chuyên môn lựa chọn kênh ảnh tối ưu và chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng. Đồng thời, đây cũng chính là cơ sở để phân tích, nghiên cứu những tính chất của đối tượng để tiến hành phân loại chúng.

Các ứng dụng của viễn thám trong thực tiễn

Ứng dụng của viễn thám vô cùng rộng rãi và đa dạng. Dựa vào yêu cầu và từng lĩnh vực cụ thể, mà loại ảnh viễn thám sử dụng sẽ khác nhau, được lựa chọn sao cho phù hợp nhất, có nghĩa là loại cảm biến cần có độ phân giải không gian, phân giải phổ và độ phân giải thời gian đủ khả năng đáp ứng được yêu cầu.

Tại Việt Nam, ứng dụng của viễn thám đã hỗ trợ, góp phần lớn trong sự phát triển của công tác quản lý, phát triển kinh tế – xã hội. Không những vậy, viễn thám còn có đóng góp lớn trong việc điều tra, nghiên cứu và các nhiệm vụ bảo vệ an ninh – quốc phòng. Biểu đồ tròn dưới đây biểu thị số liệu thống kê cho các ứng dụng của viễn thám tại Việt Nam:

Hình 2. Biểu đồ số liệu thống kê ứng dụng của viễn thám tại Việt Nam.

1. Ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực môi trường, nguồn nước

Đây là ứng dụng phổ biến nhất của viễn thám tại Việt Nam. Công nghệ viễn thám với khả năng hoạt động bao quát các vùng rộng lớn, có chu kỳ quan sát lặp lại khác nhau, cũng như có thể quan sát trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào, nhờ đó đáp ứng được các yêu cầu trong công việc giám sát môi trường và thiên tai.

Viễn thám hỗ trợ thực hiện việc giám sát các biến động ô nhiễm, hiện tượng sạt lở bờ biển, bờ sông hoặc tại các biển địa chất. Không những vậy, viễn thám còn đóng góp phần lớn trong điều tra hiện trạng của môi trường, giám sát biến động lớp phủ mặt đất, tình trạng xói mòn đất, hoang mạc hóa và theo dõi ô nhiễm xảy ra do chất thải công nghiệp và dầu tràn.

Hình 3. Viễn thám trích xuất thông tin hỗ trợ cho việc dự đoán các mối nguy hiểm đến môi trường trong tương lai.

2. Ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực quản lý đất đai

Trong quản lý đất đai, ứng dụng của viễn thám đóng vai trò vô cùng quan trọng. Nhờ có công nghệ viễn thám mà có được số liệu chính xác để làm cơ sở cho việc hoạch định những kế hoạch nhằm phát triển kinh tế – xã hội. Các công việc như quản lý, quy hoạch sử dụng và bảo vệ tài nguyên rừng, tài nguyên đất cũng được đơn giản hóa khi sử dụng viễn thám.

Đồng thời, việc ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh kết hợp cùng với điều tra khảo sát giúp cung cấp các dữ liệu đồng nhất về thời điểm thu thập thông tin ở những khu vực phạm vi rộng lớn, kể cả ở những những vùng núi khó đến, hẻo lánh.

Hình 4. Viễn thám có vai trò quan trọng trong quản lý đất đai và phát triển kinh tế – xã hội nói chung.

3. Ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực nghiên cứu địa chất

Ảnh vệ tinh từ công nghệ viễn thám có khả năng cung cấp nhiều thông tin mới, cụ thể hơn mà những phương pháp truyền thống không có hoặc khó mà đạt được. Nhờ vào công nghệ này, việc nghiên cứu địa chất (như tốc độ sa mạc hóa, xâm lấn bờ biển, phân tích địa chất trên bề mặt hay bên trong Trái Đất…), tìm kiếm và thăm dò khoáng sản được rút ngắn thời gian, tiết kiệm được chi phí và thời gian làm việc tại thực địa.

4. Ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực đo đạc bản đồ và GIS

Hiện nay, ứng dụng công nghệ của viễn thám và liên kết với hệ thống thông tin địa lý GIS đã tạo nên một công cụ hiệu quả, hỗ trợ thực hiện nhiệm vụ bảo vệ an ninh – quốc phòng. Công nghệ viễn thám là giải pháp duy nhất có khả năng cung cấp mô hình số về độ cao của bề mặt Trái Đất trên bình diện toàn cầu.

Bên cạnh đó, viễn thám cũng cung cấp dữ liệu thành lập bản đồ địa hình, bản đồ dân sự ở nhiều tỷ lệ khác nhau, là dữ liệu cơ sở, hữu ích nhất cho hệ thống thông tin địa lý quốc gia, phục vụ nhiều mục đích dân sự cũng như quân sự.

Những lợi ích mà ứng dụng của viễn thám mang lại cho lĩnh vực đo đạc bản đồ và GIS:

• Ảnh viễn thám được dùng để thực hiện các công tác quy hoạch khu vực đất có diện tích lớn, tiết kiệm chi phí.
• Kiểm tra công tác quản lý đất đai của từng vùng đơn giản hơn.
• Đơn giản hóa việc quản lý các vùng đất biến động.

5. Ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực nông nghiệp và rừng

Đối với lĩnh vực nông nghiệp, công nghệ viễn thám đóng vai trò hỗ trợ phân loại cây trồng, quản lý, đánh giá năng suất thu hoạch của mùa vụ; phân tích những biến động của các loại hình sử dụng đất; thành lập bản đồ thích nghi đất theo mỗi loại cây trồng và bản đồ hiện trạng sử dụng đất…

Hình 5. Viễn thám cung cấp dữ liệu chất lượng, đáng tin cậy cho công việc quản lý nông nghiệp và rừng.

Ngoài ra, viễn thám còn đóng góp rất nhiều trong phát triển, bảo vệ tài nguyên rừng bằng những ứng dụng thực tế, cụ thể có thể kể đến như theo dõi mức độ biến động của thảm phủ thực vật và độ che phủ của rừng.

6. Ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực khí tượng

Viễn thám được ứng dụng cao trong lĩnh vực khí tượng… Những ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực này có thể kể đến cụ thể như: Dự báo thời tiết, theo dõi và dự báo các hiện tượng nguy hiểm như bão, áp thấp nhiệt đới, lũ lụt, mưa lớn hay lốc xoáy,…

7. Ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực thủy sản

Viễn thám cung cấp các thông tin, phục vụ cho công tác quản lý và nuôi trồng thủy sản ven bờ và cả đánh bắt hải sản ở khu vực xa bờ. Đồng thời, công nghệ viễn thám còn cung cấp những thông tin liên quan đến mùa màng để hỗ trợ cho việc xuất khẩu thủy sản.

Ngoài ra, những thông tin điều tra tổng hợp cũng được ghi nhận qua viễn thám nhằm quản lý dải ven bờ, quy hoạch vùng hoặc quy hoạch ngành để lên kế hoạch chuyển dịch cơ cấu kinh tế.

8. Ứng dụng của viễn thám trong phát triển giao thông – đô thị

Ứng dụng của viễn thám giúp đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin, tạo cơ sở về khoa học – kỹ thuật để tiết kiệm thời gian cho công tác quy hoạch và thiết kế mạng lưới giao thông, xây dựng và phát triển đô thị hoặc những công trình thủy điện.

9. Ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu các yếu tố hải dương học

Một ứng dụng khác của công nghệ viễn thám chính là khả năng nghiên cứu những yếu tố về hải dương học, cũng như nguồn lợi hải sản như: dòng nước, nước trồi, độ mặn, nhiệt độ, mật độ phân bố phù dung và hải sản,…