- Ch ¬ng 5 viÔn th¸m hång ngo¹i nhiÖt Ph ¬ng ph¸p viÔn th¸m hång ngo¹i nhiÖt lμ ph ¬ng ph¸p ghi nhËn c¸c bøc x¹ nhiÖt ë d¶i sãng hång ngo¹i nhiÖt ( tõ 3 ®Õn 14 m). V× bøc x¹ nhiÖt cã c êng ®é yÕu, l¹i bÞ hÊp thô m¹nh bëi khÝ quyÓn, nªn ®Ó thu c¸c tÝn hiÖu nhiÖt ph¶i cã thiÕt bÞ quÐt nhiÖt víi ®é nh¹y cao. D íi ®©y lμ mét sè c¬ së vËt lý vμ c¸c nguyªn t¾c t¹o ¶nh hång ngo¹i. 5.1. Nguyªn lý bøc x¹ nhiÖt cña vËt chÊt TÝnh chÊt bøc x¹ nhiÖt cña c¸c ®èi t äng tù nhiªn dùa vμo nguyªn t¾c bøc x¹ cña vËt ®en tuyÖt ®èi. 5.1.1. NhiÖt ®é Kinetic v sù bøc x¹ NhiÖt ®é cña vËt chÊt ®o ® îc khi tiÕp xóc hoÆc ®Æt ch×m vμo bªn trong vËt chÊt ® îc quan niÖm lμ nhiÖt ®é bªn trong cña vËt chÊt gäi lμ nhiÖt ®é Kinetic. NhiÖt ®é Kinetic lμ nhiÖt ®é bªn trong cña vËt chÊt, thÓ hiÖn sù trao ®æi n¨ng l îng cña c¸c ph©n tö cÊu t¹o nªn vËt chÊt. Sù bøc x¹ n¨ng l îng cña vËt chÊt lμ mét hμm sè cña nhiÖt ®é Kinetic cña chóng. Khi bøc x¹, vËt chÊt cã mét nhiÖt ®é kh¸c gäi lμ nhiÖt ®é bªn ngoμi cña vËt chÊt. ViÔn th¸m ghi nhËn th«ng tin vÒ nhiÖt ®é bªn ngoμi cña vËt chÊt, còng cã nghÜa lμ ghi nhËn th«ng tin vÒ sù bøc x¹ cña vËt chÊt. 5.1.2. Sù bøc x¹ cña vËt ®en tuyÖt ®èi Nh phÇn ®Çu ®· m« t¶, khi nhiÖt ®é cña mét vËt lín h¬n nhiÖt ®é 0oK (-2730C) th× nã sÏ ph¸t ra mét bøc x¹ nhiÖt. C êng ®é bøc x¹ vμ tÝnh chÊt phæ cña bøc x¹ lμ mét hμm cña thμnh phÇn vËt chÊt t¹i thêi ®iÓm ®ã. H×nh 5.1 minh ho¹ cho sù ph©n bè phæ cña n¨ng l îng bøc x¹ tõ bÒ mÆt cña vËt ®en tuyÖt ®èi t¹i c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. C¸c ® êng cong ph©n bè n¨ng l îng cã h×nh d¹ng gièng nhau nh ng c¸c tia cña chóng cã xu h íng chuyÓn dÞch vÒ phÝa cã b íc sãng ng¾n h¬n khi nhiÖt ®é t¨ng cao (quy luËt chuyÓn dÞch cùc trÞ n¨ng l îng bøc x¹ cña Wiens). Ph©n bæ phæ cña n¨ng l îng bøc x¹ cña vËt ®en t¹i c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau: A max T trong ®ã: m - b íc sãng mμ ë ®ã cã b c x¹ cùc ®¹i; A - 2.898 m (hÖ sè); T - nhiÖt ®é Kinetic. 71
- Toμn bé n¨ng l îng ph¸t ra tõ bÒ mÆt cña vËt ®en tuyÖt ®èi ë mét nhiÖt ®é nμo ®ã ® îc x¸c ®Þnh vμ tÝnh b»ng quy luËt Stefan - bolfman: M = M( ),d , = T4 trong ®ã: M - tæng n¨ng l îng ph¸t x¹, w/ m2 ; M - n¨ng l îng phæ ph¸t x¹ t¹i b íc sãng ,; - h»ng sè stefan bolzmal = 5,6697X 10-8 W/Cm2/K-4; T - nhiÖt ®é cña vËt ®en ( ®é K ) d - diÖn tÝch ph¸t x¹ cña vËt ®en H×nh 5.1: §Æc ®iÓm ph¸t x¹ nhiÖt cña vËt chÊt Theo ph ¬ng tr×nh, tæng l îng nhiÖt ph¸t ra tõ bÒ mÆt vËt ®en th× kh¸c nhau theo tû lÖ víi lòy thõa 4 cña nhiÖt ®é tuyÖt ®èi. ViÔn th¸m ®o ® îc n¨ng l îng ph¸t ra cña vËt, do ®ã ®o ® îc nhiÖt ®é cña vËt. ViÔn th¸m ®o c¸c bøc x¹ M theo c¸c d¶i b íc sãng kh¸c nhau, tuy nhiªn sù bøc x¹ nhiÖt chØ b¾t ®Çu tõ d¶i hång ngo¹i nhiÖt. 5.1.3. Sù ph¸t x¹ nhiÖt tõ c¸c vËt chÊt thùc Víi vËt ®en tuyÖt ®èi, nã ph¸t x¹ toμn bé n¨ng l îng r¬i vμo nã khi lμm cho nhiÖt ®é cña nã t¨ng lªn, cßn vËt chÊt thùc chØ ph¸t ra mét phÇn n¨ng l îng r¬i vμo nã. Kh¶ n¨ng ph¸t x¹ nhiÖt gäi lμ ®é ph¸t x¹ nhiÖt ( ). = N¨ng l îng nhiÖt ph¸t ra cña vËt t¹i mét nhiÖt ®é nμo ®ã/ N¨ng l îng ph¸t ra cña vËt ®en t¹i cïng nhiÖt ®é ®ã. cã gi¸ trÞ tõ 0 - 1: gi¸ trÞ kh¸c nhau tuú thuéc vμo thμnh phÇn vËt chÊt, ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau th× sù ph¸t x¹ còng kh¸c nhau. Ngoμi ra, sù ph¸t x¹ cßn kh¸c nhau ë d¶i sãng vμ gãc ph¸t x¹. 72
- Mét vËt gäi lμ vËt x¸m th× cã ®é ph¸t x¹ nhá h¬n 1 nh ng sù ph¸t x¹ lμ ®Òu ë mét b íc sãng t ¬ng tù nh cña vËt ®en tuyÖt ®èi. Mét vËt cã sù ph¸t x¹ kh¸c nhau ë c¸c d¶i sãng kh¸c nhau th× gäi lμ vËt ph¸t x¹ lùa chän. RÊt nhiÒu vËt chÊt cã sù ph¸t x¹ gièng nh vËt ®en, vÝ dô: n íc 0,98 - 0,99 vμ ph¸t x¹ ë d¶i sãng 6 - 14 m. NhiÒu vËt chÊt kh¸c l¹i cã sù ph¸t x¹ lùa chän, VÝ dô: th¹ch anh cã sù ph¸t x¹ rÊt kh¸c biÖt gi÷a c¸c phÇn trong d¶i phæ tõ 6 - 14 m. D¶i sãng tõ 8 -14 m cã ®Æc ®iÓm lμ ngoμi viÖc thÓ hiÖn sù ph¸t x¹ cña khÝ quyÓn cßn thÓ hiªn sù ph¸t x¹ cña c¸c ®èi t îng ë trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt víi nhiÖt ®é trung b×nh kho¶ng 3000K, ë ®ã cùc ®¹i cña nhiÖt ®é ë 9,7 m. V× lý do ®ã, hÇu hÕt c¸c thiÕt bÞ viÔn th¸m ®Òu ho¹t ®éng ë d¶i sãng 8 - 14 m vμ ë d¶i sãng ®ã, c¸c ®èi t îng tù nhiªn trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt cã sù ph¸t x¹ nhiÖt rÊt kh¸c nhau (b¶ng 5.1). Sù kh¸c biÖt ®ã liªn quan ®Õnthμnh phÇn vËt chÊt vμ tr¹ng th¸i cÊu tróc cña ®èi t îng. B¶ng 5.1: Sù ph¸t x¹ cña mét sè ®èi t îng tù nhiªn ®iÓn h×nh trong d¶i sãng 8 - 14 m VËt chÊt Gi¸ trÞ trong d¶i 8 - 14 m N íc s¹ch 0,89 - 0,99 TuyÕt s ¬ng 0,98 - 0,99 Da ng êi 0,97 - 0,99 B¨ng kh« 0,97 - 0,98 Thùc vËt kháe 0,96 - 0,99 §Êt ít 0,95 - 0,98 Bª t«ng nhùa 0,94 - 0,97 C©y gç 0,93 - 0,94 §¸ bazal 0,92 - 0,96 §Êt kh« 0,92 - 0,94 TuyÕt kh« 0,85 - 0,90 Cá 0,77 - 0,81 ThÐp tÊm 0,63 - 0,70 ThÐp bãng 0,16 - 0,21 C¸c th«ng sè vÒ tÝnh chÊt nhiÖt cña ®èi t îng: bao gåm: tÝnh dÉn nhiÖt (conductivity), nhiÖt dung (capacity) vμ qu¸n tÝnh nhiÖt (inertia). 73
- NhiÖt ®é Ban ®ªm Ban ng y Ban ®ªm bøc x¹ §¸ vμ ®Êt MÆt trêi lÆn Thùc vËt MÆt trêi mäc N íc lÆng sãng §Çm lÇy ThÐp 0 4 8 12 16 20 24 Giê trong ngμy H×nh 5.2: M« h×nh nhiÖt cña c¸c vËt chÊt cã sù kh¸c biÖt lín vÒ nhiÖt ®é cña vËt gi÷a ngμy vμ ®ªm M« h×nh nhiÖt cña c¸c vËt chÊt lμ thÓ hiÖn qu¸n tÝnh-hay sù biÕn ®æi nhiÖt cña vËt chÊt trong 1 ngμy ®ªm: F = [Io (1 - A) COS Z ] - [ Tkim4] ban ngμy = - Tkim4 ban ®ªm trong ®ã: F - Chïm tia bøc x¹ mÆt trêi I0 - H»ng sè mÆt trêi, lμ sè ®o bøc x¹ tõ mÆt trêi A - Anbedo cña bÒ mÆt Z - Gãc nghiªng cña mÆt trêi - H»ng sè Stefan - Bolstman (5,67. 10-12 W.cm-2 . 0K-4 ) - Vμo ban ngμy ¸nh s¸ng mÆt trêi chiÕu trùc tiÕp lμm nãng c¸c ®èi t îng trªn nguyªn t¾c hÊp thô nhiÖt ë c¶ d¶i hång ngo¹i, vïng nh×n thÊp vμ hång ngo¹i ph¶n x¹, gÇn hång ngo¹i. Sù ph¶n x¹ l¹i ¸nh s¸ng mÆt trêi th êng ë d¶i sãng 3 - 5Mm. nÕu dïng phim hång ngo¹i ë d¶i sãng 8 - 14 m, vμo ban ngμy sÏ xuÊt hiÖn c¸c "bãng". ë vïng l¹nh do bÞ khuÊt bãng mÆt trêi, vÝ dô: bãng c©y, bãng nhμ, bãng nói. Th«ng th êng, vμo ban ngμy, vïng bÞ chiÕu ¸nh n¾ng mÆt trêi sÏ nãng h¬n. §èi víi c¸c vËt thÓ ph¸t nhiÖt th× tÝn hiÖu nhiÖt cao thÊp phô thuéc vμo nhiÖt ®é thùc cña chóng, vÝ dô: nhμ m¸y, nói löa, ®¸m ch¸y rõng... Trªn ¶nh hång ngo¹i, ®é s¸ng cña ¶nh (Brightness) sÏ thÓ hiÖn nhiÖt ®é cña ®èi t îng. Vïng nãng nhiÖt ®é sÏ cao, sÏ 74
- cã mμu s¸ng ®Õn tr¾ng, vïng l¹nh sÏ cã mμu ®en, x¸m. Møc ®é x¸m sÏ thÓ hiÖn thang nhiÖt ®é cña ¶nh cña khu vùc. -Vμo ban ®ªm c¸c ®èi t îng cã søc chøa nhiÖt cao vμ qu¸n tÝnh nhiÖt cao th× th êng cã nhiÖt ®é cao h¬n c¸c ®èi t îng kh¸c vμ ¶nh cña chóng th êng s¸ng h¬n. C¸c ®èi t îng cã nhiÖt ®é cao do c¸c nguån cung cÊp kh¸c còng cã tone ¶nh s¸ng h¬n. Qu¸n tÝnh nhiÖt: lμ kh¶ n¨ng ph¶n øng cña mét vËt chÊt ®èi víi sù thay ®æi vÒ nhiÖt. Th«ng th êng c¸c vËt chÊt cã qu¸n tÝnh nhiÖt cao th× cã sù æn ®Þnh vÒ nhiÖt trong mét ngμy ®ªm h¬n so víi c¸c vËt chÊt cã qu¸n tÝnh nhiÖt nhá. Trªn ¶nh hång ngo¹i nhiÖt ban ngμy vμ ban ®ªm, cã thÓ tÝnh ® îc qu¸n tÝnh nhiÖt T - Sù chªnh lÖch gi÷a nhiÖt ®é cao nhÊt vμ thÊp nhÊt cña vËt xuÊt hiÖn trong mét chu kú cña mÆt trêi trong mét ngμy (gi÷a tr a vμ nöa ®ªm) ¶nh chôp ban ngμy: - C¸c ®èi t îng cã nhiÖt ®é cao: nhμ ë, ® êng tr¶i nhùa, bª t«ng, b·i cá, s©n xi m¨ng... - C¸c ®èi t îng cã nhiÖt ®é thÊp: bãng c©y, mÆt n íc. ¶nh chôp ban ®ªm: - C¸c ®èi t îng cã nhiÖt ®é cao: mÆt n íc, ® êng tr¶i bª t«ng nhùa, nhμ ë, khu vøc n íc th¶i... - C¸c ®èi t îng cã nhiÖt ®é thÊp: bãng c©y, b·i cá, s©n xi m¨ng, b¨ng, tuyÕt... Trong nghiªn cøu ®Þa chÊt, nhiÒu lo¹i ®¸ cã ®Æc ®iÓm gièng nhau trªn ¶nh ë vïng nh×n thÊy song l¹i cã ®Æc ®iÓm vÒ nhiÖt kh¸c nhau, vÝ dô: ®¸ v«i vμ manhefit, c¸c nguån n íc nãng n»m ë n«ng, c¸c hÖ thèng ®øt g·y cã thÓ ® îc ph¸t hiÖn rÊt râ trªn ¶nh quÐt nhiÖt. 5.2. C¸c ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn tíi viÖc quÐt t¹o ¶nh hång ngo¹i KhÝ quyÓn cã ¶nh h ëng nhiÒu ®Õn qu¸ tr×nh thu nhËn tÝn hiÖu bøc x¹ nhiÖt. Trong viÖc chÕ t¹o thiÕt bÞ thu, c¸c cöa sæ khÝ quyÓn ® îc lùa chän ®Ó nh÷ng ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn lμ thÊp nhÊt. MÆt kh¸c ®èi víi mçi cöa sæ ® îc lùa chän th× ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn còng ® îc t¨ng lªn hay gi¶m xuèng tïy theo møc ®é ph¸t x¹ cña c¸c ®èi t îng trªn bÒ mÆt. Nh vËy, c¸c tÝn hiÖu nhiÖt thu ® îc phô thuéc vμo ¶nh h ëng m¹nh hay yÕu cña khÝ quyÓn, cô thÓ lμ tû lÖ gi÷a c¸c thμnh phÇn: hÊp thô vμ truyÒn qua. 75
- Do ¶nh h ëng cña c¸c thμnh phÇn nhá bÐ trong khÝ quyÓn mμ nã cã thÓ hÊp thô bít mét phÇn tÝn hiÖu truyÒn tõ ®èi t îng trªn mÆt ®Êt, tr íc khi c¸c tÝn hiÖu ®ã tíi ® îc thiÕt bÞ thu. Ng îc l¹i, chóng còng cã thÓ ph¸t ra tÝn hiÖu bøc x¹ vÒ nhiÖt cña chÝnh c¸c vËt chÊt ®ã råi bæ sung vμo c¸c tÝn hiÖu khi truyÒn tíi thiÕt bÞ thu nhËn. Do ®ã, trong thùc tÕ do ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn mμ nhiÒu ®èi t îng l¹i ® îc thÓ hiÖn cã nhiÖt ®é l¹nh h¬n hoÆc Êm h¬n so víi nhiÖt ®é thùc cña chóng vμ ¶nh h ëng ®ã lμm sai lÖch th«ng tin ra. Th«ng th êng, møc ®é ¶nh h ëng phô thuéc vμo d¶i quÐt, kho¶ng c¸ch gi÷a thiÕt bÞ tíi ®èi t îng. VÝ dô: th«ng th êng nÕu tÝn hiÖu nhiÖt ® îc thu ë ®é cao thÊp d íi 300m th× nhiÖt ®é cña vËt ®o ® îc th êng cao h¬n 20 so víi ®o ë ®é cao lín h¬n. TÊt nhiªn lμ ®iÒu kiÖn khÝ t îng cã ¶nh h ëng lín tíi d¹ng vμ biªn ®é cña nh÷ng ¶nh h ëng nhiÖt do khÝ quyÓn. M©y vμ s ¬ng mï lμ nh÷ng yÕu tè lμm che khuÊt nh÷ng bøc x¹ nhiÖt cña mÆt ®Êt. NÕu trêi trong, ®íi sol khÝ sÏ t¹o nªn nh÷ng ¶nh h ëng tíi tÝn hiÖu nhiÖt. Bôi, c¸c nguyªn tö cacbon, khãi, h¬i n íc còng lμ nh÷ng nh©n tè ¶nh h ëng ®Õn tÝn hiÖu nhiÖt ®é ® îc. V× vËy, ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn lμ rÊt ®a d¹ng, tïy thuéc vμo ®é cao, thêi gian vμ ®iÒu kiÖn thêi tiÕt cña khu vùc. Tuy nhiªn, nh÷ng ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn th êng kh«ng ® îc ®Ó ý tíi. Trong kü thuËt xö lý ¶nh cã nhiÒu ph ¬ng ph¸p xö lý lo¹i bá c¸c nhiÔu cña khÝ quyÓn. T ¬ng t¸c nhiÖt víi c¸c yÕu tè ®Þa h×nh Trong viÔn th¸m nhiÖt, th«ng sè ® îc quan t©m ®Õn nhiÒu nhÊt lμ bøc x¹ nhiÖt tõ c¸c ®èi t îng trªn ®Þa h×nh. Tuy nhiªn, bøc x¹ nhiÖt tõ mét ®èi t îng lμ kÕt qu¶ t ¬ng t¸c víi n¨ng l îng r¬i vμo nã (ë ®©y ch a xÐt ®Õn c¸c nguån nhiÖt truyÒn dÉn trùc tiÕp tõ c¸c ®èi t îng ë xung quanh ®Õn ®èi t îng). Khi mét nguån n¨ng l îng r¬i vμo ®èi t îng, cã sù t ¬ng t¸c nh sau: EI = EA + ER + ET trong ®ã: EI- n¨ng l îng r¬i vμo c¸c yÕu tè ®Þa h×nh; EA - phÇn n¨ng l îng hÊp thô bëi c¸c yÕu tè ®Þa h×nh; ER - phÇn n¨ng l îng ph¶n x¹ bëi c¸c yÕu tè ®Þa h×nh; ET - phÇn n¨ng l îng truyÒn qua c¸c yÕu tè ®Þa h×nh. NÕu biÕn ®æi c«ng thøc trªn b»ng c¸ch chia cho EI, ta cã: EA ER ET EI EI EI EI nÕu gäi: ( ) = EA lμ hÖ sè hÊp thô nhiÖt t¹i b íc sãng EI ( )= ER lμ hÖ sè ph¶n x¹ nhiÖt t¹i b íc sãng EI 76
- ( )= ET lμ hÖ sè truyÒn nhiÖt t¹i b íc sãng EI ta cã: 1 = ( ) + ( )+ ( ) Mét thμnh phÇn kh¸c ® îc xem xÐt ®Õn lμ theo ®Þnh luËt ph¸t x¹ Kirch Hoff (Kirch hoff radiation law) lμ: nÕu ®é ph¸t x¹ cña mét vËt b»ng ®é hÊp thô cña chóng th×: ( ) = ( ) Nh vËynÕu mét vËt cã kh¶ n¨ng hÊp thô tèt th× sÏ ph¸t x¹ tèt vÒ nhiÖt. Quy luËt Kirch Hoff dùa vμo tr¹ng th¸i c©n b»ng vÒ nhiÖt, khi ®ã: ( ) + ( )+ ( ) =1 Trong ®iÒu kiÖn mê ®ôc th× ( ) = 0, khi ®ã: ( ) - ( ) =1 Trong tr êng hîp nμy th× tæng sù ph¸t x¹ vμ ph¶n x¹ nhiÖt cña ®èi t îng lμ kh«ng ®æi nÕu sù ph¶n x¹ thÊp th× sù ph¸t x¹ sÏ cao. Mét vËt cã sù ph¶n x¹ nhiÖt thÊp th× sù ph¸t x¹ nhiÖt sÏ cao. VÝ dô: n íc cã sù ph¶n x¹ nhiÖt rÊt yÕu trong vïng hång ngo¹i nªn sù ph¸t x¹ nhiÖt l¹i t ¬ng ®èi cao ( 1). Ng îc l¹i, thÐp l¸ cã sù ph¶n x¹ nhiÖt rÊt cao th× ®é ph¸t x¹ nhiÖt l¹i rÊt yÕu trong vïng phæ hång ngo¹i (0,63- 0,7). Sù ph¸t x¹ nhiÖt cña mét ®èi t îng tu©n theo quy luËt Stefan- Boltzmal: M= T4 trong ®ã: M - n¨ng l îng nhiÖt ph¸t x¹ t¹i nhiÖt ®é T (w/m2); - hÖ sè ph¸t x¹ nhiÖt cña vËt chÊt; - h»ng sè boltzman 5,6697 X 10 –8 w .m 2 .K -4; T - nhiÖt ®é (k). Do ®ã, mÆc dï bÒ mÆt tr¸i ®Êt cã nhiÖt ®é t ¬ng ®èi gièng nhau (kho¶ng 3000 K) song sù ph¸t x¹ nhiÖt l¹i rÊt kh¸c nhau do c¸c vËt chÊt cã hÖ sè ph¸t x¹ nhiÖt kh¸c nhau. Cã thÓ biÕn ®æi c«ng thøc thμnh: ¼ Tad= T kin trong ®ã : T Rad - nhiÖt ®é ph¸t x¹ cña vËt chÊt; T- nhiÖt ®é Kinetic (nhiÖt ®é bªn trong); - hÖ sè ph¸t x¹ nhiÖt cña vËt chÊt. 77
- V× TRad tØ lÖ víi c¨n bËc 4 cña TKin nªn nhiÖt ®é ph¸t x¹ cña vËt chÊt lu«n nhá h¬n nhiÖt ®é bªn trong cña vËt chÊt (nhiÖt ®é Kinetic) xem b¶ng 5..2. B¶ng 5.2: C¸c th«ng sè vÒ hÖ sè nhiÖt cña mét sè vËt chÊt NhiÖt ®é Kinetic NhiÖt ®é ph¸t x¹ §èi t îng §é ph¸t x¹ (T Kin) (T Rad= ¼ T kin) K C K C VËt ®en 1,00 300 27 300 27 Thùc vËt 0,98 300 27 298,5 25,5 §Êt ít 0,95 300 27 286,2 23,2 §Êt kh« 0,92 300 27 293,8 20,8 Mét ®iÓm cÇn l u ý lμ: C¸c sensor sö dông trong d¶i ngo¹i nhiÖt cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn c¸c bøc x¹ nhiÖt tõ bÒ mÆt cña c¸c ®èi t îng trªn mÆt ®Êt (b¾t ®Çu tõ kho¶ng 5 m). NhiÖt ®é nμy cã thÓ hoÆc kh«ng thÓ hiÖn nhiÖt ®é bªn trong cña ®èi t îng. VÝ dô, vμo ban ngμy víi ®é Èm thÊp th× n íc cã nhiÖt ®é cao sÏ cã t¸c dông gi÷ Èm vμ lμm l¹nh bÒ mÆt cña nã, mÆc dï trong khi víi khèi l îng lín th× n íc cã thÓ gi÷ Êm æn ®Þnh h¬n khi nã ë trªn bÒ mÆt mét ®èi t îng. §©y lμ tÝnh chÊt ®¸ng l u ý khi sö dông vμ ph©n tÝch t liÖu viÔn th¸m. 5.3. Ph ¬ng ph¸p thu vμ ®Æc ®iÓm ¶nh hång ngo¹i nhiÖt 5.3.1. CÊu t¹o v vËn h nh cña hÖ thèng quÐt hång ngo¹i nhiÖt Ghi b¨ng Ghi Bé ®iÒu chØnh phim nguån tia KhuyÕch ®¹i G ¬ng quay Bé phËn Detector quÐt G ¬ng héi tô H íng bay H×nh 5.3: C¬ chÕ thu ¶nh nhiÖt theo ph ¬ng ph¸p quÐt 78
- Do c¸c tÝn hiÖu lμ thÊp vμ chÞu ¶nh h ëng cña nhiÒu yÕu tè m«i tr êng nªn ph ¬ng ph¸p thu ¶nh nhiÖt ® îc ¸p dông lμ ph ¬ng ph¸p quÐt víi c¸c sensor nhiÖt, cã tr êng nh×n tøc thêi( IFOV) lín. CÊu t¹o cña hÖ thèng t¹o ¶nh hång ngo¹i nhiÖt bao gåm (h×nh 5.3): - Sensor nhiÖt: hÖ thèng nμy cã tr êng nh×n tøc thêi réng.C¸c tÝn hiÖu do thiÕt bÞ thu th êng ph¶i ® îc khuyÕch ®¹i lªn nhiÒu lÇn tr íc khi ghi l¹i thμnh h×nh ¶nh. - HÖ thèng quÐt c¬ quang häc ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c quÐt ngang theo ® êng vu«ng gãc víi ® êng bay. - HÖ thèng t¹o ¶nh: tÝn hiÖu do sensor thu, sau khi ® îc khuyÕch ®¹i sÏ ® îc ghi l¹i thμnh d¹ng h×nh ¶nh theo c¬ chÕ 8 bit. Trªn h×nh 5.3 minh häa qui tr×nh ghi phæ cña m¸y quÐt ®a phæ ngang m« pháng c¶ qu¸ tr×nh thu n¨ng l îng phæ tõ ®Êt ®Õn giai ®o¹n ghi l¹i tÝn hiÖu ®iÖn tõ trong tape. Khi n¨ng l îng ph¶n x¹, ph¸t x¹ tõ mÆt ®Êt tíi g ¬ng quay sÏ ®i qua mét thÊu kÝnh vμ bé t¸ch phæ l ìng s¾c chia phæ ra lμm hai phÇn chÝnh: 1- c¸c d¶i phæ tõ cùc tÝm (UV), nh×n thÊy, vμ hång ngo¹i gÇn sÏ ® îc dÉn qua mét l¨ng kÝnh vμ t¹i ®ã sÏ cã c¸c ®Çu ghi phæ theo c¸c kªnh phæ nhá hÑp ghi nhËn chóng; 2- phÇn phæ nhiÖt (Thermal) sau khi ®i qua bé c¸ch l ìng sãng sÏ tiÕp tôc ® îc c¸c bé c¶m nhiÖt ghi l¹i tÝn hiÖu trªn c¸c kªnh nhiÖt kh¸c nhau. C¸c tÝn hiÖu phæ ® îc chuyÓn ®æi sang tÝn hiÖu ®iÖn tõ vμ khuyÕch ®¹i ghi l¹i trªn b¨ng tõ. Trong thùc tÕ cã bé ghi phæ ®¹t ®Õn hμng tr¨m kªnh phæ kh¸c nhau. Bé quÐt phæ theo chiÒu vu«ng gãc víi h íng bay, thu ¶nh trªn d¶i sãng nhiÖt, do cã sù ¶nh h ëng cña quyÓn khÝ, nªn vËn hμnh trong d¶i sãng tõ 3- 5 m hoÆc trªn cöa sè sãng nhiÖt 8-14 m. C¸c bé ghi nhËn phæ (detectors) quantum hoÆc photon ® îc xö dông cho môc ®Ých ghi phæ nμy v× nã cã tèc ®é rÊt nhanh (
- L¨ng kÝnh Con c¸ch Bé ghi phæ l ìng s¾c ThÊu kÝnh N¨ng l îng tõ mÆt ®Êt Ghi b¨ng b - S¬ bé thu ghi tÝn hiÖu § êng bay a - § êng quÐt t¹o ra khi bay H×nh 5.4. Nguyªn t¾c vËn hμnh mét hÖ quÐt ®a phæ ngang: a- s¬ ®å thu vμ ghi tÝn hiÖu. b- ® êng quÐt t¹o ra khi bay (Theo Thomas) M. lillesand vμ Ralph W. Kiefer, 1999) B¶ng 3.2: §Æc tÝnh cña m¸y ®o phæ Photons th êng dïng Kho¶ng phæ h÷u Ých KiÓu Tªn ( m) Thñy ng©n - Germani Ge:Hg 3-14 Indi-antimon InSb 3-5 HbCdTe (MTT) Thñy ng©n-Carmi-Telluarit 8-14 hay ba kim lo¹i Trong bé ghi phæ kªnh nhiÖt quÐt ngang, n¨ng l îng tõ mÆt ®Êt ® îc g ¬ng quÐt chiÕu sang thÊu kÝnh quÐt. T¹i ®©y, n¨ng l îng ® îc ®Çu ghi phæ nhiÖt cña c¸c kªnh cã c¸c b íc sãng kh¸c nhau ghi nhËn vμ chuyÓn tõ tÝn hiÖu nhiÖt sang tÝn hiÖu ®iÖn. TÝn hiÖu ®iÖn truyÒn qua m¸y khuyÕch ®¹i vμ ® îc ghi trong b¨ng tõ sau khi ®· chuyÓn ®æi tõ d¹ng t ¬ng tù sang d¹ng sè. 5.3.2.§Æc ®iÓm cña ¶nh hång ngo¹i nhiÖt -Ph©n gi¶i kh«ng gian vμ diÖn phñ mÆt ®Êt Th«ng th êng, ¶nh quÐt ®a phæ ngang ® îc ghi nhËn trªn cao ®é tõ 300-12000 mÐt. B¶ng 3.2. liÖt kª ®é ph©n gi¶i kh«ng gian vμ diÖn phñ trªn c¸c ®é cao kh¸c 80
- nhau khi sö dông hÖ quÐt cã c¸c gi¸ trÞ tr êng nh×n 90o vμ gãc IFOV lμ 2,5 mili radian. §é ph©n gi¶i kh«ng gian D ® îc tÝnh theo c«ng thøc: D = H' §é réng cña ® êng quÐt W ® îc tÝnh theo c«ng thøc: W = 2H' tan trong ®ã: H' lμ cao ®é bay, lμ nöa gi¸ trÞ cña gãc tr êng nh×n cña hÖ quÐt. RÊt nhiÒu biÕn d¹ng h×nh häc cña quÐt ®a phæ ngang g©y ra vμ cã thÓ gi¶m thiÓu khi ta ph©n tÝch vïng gÇn t©m cña vÖt quÐt. NhiÒu biÕn d¹ng h×nh häc cã thÓ lo¹i bá ® îc b»ng ph ¬ng ph¸p to¸n häc, tuy nhiªn, hiÖu øng biÕn d¹ng h×nh häc g©y khã kh¨n cho viÖc gi¶i quyÕt chän vÑn hiÖn t îng nμy (h×nh 3.22). Ghi v o Bé khuyÕch ®¹i ThiÕt bÞ ®iÖn tö - TÝn hiÖu ®iÖn G ¬ng quÐt Motor quay §Çu ghi phæ nhiÖt ThÊu kÝnh quÐt N¨ng l îng nhiÖt tõ mÆt ®Êt H×nh 5.5. S¬ ®å bé ghi phæ kªnh nhiÖt theo nguyªn t¾c quÐt ngang B¶ng 3.3: §é ph©n gi¶i mÆt ®Êt t¹i t©m (Nadir) vμ ®é réng cña ® êng quÐt cho c¸c cao ®é kh¸c nhau cña mét hÖ quÐt ®a phæ cã gãc 90o vμ tr êng nh×n tæng lμ 2,5 mili radian IFOV. §é cao Cao ®é bay (m) §é ph©n gi¶i t¹i §é réng ® êng quÐt (m) Nadir (m) ThÊp 300 0.75 600 Trung b×nh 6000 15 12000 Cao 12000 30 24 000 81
- - BiÕn d¹ng tiÕp tuyÕn - tû lÖ VËn tèc gãc kh«ng ®æi H×nh 5.6. Sù thay ®æi cña c¸c phÇn tö ph©n d¶i mÆt ®Êt theo vËn tèc th¼ng ¶nh ghi nhËn bëi hÖ quÐt ®a phæ ngang ch a ® îc n¾n sÏ bÞ biÕn d¹ng h×nh häc, ®Æc biÖt trªn ® êng vu«ng gãc víi h íng bay. Trªn h×nh 3.23 ta thÊy râ r»ng cø sau mét kho¶ng t¨ng thêi gian, g ¬ng quay sÏ quÐt ®i mét gãc kh«ng ®æi v× vËn tèc gãc cña g ¬ng quay lμ kh«ng ®æi. HiÖn t îng nμy gäi lμ biÕn ®æi h×nh häc ¶nh kiÓu tû lÖ tiÕp tuyÕn. Tû lÖ ¶nh sÏ thay ®æi chØ theo ph ¬ng vu«ng gãc víi h íng bay vμ kh«ng thay ®æi theo h íng bay. H íng bay H×nh 5.7. BiÕn d¹ng cña ¶nh ch a n¾n: a, ¶nh chôp vu«ng gãc. b, ¶nh chôp ngang. §iÒu nμy cho thÊy, h×nh ®óng cña ®èi t îng trªn mÆt ®Êt sÏ lμ mÆt cong d íi m¸y bay. Trªn h×nh 3.24. minh häa hai sù biÕn d¹ng cña mét c¶nh chôp trong ®ã a- ¶nh chôp vu«ng gãc theo gi¶ thuyÕt- kh«ng biÕn d¹ng, vμ b- ¶nh bÞ biÕn d¹ng tû lÖ theo chiÒu ngang. Nh÷ng biÕn d¹ng h×nh häc nμy ® îc n¾n chØnh theo ph ¬ng ph¸p to¸n häc liªn quan ®Õn sù t ¬ng quan cña gãc nh×n. -Thay ®æi kÝch th íc cña pixel ph©n gi¶i 82
- Trong quÐt ngang, kÝch th íc cña ®iÓm ¶nh sÏ t¨ng dÇn khi xa ® êng t©m ¶nh nadir. T¹i t©m nadir, ®é ph©n gi¶i mÆt ®Êt cña ®¬n vÞ ¶nh ® îc tÝnh b»ng kÝch th íc thËt cña pixel ¶nh, nh vËy lμ, phô thuéc vμo gãc , cao ®é bay H' vμ gãc quay . Th«ng th êng, ®é ph©n gi¶i t¹i r×a ¶nh sÏ lín gÊp 3 ®Õn 4 lÇn ®é ph©n gi¶i cña ®iÓm ¶nh t¹i ® êng t©m. TÝn hiÖu ®Çu ra cña m¸y t¹i bÊt kú ®iÓm nμo thÓ hiÖn phæ tæng hîp cña tÊt c¶ c¸c ®èi t îng kh«ng gian trong ph¹m vi pixel ¶nh mÆt ®Êt. Bëi lÏ, kÝch th íc cña ®iÓm ¶nh sÏ t¨ng dÇn theo h íng tõ nadir ra r×a ¶nh, chØ cã ®èi t îng kh«ng gian lín h¬n diÖn tÝch nh×n thÊy bëi IFOV ® îc ghi nhËn chÝnh x¸c. §èi víi mét vËt ® îc ghi nhËn víi mét nhiÖt ®é s¸ng, th× kÝch th íc cña vËt ®ã ph¶i lín h¬n ®é ph©n gi¶i mÆt ®Êt. H×nh 5.8. BiÕn d¹ng ®Þa h×nh trªn mét ¶nh chôp vμ mét ¶nh quÐt ®a phæ. a- trªn mét ¶nh m¸y bay chôp phim, c¸c ®èi t îng kh«ng gian biÕn d¹ng khi ®i xa t©m ¶nh; b-trªn ¶nh quÐt ®a phæ ngang, c¸c ®èi t îng kh«ng gian biÕn d¹ng theo mét gãc vu«ng gãc víi ® êng t©m. BiÕn d¹ng ®Þa h×nh theo mét chiÒu H×nh 5.9 minh häa biÕn d¹ng ®Þa h×nh do quÐt phæ ngang g©y ra. BiÕn d¹ng ®Þa h×nh chØ ra theo mét h íng. BiÕn d¹ng nμy lμ do khi ®o phæ tõ m¸y bay vμ cã tÝnh chÊt ®Òu theo mét h íng nghiªng. -BiÕn d¹ng th«ng sè bay H íng H íng bay bay H×nh 5.9. BiÕn d¹ng cña mét ¶nh quÐt g©y ra bíi c¸c yÕu tè kh¸c nhau. a-c¶nh trªn mÆt ®Êt, b- ¶nh quÐt, c- biÕn d¹ng do quay, d- biÕn d¹ng do ®Èy, e- biÕn d¹ng do chao 83
- Trªn thùc tÕ cã rÊt nhiÒu yÕu tè ¶nh h ëng ®Õn sù biÕn d¹ng c¸c th«ng sè bay, kÕt qu¶ lμ h×nh ¶nh bÞ mÐo vμ lÖch theo nhiÒu h×nh thøc kh¸c nhau. Tãm l¹i, ¶nh nhiÖt cã c¸c ®Æc ®iÓm chÝnh nh sau : RÊt hay bÞ mÐo do ¶nh h ëng cña c¸c yÕu tè m«i tr êng nh : giã. m a, m©y, thùc vËt... (h×nh 5.4). H×nh 5.10: ¶nh nhiÖt vμ hiÖn t îng mÐo h×nh häc RÊt kh¸c nhau gi÷a ¶nh ban ngμy vμ ban ®ªm phô thuéc vμo m« h×nh nhiÖt cña c¸c vËt chÊt kh¸c nhau. NhiÖt ®é cùc ®¹i, tèc ®é nãng lªn hoÆc l¹nh ®i cña mét ®èi t îng phô thuéc vμo thμnh phÇn vËt chÊt vμ tr¹ng th¸i cña ®èi t îng. VÝ dô: n íc cã cùc ®¹i vμ cùc tiÓu (gi¸ trÞ tuyÖt ®èi) nhá h¬n vμ thêi ®iÓm xuÊt hiÖn cùc ®¹i cùc tiÓu còng chËm h¬n 1- 2 giê so víi c¸c ®èi t îng kh¸c, do ®ã th«ng th êng nhiÖt ®é cña ®Þa h×nh th êng cao h¬n vμo ban ngμy, song l¹i thÊp h¬n vμo ban ®ªm so víi nhiÖt ®é cña n íc. Sù chªnh lÖch vÒ nhiÖt cña vËt chÊt gi÷a ngμy vμ ®ªm gäi lμ qu¸n tÝnh nhiÖt cña vËt chÊt , ký hiÖu lμ P( xem h×nh 5.2 ).Trªn ®å thÞ cña h×nh 5.2,vÞ trÝ giao nhau gi÷a c¸c ® êng cong lμ vÞ trÝ mμ ë ®ã nhiÖt ®é cña mäi vËt gièng nhau. 5.4. Ph©n tÝch ¶nh quÐt nhiÖt 5.4.1.Ph©n tÝch c¸c tr êng nhiÖt ¶nh nhiÖt cã thÓ phôc vô rÊt hiÖu qu¶ cho c¸c lÜnh vùc nghiªn cøu sau: 84
- Nghiªn cøu x¸c ®Þnh mét sè lo¹i ®¸ vμ cÊu tróc ®Þa chÊt ®Æc biÖt, x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c ®øt g·y, lËp b¶n ®å c¸c lo¹i ®Êt, x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c ®iÓm thÊt tho¸t n íc trong kªnh t íi tiªn, x¸c ®Þnh tÝnh chÊt nhiÖt cña nói löa; nghiªn cøu sù bèc h¬n n íc cña thùc vËt; x¸c ®Þnh c¸c nguån n íc l¹nh hoÆc n íc nãng hoÆc c¸c nguån greize (nguån n íc vμ h¬i nãng). Ngoμi ra , ¶nh nhiÖt cßn øng dông trong c¸c nghiªn cøu kh¸c vÒ m«i tr êng nh : x¸c ®Þnh ph¹m vi dÉn vμ ®Æc ®iÓm cña c¸c nguån n íc nãng ra s«ng hå, nghiªn cøu c¸c ®Æc ®iÓm nhiÖt vμ dßng ch¶y trong m«i tr êng n íc hå n íc biÓn, x¸c ®Þnh quy m« ho¹t ®éng cña c¸c ®¸m ch¸y rõng, x¸c ®Þnh vÞ trÝ ch¸y ngÇm trong vïng ch«n lÊp hoÆc trong c¸c hÇm, má than. H×nh 5.11: ¶nh hång ngo¹i nhiÖt cña mét khu vùc c«ng nghiÖp. C¸c vïng s¸ng lμ cã nguån n íc th¶i víi nhiÖt ®é cao. H×nh 5.12: ¶nh nhiÖt cña mét vïng vÞnh vμ b¶n ®å ph©n bè tr êng nhiÖt mÆt Ó HiÖn nay mét trong nh÷ng øng dông phæ biÕn cña ¶nh hång ngo¹i lμ x¸c ®Þnh nhiÖt ®é mÆt n íc biÓn (SST-Sea Surface Temperature), nhiÖt ®é cña c¸c ®¸m m©y... 85
- Mét trong nh÷ng yªu cÇu cña nghiªn cøu ¶nh nhiÖt lμ cÇn ph¶i cã ¶nh chôp trong nhiÒu thêi gian, c¶ ngμy lÉn ®ªm, ®Æc biÖt lμ cÇn cã ¶nh vμo thêi ®iÓm mμ nªu ® îc tèi ®a ®Æc ®iÓm nhiÖt cña ®èi t îng, tèt nhÊt lμ cã ¶nh trong suèt 24 giê cña 1 ngμy. §Æc ®iÓm ph¸t nhiÖt cña mét sè vËt chÊt qua mét ngμy ®ªm nh sau: khi mÆt trêi lÆn, nhiÖt ®é cña vËt chÊt ®Òu gi¶m ®i ®Õn cùc tiÓu. Sau khi mÆt trêi mäc, nhiÖt ®é l¹i t¨ng lªn ®Õn cùc trÞ vμo kho¶ng tõ 12 ®Õn 16 giê. Cùc tiÓu nhiÖt ®é xuÊt hiÖn trong kho¶ng tõ 3 - 5 giê s¸ng. ¶nh chôp lóc 14 h 30 ( chiÒu ) a ¶nh chôp lóc 21 h30 (tèi ) b H×nh 5.13: ¶nh nhiÖt cña mét khu vùc ghi nhËn vμo c¸c thêi gian kh¸c nhau H×nh 5.14. ¶nh nhiÖt cña mét nói löa ®ang ho¹t ®éng ( ¶nh trªn ) vμ ¶nh chôp mét biÖt thù vμo ban ®ªm ( ¶nh d íi ) 86
- 5.4.2. X¸c ®Þnh nhiÖt ®é thùc cña vËt chÊt dùa theo ¶nh viÔn th¸m: Th«ng qua t liÖu viÔn th¸m, cã thÓ x¸c ®Þnh nhiÖt ®é thùc ë bªn ngoμi cña vËt chÊt dùa theo c«ng thøc sau : DN = A + B x x T4 tõ ®ã suy ra T lμ nhiÖt ®é thùc cña bÒ mÆt vËt chÊt : DN A 1/ 4 T B trong ®ã: DN: Gi¸ trÞ sè cña ¶nh viÔn th¸m A; B: C¸c gi¸ trÞ hiÖu chØnh bøc x¹ cña ®èi t îng so víi vËt ®en tuyÖt ®èi : HÖ sè ph¸t x¹ nhiÖt cña vËt Nh vËy c¸c gi¸ trÞ nhiÖt ®é x¸c ®Þnh ® îc trªn t liÖu viÔn th¸m th êng lμ nhiÖt ®é chãi (Brightness temperature), muèn x¸c ®Þnh nhiÖt ®é thËt cña vËt chÊt ta ph¶i tÝnh to¸n thªm c¸c th«ng sè hiÖu chØnh liªn quan ®Õn m«i tr êng cña tõng vÞ trÝ cô thÓ. C¸c th«ng sè vÒ nhiÖt ®é nh : nhiÖt ®é ®Ønh m©y, nhiÖt ®é bÒ mÆt ®Êt, nhiÖt ®é bÒ mÆt n íc biÓn… cã thÓ x¸c ®Þnh ® îc th«ng qua ph©n tÝch t liÖu viÔn th¸m hång ngo¹i nhiÖt. Tãm l¹i Khi nghiªn cøu ph©n tÝch ¶nh hång ngo¹i nhiÖt thu ® îc b»ng ph ¬ng ph¸p quÐt, cÇn l u ý mét sè ®iÓm chÝnh nh sau: - ¶nh nhiÖt th êng lμ ¶nh ®en tr¾ng vμ trªn ®ã, tone ¶nh s¸ng lμ nh ng vïng cã nhiÖt ®é cao, tone ¶nh tèi ®en lμ nh÷ng vïng cã nhiÖt ®é thÊp. - Cã thÓ t¹o ¶nh mμu gi¶ cho ¶nh hång ngo¹i. C¸c vïng cã nhiÖt ®é cao th êng ® îc g¾n mμu nãng lμ mμu ®á vμ c¸c vïng cã nhiÖt ®é thÊp ® îc g¾n mμu l¹nh lμ mμu xanh. - §Ó ph©n tÝch ¶nh nhiÖt ®é mét c¸ch chÝnh x¸c cÇn cã ¶nh thu ® îc trong c¶ ngμy vμ ®ªm cho mét vïng. - NhiÖt ®é ph©n tÝch ® îc lμ nhiÖt ®é bªn ngoμi bÒ mÆt ®èi t îng chø kh«ng ph¶i nhiÖt ®é bªn trong cña vËt hoÆc ®èi t îng. - ¶nh nhiÖt th êng bÞ nhiÔu do ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn. Ngoμi ra ®é mÐo h×nh häc cña ¶nh quÐt nhiÖt lμ kh¸ lín, do ®ã viÖc hiÖu chØnh h×nh häc lμ rÊt cÇn thiÕt trong xö lý ¶nh nhiÖt. 87
- - Trong nghiªn cøu, ¶nh nhiÖt cung cÊp nh÷ng th«ng tin vÒ tÝnh chÊt nhiÖt mét c¸ch t ¬ng ®èi vμ lμ nhiÖt ®é chãi. Muèn x¸c ®Þnh chÝnh x¸c nhiÖt ®é cña c¸c ®èi t îng ph¶i cã nh÷ng quan tr¾c chi tiÕt vμ so s¸nh víi tμi liÖu ®o ®¹c thùc tÕ. ¶nh nhiÖt cßn Ýt ® îc sö dông ë ViÖt Nam do sù h¹n chÕ vÒ t liÖu, hoÆc ch a ® îc phæ biÕn réng r·i. HiÖn nay mét nguån t liÖu ¶nh nhiÖt rÊt phong phó cã thÓ khai th¸c d îc lμ t liÖu ¶nh NOAA - AVHRR, MODIS, FY t¹i mét sè tr¹m thu ®· cã t¹i ViÖt Nam. H×nh 5.10: §¸m ch¸y ë Kiªn Giang ngμy 19/11/2002 vμ kÕt qu¶ ph©n tÝch ph¸t hiÖn c¸c ®iÓm ch¸y rõng tõ ¶nh MODIS. 88
- Kinh Doanh Marketing
- Kinh Tế - Quản Lý
- Biểu Mẫu - Văn Bản
- Tài Chính - Ngân Hàng
- Công Nghệ Thông Tin
- Xem thêm