Ảnh vệ tinh là ảnh bề mặt Trái Đất do cảm biến đặt trên vệ tinh ghi lại, phần lớn bằng cách đo năng lượng ánh sáng Mặt Trời phản xạ từ mặt đất ở nhiều dải bước sóng khác nhau, kể cả những dải mắt người không nhìn thấy. Nhờ các dải không nhìn thấy đó, ảnh vệ tinh cho biết nhiều hơn một tấm ảnh chụp thường: cây khoẻ hay cây khô, nước trong hay nước đục, đất ẩm hay đất khô.
Ngành khoa học thu và xử lý loại ảnh này gọi là viễn thám, tức quan sát từ xa. Bài này giải thích bốn loại độ phân giải quyết định một ảnh vệ tinh thấy được gì, vì sao cây xanh hiện màu đỏ trên ảnh màu giả, chỉ số thực vật NDVI được tính và đọc thế nào, cùng trình tự để bạn tự đọc một ảnh vệ tinh của vùng quê mình. Phần dùng AI để tự động phân tích ảnh có bài riêng trong cùng danh mục.
Vệ tinh chụp ảnh như thế nào
Vệ tinh quan sát Trái Đất thường bay trên quỹ đạo gần cực, ở độ cao vài trăm km, quét qua từng dải mặt đất khi Trái Đất quay bên dưới. Sau một số ngày nhất định, vệ tinh quay lại đúng vị trí cũ, cho phép chụp cùng một vùng lặp đi lặp lại. Đây là điểm quý nhất của ảnh vệ tinh: không chỉ thấy một khoảnh khắc mà thấy được thay đổi qua nhiều năm.
Phần lớn cảm biến là loại thụ động, chỉ thu ánh sáng Mặt Trời phản xạ lại, nên không chụp được ban đêm và bị mây che. Một số vệ tinh mang cảm biến radar, tự phát sóng vi ba xuống mặt đất rồi thu sóng dội lại. Sóng radar xuyên qua mây và hoạt động cả ngày lẫn đêm, rất có giá trị ở Việt Nam, nơi mùa mưa nhiều tuần liền mây phủ kín.
Hai chương trình phát dữ liệu miễn phí được dùng rộng rãi trong học tập và nghiên cứu là Landsat của Mỹ, hoạt động liên tục từ năm 1972, và các vệ tinh Sentinel thuộc chương trình Copernicus của Liên minh châu Âu. Việt Nam cũng có vệ tinh quan sát Trái Đất riêng, VNREDSat-1, phóng năm 2013. Thông số và cách truy cập dữ liệu của từng chương trình thay đổi theo thời gian, nên khi dùng thật bạn nên kiểm trang thông tin chính thức của chương trình đó.
Bốn loại độ phân giải quyết định ảnh thấy được gì
Khi nói "ảnh vệ tinh nét hay không", nhiều người chỉ nghĩ tới kích thước điểm ảnh. Thực ra có bốn loại độ phân giải, và mỗi loại trả lời một câu hỏi khác.
| Loại độ phân giải | Nghĩa là gì | Ảnh hưởng tới việc gì |
|---|---|---|
| Không gian | Kích thước mặt đất mà một điểm ảnh đại diện, ví dụ 10 m hay 30 m | Thấy được từng ngôi nhà hay chỉ thấy cả khu dân cư |
| Phổ | Số kênh và độ hẹp của mỗi dải bước sóng cảm biến ghi được | Phân biệt được loại cây, loại đất, chất lượng nước |
| Thời gian | Bao lâu vệ tinh chụp lại cùng một vùng | Theo dõi được mùa vụ, lũ lên xuống, hay chỉ thấy thay đổi theo năm |
| Bức xạ | Số mức sáng tối mà cảm biến phân biệt được | Thấy được chênh lệch nhỏ, như vùng nước đục và nước trong |
Bốn loại này thường phải đánh đổi nhau. Ảnh có độ phân giải không gian rất cao thường phủ vùng hẹp và chụp lại thưa; ảnh chụp lại hằng ngày thường có điểm ảnh lớn. Dữ liệu miễn phí của Sentinel-2 có điểm ảnh 10 m ở các kênh nhìn thấy và hồng ngoại gần, Landsat có điểm ảnh 30 m ở phần lớn các kênh; đủ để thấy cánh đồng, khu rừng, con sông, nhưng không đủ để thấy từng chiếc xe. Chọn ảnh là chọn đúng sự đánh đổi cho câu hỏi của bạn.
Ảnh màu thật, ảnh màu giả và vì sao cây hiện màu đỏ
Màn hình chỉ hiển thị ba màu cơ bản: đỏ, lục, lam. Khi ghép kênh đỏ, kênh lục và kênh lam của cảm biến vào đúng ba màu đó, bạn có ảnh màu thật, trông gần giống ảnh chụp từ máy bay. Ảnh màu thật dễ hiểu nhưng thường hơi mờ vì khí quyển tán xạ ánh sáng lam, và không cho thấy gì vượt quá mắt thường.
Ảnh màu giả đưa một kênh không nhìn thấy vào một màu hiển thị. Tổ hợp phổ biến nhất đặt kênh hồng ngoại gần vào màu đỏ, kênh đỏ vào màu lục, kênh lục vào màu lam. Lá cây khoẻ phản xạ rất mạnh ánh sáng hồng ngoại gần do cấu trúc tế bào bên trong lá, nên trên tổ hợp này thảm thực vật hiện màu đỏ tươi. Rừng rậm đỏ sẫm, lúa đang thì con gái đỏ sáng, đô thị và đất trống màu xám xanh, nước hấp thụ gần hết hồng ngoại nên rất tối, gần như đen.
Lợi ích của ảnh màu giả là phân biệt được những thứ ảnh màu thật khó tách. Một vườn cây ăn trái và một bãi cỏ dại có thể cùng màu xanh với mắt thường nhưng khác hẳn độ đỏ trên ảnh màu giả. Ranh giới giữa mặt nước và đất ướt, rất mờ trong ảnh màu thật, hiện ra sắc nét. Khi xem ảnh màu giả, việc đầu tiên là hỏi kênh nào đang được gán vào màu nào; cùng một vùng nhưng tổ hợp khác sẽ cho màu khác hẳn.
Chỉ số thực vật NDVI: tính và đọc thế nào
NDVI là chỉ số được dùng rộng rãi nhất để đánh giá thảm thực vật từ ảnh vệ tinh. Nó dựa đúng vào hiện tượng lá cây phản xạ mạnh hồng ngoại gần và hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ để quang hợp.
- Công thức: NDVI = (Hồng ngoại gần − Đỏ) : (Hồng ngoại gần + Đỏ). Phép tính làm cho từng điểm ảnh, kết quả nằm trong khoảng từ −1 đến 1.
- Ví dụ giả định: một điểm ảnh ruộng lúa có hệ số phản xạ hồng ngoại gần 0,45 và đỏ 0,05. NDVI = (0,45 − 0,05) : (0,45 + 0,05) = 0,40 : 0,50 = 0,8, cho thấy thực vật dày và khoẻ.
- Đọc giá trị: nước thường âm hoặc gần 0; đất trống, đá, mái nhà khoảng gần 0 tới thấp; cỏ thưa và cây trồng mới gieo ở mức trung bình; rừng rậm và lúa đang phát triển mạnh cho giá trị cao. Các ngưỡng chính xác khác nhau tuỳ cảm biến, mùa và vùng, nên đọc theo so sánh tương đối chứ không áp một con số cứng.
- So theo thời gian: sức mạnh thật của NDVI là theo dõi cùng một vùng qua nhiều lần chụp. Đường NDVI của ruộng lúa tăng dần sau khi cấy, đạt cao nhất khi lúa trổ, rồi giảm khi lúa chín và sau thu hoạch. Một khoảnh rừng có NDVI tụt mạnh giữa hai lần chụp gần nhau là dấu hiệu đáng kiểm tra.
NDVI có giới hạn. Ở vùng thực vật rất dày, chỉ số gần như bão hoà và khó phân biệt rừng tốt với rừng rất tốt. Mây, bóng mây và khói làm sai lệch giá trị; một điểm ảnh bị mây mỏng che có thể cho NDVI thấp giả. Vì vậy trước khi kết luận, luôn mở ảnh màu thật cùng thời điểm để xem có mây hay không.
Những bài học địa lý Việt Nam nhìn rõ trên ảnh vệ tinh
Ảnh vệ tinh biến nhiều kiến thức trong sách thành thứ nhìn thấy được. Một số chủ đề bạn có thể tự quan sát, kèm điều nên chú ý khi xem:
- Phù sa cửa sông: các vệt nước nâu đục loang ra biển ở cửa sông Hồng và các cửa của sông Cửu Long, rõ nhất vào mùa lũ, cho thấy vì sao hai đồng bằng lớn vẫn tiếp tục được bồi đắp.
- Ruộng bậc thang vùng núi phía Bắc: những dải mảnh uốn theo sườn đồi, chạy song song như chính đường đồng mức, là ví dụ sống về cách con người thích nghi với địa hình dốc.
- Địa hình đá vôi: vùng núi đá vôi ở Ninh Bình, Quảng Ninh hay Quảng Trị hiện ra với kết cấu lởm chởm, nhiều khối nhỏ tách rời, khác hẳn sườn núi đất liền mạch.
- Mùa nước nổi: so ảnh tháng mùa khô và tháng cao điểm mùa lũ ở vùng đầu nguồn đồng bằng sông Cửu Long, bạn thấy mặt nước lan rộng thế nào.
- Đô thị dọc trục giao thông: khu xây dựng ở nhiều tỉnh thành kéo dài theo quốc lộ và bờ sông, minh hoạ cho bài về phân bố dân cư.
- Rừng ngập mặn ven biển Cà Mau: dải xanh sẫm men theo bờ, xen với ô vuông ao nuôi thuỷ sản, cho thấy sự giằng co giữa rừng và sinh kế.
Mỗi ví dụ trên đều đáng làm một hoạt động ngắn trong giờ học: mở ảnh, mô tả bằng lời những gì thấy, rồi liên hệ với bài trong sách. Mô tả bằng lời trước khi nghe giải thích giúp nhớ lâu hơn nhiều so với chỉ nhìn.
Tự đọc ảnh vệ tinh vùng quê mình theo năm bước
Bạn có thể bắt đầu với ảnh vệ tinh trên các ứng dụng bản đồ hoặc trình xem ảnh trực tuyến của các chương trình dữ liệu mở. Trình tự đọc:
- Định hướng: tìm những đối tượng chắc chắn nhận ra như sông lớn, đường quốc lộ, bờ biển để biết đâu là bắc, đâu là trung tâm vùng.
- Xác định ngày chụp và mùa. Cùng một cánh đồng ở đồng bằng sông Cửu Long, ảnh mùa nước nổi và ảnh mùa khô trông như hai nơi khác nhau.
- Phân vùng theo màu và kết cấu: vùng mịn đều thường là ruộng hoặc mặt nước, vùng lốm đốm sần là rừng hoặc vườn cây, vùng hình học sáng màu là khu dân cư, nhà xưởng.
- Đối chiếu với kiến thức địa lý: khu dân cư có chạy dọc sông, dọc đường không; rừng còn lại nằm ở độ cao nào; ruộng có theo hướng kênh rạch không.
- Ghi lại câu hỏi chưa trả lời được và kiểm bằng nguồn khác, như bản đồ địa hình, hỏi người địa phương hoặc đi thực tế. Ảnh vệ tinh gợi ý, không tự khẳng định.
Ảnh vệ tinh của nơi có người sinh sống cần được dùng có trách nhiệm. Khi làm dự án, bạn mô tả vùng ở mức khu vực, không khoanh hay đăng ảnh chỉ rõ nhà của một gia đình cụ thể kèm thông tin cá nhân.
Nhờ AI giải thích những gì bạn thấy trên ảnh
AI thuần chữ không nhìn được ảnh bạn đang xem, nhưng giúp bạn diễn giải nếu bạn mô tả kỹ. Một số chatbot nhận ảnh chụp màn hình, khi đó vẫn cần kiểm lại từng nhận định. Câu lệnh mẫu:
- "Trên ảnh màu giả hồng ngoại gần, em thấy một vùng đỏ sẫm, kết cấu sần, nằm trên sườn đồi, xung quanh là các ô đỏ nhạt hình chữ nhật. Có thể là những lớp phủ gì, và em kiểm thêm bằng cách nào?"
- "Tính giúp em NDVI cho ba điểm ảnh với giá trị phản xạ giả định sau, rồi giải thích ý nghĩa từng kết quả. Em sẽ tự tính trước để đối chiếu."
- "Giải thích vì sao lá cây phản xạ mạnh ánh sáng hồng ngoại gần, ở mức học sinh lớp 10."
Khi AI đoán một vùng là loại cây cụ thể chỉ từ màu sắc, hãy xem đó là giả thuyết. Ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình hiếm khi đủ để nói chắc loại cây; người làm viễn thám luôn cần thêm điểm kiểm tra thực địa.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao ảnh vệ tinh trên ứng dụng bản đồ nét hơn ảnh Landsat hay Sentinel?
Ảnh trên ứng dụng bản đồ thường ghép từ ảnh vệ tinh thương mại độ phân giải cao và ảnh chụp từ máy bay, chụp vào những thời điểm khác nhau. Ảnh Landsat và Sentinel thô hơn nhưng chụp lặp lại đều đặn, có nhiều kênh phổ và miễn phí, nên phù hợp cho phân tích và theo dõi thay đổi.
Ảnh vệ tinh có chụp được ban đêm không?
Cảm biến quang học thông thường không chụp được bề mặt ban đêm vì cần ánh sáng Mặt Trời. Có loại cảm biến ghi ánh đèn ban đêm để nghiên cứu đô thị và kinh tế, và cảm biến radar hoạt động cả ngày lẫn đêm, xuyên được mây.
NDVI cao có nghĩa là cây trồng đang tốt?
Thường là dấu hiệu thực vật dày và quang hợp mạnh, nhưng không nói được loại cây, chất lượng nông sản hay sâu bệnh giai đoạn đầu. NDVI cao ở ruộng có thể chỉ do cỏ dại dày. Cần kết hợp thông tin thực địa trước khi kết luận.
Học sinh có tải được ảnh vệ tinh miễn phí không?
Có. Một số chương trình như Landsat và Sentinel cho phép xem và tải ảnh miễn phí qua cổng dữ liệu của họ sau khi đăng ký tài khoản. Nhiều trình xem trực tuyến còn cho chọn sẵn tổ hợp màu và tính NDVI mà không cần cài phần mềm. Giao diện thay đổi theo thời gian, hãy đọc hướng dẫn mới nhất.
Vì sao vùng biển trên ảnh vệ tinh có chỗ màu nâu, chỗ màu xanh?
Màu nâu ở gần cửa sông thường do nước mang phù sa và trầm tích lơ lửng; vùng xa bờ ít trầm tích nên tối và xanh hơn. Đây là cách các nhà khoa học theo dõi luồng phù sa từ các sông lớn đổ ra Biển Đông.
Mây che thì làm sao có ảnh rõ?
Có ba cách: chờ lần chụp sau trời quang, ghép phần không mây của nhiều ảnh chụp gần nhau thành một ảnh tổng hợp, hoặc dùng ảnh radar không bị mây cản. Ở Việt Nam mùa mưa, người làm viễn thám thường phải kết hợp cả ba.