1 ®¹i häc quèc gia hμ néi
Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn
-------*****--------
NGUYÔN NGäC TH¹CH
c¬ së viÔn th¸m
CC S
Hμ Néi 8-2005
Lêi nãi ®Çu
ViÔn th¸m (Remote sensing) ®ang ®−îc øng dông réng r·i trong nhiªu lÜnh
vùc kh¸c nhau, ®Æc biÖt lµ trong c¸c khoa häc vÒ tr¸i ®Êt.
B−íc ®Çu tiªn cña viÖc øng dông viÔn th¸m lµ ph©n tÝch b»ng m¾t c¸c bøc ¶nh
chôp b»ng m¸y ¶nh quang häc phôc vô cho môc ®Ých qu©n sù, dÇn dÇn cïng víi sù
ph¸t triÓn cña nhiÒu c«ng nghÖ vµ nhiÒu ngµnh khoa häc kh¸c nhau, viÔn th¸m ®· cã
nh÷ng b−íc ph¸t triÓn v−ît bËc víi nh÷ng d¹ng t− liÖu míi vµ nh÷ng c«ng nghÖ xö
lý míi hÕt søc ®a d¹ng.
ViÔn th¸m, b−íc ®Çu ph¸t triÓn ë mét sè n−íc cã nÒn c«ng nghÖ tiªn tiÕn, dÇn
dÇn ®· trë nªn mét c«ng nghÖ vµ mét ngµnh khoa häc cã tÝnh toµn cÇu phôc vô mét
c¸ch h÷u hiÖu cho rÊt nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau, ®Æc biÖt lµ trong viÖc nghiªn cøu,
qu¶n lý tµi nguyªn, m«i tr−êng.
Khoa häc ViÔn th¸m cã 6 hîp phÇn c¬ b¶n lµ: c¬ së vËt lý cña viÔn th¸m, c«ng
nghÖ thu nhËn h×nh ¶nh trong viÔn th¸m, viÔn th¸m trong d¶i phæ quang, viÔn th¸m
hång ngo¹i nhiÖt, viÔn th¸m radar, c¸c ph−¬ng ph¸p xö lý th«ng tin viÔn th¸m ( gii
®o¸n ¶nh b»ng m¾t vµ xö lý ¶nh sè ). Ngoµi ra ViÔn th¸m cßn ®−îc g¾n chÆt víi
c«ng nghÖ ®Þnh vÞ toµn cÇu (GPS ).
§Ó phôc vô c«ng t¸c ®µo t¹o vµ tham kh¶o t¹i khoa §Þa lý, Tr−êng §¹i häc
Khoa häc tù nhiªn, §¹i häc Quèc gia Hµ néi, gi¸o tr×nh “C¬ së ViÔn th¸m” biªn
so¹n trªn c¬ së tæng hîp tõ nhiÒu nguån th«ng tin vµ tõ nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n ®ang
phæ biÕn trªn thÕ giíi còng nh− ë ViÖt nam, trong ®ã cã mét sè gi¸o tr×nh ®· ®ang
®ù¬c sö dông ë Tr−êng §¹i häc khoa häc tù nhiªn, §¹i häc Quèc gia Hµ Néi.
Gi¸o tr×nh còng cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó gi¶ng d¹y ë c¸c khoa, c¸c ngµnh thuéc
lÜnh vùc khoa häc tr¸i ®Êt, m«i tr−êng.
Hµ néi, th¸ng 10 n¨m 2005
1
Ch−¬ng 1
Kh¸i niÖm chung vÒ viÔn th¸m
ViÔn th¸m lµ mét ngµnh khoa häc cã lÞch sö ph¸t triÓn tõ l©u, cã môc ®Ých
nghiªn cøu th«ng tin vÒ mét vËt vµ mét hiÖn t−îng th«ng qua viÖc ph©n tÝch d÷ liÖu
¶nh hµng kh«ng, ¶nh vÖ tinh, ¶nh hång ngo¹i nhiÖt vµ ¶nh radar. Sù ph¸t triÓn cña
khoa häc viÔn th¸m ®−îc b¾t ®Çu tõ môc ®Ých qu©n sù víi viÖc nghiªn cøu phim vµ
¶nh, ®−îc chôp lóc ®Çu tõ khinh khÝ cÇu vµ sau ®ã lµ trªn m¸y bay ë c¸c ®é cao kh¸c
nhau. Ngµy nay, viÔn th¸m ngoµi viÖc t¸ch läc th«ng tin tõ ¶nh m¸y bay, cßn ¸p
dông c¸c c«ng nghÖ hiÖn ®¹i trong thu nhËn vµ xö lý th«ng tin ¶nh sè, thu ®−îc tõ c¸c
bé c¶m cã ®é ph©n gi¶i kh¸c nhau, ®−îc ®Æt trªn vÖ tinh thuéc quü ®¹o tr¸i ®Êt. ViÔn
th¸m ®−îc øng dông trong nhiÒu ngµnh khoa häc kh¸c nhau nh− qu©n sù, ®Þa chÊt, ®Þa
lý, m«i tr−êng, khÝ t−îng, thñy v¨n, thñy lîi, l©m nghiÖp vµ nhiÒu ngµnh khoa häc
kh¸c. C¸c d÷ liÖu viÔn th¸m, trong ®ã cã ¶nh vÖ tinh ®a phæ , siªu phæ vµ ¶nh nhiÖt
®−îc dïng trong c¸c nghiªn cøu kh¸c nhau nh−: sö dông ®Êt, líp phñ mÆt ®Êt, rõng,
thùc vËt, khÝ hËu khÝ t−îng, nhiÖt ®é trªn mÆt ®Êt vµ mÆt biÓn, ®Æc ®iÓm quyÓn khÝ vµ
tÇng ozon, tai biÕn m«i tr−êng... D÷ liÖu ¶nh radar ®−îc sö dông trong nhiÒu lÜnh vùc
nghiªn cøu kh¸c nhau nh− nghiªn c−ó c¸c môc tiªu qu©n sù, ®o vËn tèc giã, ®o ®é cao
bay vµ ®é cao cña sãng biÓn, nghiªn cøu cÊu tróc ®Þa chÊt, sôt lón ®Êt, theo dâi lò lôt...
ngoµi ra, cßn øng dông trong nghiªn cøu bÒ mÆt cña c¸c hµnh tinh kh¸c.
1.1. §Þnh nghÜa
ViÔn th¸m (Remote sensing - tiÕng Anh) ®−îc hiÓu lµ mét khoa häc vµ nghÖ
thuËt ®Ó thu nhËn th«ng tin vÒ mét ®èi t−îng, mét khu vùc hoÆc mét hiÖn t−îng
th«ng qua viÖc ph©n tÝch t− liÖu thu nhËn ®−îc b»ng c¸c ph−¬ng tiÖn. Nh÷ng ph−¬ng
tiÖn nµy kh«ng cã sù tiÕp xóc trùc tiÕp víi ®èi t−îng, khu vùc hoÆc víi hiÖn t−îng
®−îc nghiªn cøu.
Thùc hiÖn ®−îc nh÷ng c«ng viÖc ®ã chÝnh lµ thùc hiÖn viÔn th¸m - hay hiÓu ®¬n
gi¶n: ViÔn th¸m lµ th¨m dß tõ xa vÒ mét ®èi t−îng hoÆc mét hiÖn t−îng mµ
kh«ng cã sù tiÕp xóc trùc tiÕp víi ®èi t−îng hoÆc hiÖn t−îng ®ã.
MÆc dï cã rÊt nhiÒu ®Þnh nghÜa kh¸c nhau vÒ viÔn th¸m, nh−ng mäi ®Þnh nghÜa
®Òu cã nÐt chung, nhÊn m¹nh "viÔn th¸m lµ khoa häc thu nhËn tõ xa c¸c th«ng tin
vÒ c¸c ®èi t−îng, hiÖn t−îng trªn tr¸i ®Êt". D−íi ®©y lµ ®Þnh nghÜa vÒ viÔn th¸m
theo quan niÖm cña c¸c t¸c gi¶ kh¸c nhau.
9 ViÔn th¸m lµ mét nghÖ thuËt, khoa häc, nãi Ýt nhiÒu vÒ mét vËt kh«ng cÇn ph¶i
ch¹m vµo vËt ®ã (Ficher vµ nnk, 1976).
2
9 ViÔn th¸m lµ quan s¸t vÒ mét ®èi t−îng b»ng mét ph−¬ng tiÖn c¸ch xa vËt
trªn mét kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh (Barret vµ Curtis, 1976).
9 ViÔn th¸m lµ mét khoa häc vÒ lÊy th«ng tin tõ mét ®èi t−îng, ®−îc ®o tõ mét
kho¶ng c¸ch c¸ch xa vËt kh«ng cÇn tiÕp xóc víi nã. N¨ng l−îng ®−îc ®o trong c¸c
hÖ viÔn th¸m hiÖn nay lµ n¨ng l−îng ®iÖn tõ ph¸t ra tõ vËt quan t©m... (D. A. Land
Grete, 1978).
9 ViÔn th¸m lµ øng dông vµo viÖc lÊy th«ng tin vÒ mÆt ®Êt vµ mÆt n−íc cña tr¸i
®Êt, b»ng viÖc sö dông c¸c ¶nh thu ®−îc tõ mét ®Çu chôp ¶nh sö dông bøc x¹ phæ
®iÖn tõ, ®¬n kªnh hoÆc ®a phæ, bøc x¹ hoÆc ph¶n x¹ tõ bÒ mÆt tr¸i ®Êt (Janes B.
Capbell, 1996).
9 ViÔn th¸m lµ "khoa häc vµ nghÖ thuËt thu nhËn th«ng tin vÒ mét vËt thÓ, mét
vïng, hoÆc mét hiÖn t−îng, qua ph©n tÝch d÷ liÖu thu ®−îc bëi ph−¬ng tiÖn kh«ng
tiÕp xóc víi vËt, vïng, hoÆc hiÖn t−îng khi kh¶o s¸t ".( Lillesand vµ Kiefer, 1986)
9 Ph−¬ng ph¸p viÔn th¸m lµ ph−¬ng ph¸p sö dông n¨ng l−îng ®iÖn tõ nh− ¸nh
s¸ng, nhiÖt, sãng cùc ng¾n nh− mét ph−¬ng tiÖn ®Ó ®iÒu tra vµ ®o ®¹c nh÷ng ®Æc
tÝnh cña ®èi t−îng( Theo Floy Sabin 1987). §Þnh nghÜa nµy lo¹i trõ nh÷ng quan tr¾c
vÒ ®iÖn, tõ vµ träng lùc v× nh÷ng quan tr¾c ®ã thuéc lÜnh vùc ®Þa vËt lý, sö dông ®Ó
®o nh÷ng tr−êng lùc nhiÒu h¬n lµ ®o bøc x¹ ®iÖn tõ.
1.2. LÞch sö ph¸t triÓn cña viÔn th¸m
Sù ph¸t triÓn cña ngµnh viÔn th¸m qua c¸c thêi gian ®−îc tãm t¾t trong b¶ng
1.1. ViÔn th¸m lµ mét khoa häc, thùc sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ qua h¬n ba thËp kû gÇn
®©y, khi mµ c«ng nghÖ vò trô ®· cho ra c¸c ¶nh sè, b¾t ®Çu ®−îc thu nhËn tõ c¸c vÖ
tinh trªn quÜ ®¹o cña tr¸i ®Êt vµo n¨m 1960. Tuy nhiªn, viÔn th¸m cã lÞch sö ph¸t
triÓn l©u ®êi, b¾t ®Çu b»ng viÖc chôp ¶nh sö dông phim vµ giÊynh. Tõ thÓ kû XIX,
vµo n¨m 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) ®· ®−a ra b¸o c¸o c«ng tr×nh nghiªn
cøu vÒ hãa ¶nh, khëi ®Çu cho ngµnh chôp ¶nh. Bøc ¶nh ®Çu tiªn, chôp bÒ mÆt tr¸i
®Êt tõ khinh khÝ cÇu, ®−îc thùc hiÖn vµo n¨m 1858 do Gaspard Felix Tournachon -
nhµ nhiÕp ¶nh ng−êi Ph¸p. T¸c gi¶ ®· sö dông khinh khÝ cÇu ®Ó ®¹t tíi ®é cao 80m,
chôp ¶nh vïng Bievre, Ph¸p. Mét trong nh÷ng bøc ¶nh tiÕp theo chôp bÒ mÆt tr¸i ®Êt
tõ khinh khÝ cÇu lµ ¶nh vïng Bostom cña t¸c gi¶ James Wallace Black, 1860.
ViÖc ra ®êi cña ngµnh hµng kh«ng ®· thóc ®Èy nhanh sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ
ngµnh chôp ¶nh sö dông m¸y ¶nh quang häc víi phim vµ giÊy ¶nh, lµ c¸c nguyªn
liÖu nh¹y c¶m víi ¸nh s¸ng (photo). C«ng nghÖ chôp ¶nh tõ m¸y bay t¹o ®iÒu kiÖn
cho nghiªn cøu mÆt ®Êt b»ng c¸c ¶nh chôp chång phñ kÕ tiÕp nhau vµ cho kh¶ n¨ng
nh×n ¶nh næi (stereo).Kh¶ n¨ng ®ã gióp cho viÖc chØnh lý, ®o ®¹c ¶nh, t¸ch läc th«ng
3
tin tõ ¶nh cã hiÖu qu¶ cao. Mét ngµnh chôp ¶nh, ®−îc thùc hiÖn trªn c¸c ph−¬ng tiÖn
hµng kh«ng nh− m¸y bay, khinh khÝ cÇu vµ tµu l−în hoÆc mét ph−¬ng tiÖn trªn
kh«ng kh¸c, gäi lµ ngµnh chôp ¶nh hµng kh«ng. C¸c ¶nh thu ®−îc tõ ngµnh chôp
¶nh hµng kh«ng gäi lµ kh«ng ¶nh. Bøc ¶nh ®Çu tiªn chôp tõ m¸y bay, ®−îc thùc
hiÖn vµo n¨m 1910, do Wilbur Wright, mét nhµ nhiÕp ¶nh ng−êi ý, b»ng viÖc thu
nhËn ¶nh di ®éng trªn vïng gÇn Centoceli thuéc n−íc ý (b¶ng 1.1).
B¶ng 1.1: Tãm t¾t sù ph¸t triÓn cña viÔn th¸m qua c¸c sù kiÖn
Thêi gian
(N¨m)
Sù kiÖn
1800
1839
1847
1850-1860
1873
1909
1910-1920
1920-1930
1930-1940
1940
1950
1950-1960
12-4-1961
1960-1970
1972
1970-1980
1980-1990
1986
1990 ®Õn nay
Ph¸t hiÖn ra tia hång ngo¹i
B¾t ®Çu ph¸t minh kü thuËt chôp ¶nh ®en tr¾ng
Ph¸t hiÖn c¶ d¶i phæ hång ngo¹i vµ phæ nh×n thÊy
Chôp ¶nh tõ kinh khÝ cÇu
X©y dùng häc thuyÕt vÒ phæ ®iÖn tõ
Chôp ¶nh tõ m¸y bay
Gi¶i ®o¸n tõ kh«ng trung
Ph¸t triÓn ngµnh chôp vµ ®o ¶nh hµng kh«ng
Ph¸t triÓn kü thuËt radar ( §øc, Mü, Anh)
Ph©n tÝch vµ øng dông ¶nh chôp tõ m¸y bay
X¸c ®Þnh d¶i phæ tõ vïng nh×n thÊy ®Õn kh«ng nh×n thÊy
Nghiªn cøu s©u vÒ ¶nh cho môc ®Ých qu©n sù
Liªn x« phãng thµnh c«ng tµu vò trô cã ng−êi l¸i vµ chôp ¶nh tr¸i
®Êt tõ ngoµi vò trô.
LÇn ®Çu tiªn sö dông thuËt ng÷ viÔn th¸m
Mü phãng vÖ tinh Landsat-1
Ph¸t triÓn m¹nh mÏ ph−¬ng ph¸p xö lý ¶nh sè
Mü ph¸t triÓn thÕ hÖ míi cña vÖ tinh Landsat
Ph¸p phãng vÖ tinh SPOT vµo quÜ ®¹o
Ph¸t triÓn bé c¶m thu ®o phæ, t¨ng d¶i phæ vµ sè l−îng kªnh phæ,
t¨ng ®é ph©n gi¶i cña bé c¶m. Ph¸t triÓn nhiÒu kü thuËt xö lý míi.
(Nguån s−u tÇm do NgyÔn V¨n §µi, 2003).
4