Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý thành lập bản đồ biến động lớp phủ khu vực huyện Thái Thụy Thái Bình

LỜI MỞ ĐẦU Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặc biệt, là nguồn sống, môi trường, môi sinh quan trọng nhất cho đời sống con người, cho sinh hoạt xã hội và cho các hoạt động sản xuất kinh doanh. Trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng đang đối mặt với sức ép của gia tăng dân số đi cùng với việc sử dụng đất đai thiếu bền vững đã gây sức ép lớn lên quá trình sử dụng đất và vấn đề sử dụng đất đai trở thành vấn đề sống còn của mỗi quốc gia, mỗi dân tộc. Vì vậy nghiên cứu sự thay đổi trong quá trình sử dụng đất là căn cứ khoa học để đưa ra những chính sách sử dụng đất đai phù hợp sao cho tiết kiệm và có hiệu quả và việc xác định biến động đất đai càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ. Ngày nay, công nghệ viễn thám và GIS đang được sử dụng để theo dõi và đánh giá những biến đổi của bề mặt trái đất, quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Nhờ dữ liệu ảnh viễn thám chúng ta có thể giải đoán, phân tích và đánh giá biến động của lớp phủ mặt đất theo thời gian và không gian. Để nghiên cứu biến động lớp phủ, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau từ số liệu thống kê, từ các cuộc điều tra nông nghiệp nông thôn. Các phương pháp này mặc dù có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng nhược điểm của chúng là tốn kém thời gian và kinh phí. Với khả năng cung cấp thông tin đa dạng và cập nhật của tư liệu viễn thám kết hợp với phương pháp truyền thống thì việc nghiên cứu thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ biến động lớp phủ sẽ đạt hiệu quả cao hơn. Vì vậy em đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý thành lập bản đồ biến động lớp phủ khu vực huyện Thái Thụy Thái Bình giai đoạn 20032009”. Đồ án được trình bày trong ba chương: Chương 1: Tổng quan bản đồ biến động lớp phủ và các phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ. Chương 2: Kết hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong nghiên cứu biến động lớp phủ. Chương 3: Thực nghiệm thành lập bản đồ biến động lớp phủ khu vực Thái Thụy Thái Bình giai đoạn 20032009. Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em đã cố gắng hoàn thành những vấn đề trọng tâm của đề tài nhưng do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộ môn Đo ảnh – Viễn thám, khoa Trắc địa và các bạn đồng nghiệp để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS: Nguyễn Văn Trung cùng các thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. .... Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ 1.1 Khái chung về bản đồ biến động lớp phủ Lớp phủ mặt đất là tất cả các thành phần vật chất tự nhiên và nhân tạo bao phủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thực vật (mọc tự nhiên hoặc được trồng), các công trình kinh tế – xã hội được xây dựng của con người, thổ nhưỡng, nước, dải đất cát…Lớp phủ mặt đất thể hiện trạng thái tự nhiên. Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội. Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạng thái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại các thời điểm khác nhau. Bản đồ biến động lớp phủ ngoài các yếu tố nội dung cơ bản của các bản đồ chuyên đề như: bản đồ địa hình, địa vật, giao thông, thủy văn… phải thể hiện được sự biến động về sử dụng đất theo thời gian. Ưu điểm của bản đồ biến động lớp phủ là thể hiện được rõ sự biến động theo không gian và theo thời gian. Diện tích biến động được thể hiện rõ ràng trên bản đồ, đồng thời cho chúng ta biết có biến động hay không biến động, hay biến động từ loại đất nào sang loại đất nào. Nó có thể được kết hợp với nhiều nguồn dữ liệu tham chiếu khác để phục vụ có hiệu quả cho rất nhiều mục đích khác nhau như quản lý tài nguyên, môi trường, thống kê, kiểm kê đất đai. Về cơ bản, bản đồ biến động lớp phủ được thành lập trên cơ sở hai bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm nghiên cứu vì vậy độ chính xác của bản đồ này phụ thuộc vào độ chính xác của các bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm nghiên cứu. 1.2 Nguyên nhân gây gây ra biến động và sự cần thiết phải xác định biến động lớp phủ Biến động của lớp phủ mặt đất bao giờ cũng bao gồm nhiều yếu tố tương tác lẫn nhau như: sự kết hợp của mục đích sử dụng đất tùy theo thời gian, không gian cụ thể tùy vào mục đích, môi trường và điều kiện của con người. Các quá trình tự nhiên diễn ra trên bề mặt đất như: hạn hán, xói mòn, … cũng quan trọng như các tác động của con người( phụ thuộc vào chính sách, điều kiện kinh tế, …). Các nguyên nhân chính dẫn đến biến động lớp phủ mặt đất gồm: Sự thay đổi đa dạng của tự nhiên Vấn đề con người Vấn đề chính sách, thể chế Vấn đề kinh tế và công nghệ Vấn đề văn hóa

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ 5

1.1 Khái chung về bản đồ biến động lớp phủ 5

1.2 Nguyên nhân gây gây ra biến động và sự cần thiết phải xác định biến động lớp phủ 5

1.3 Các phương pháp đánh giá biến động 6

1.3.1 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp so sánh sau phân loại 7

1.3.2 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 8

1.3.3 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh 9

1.3.4 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân tích véctơ thay đổi phổ 10

1.3.5 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp kết hợp 11

1.3.6 So sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp 12

Chương 2: KẾT HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ 14

2.1 Cơ sở viễn thám 14

2.1.1 Khái niệm về viễn thám 14

2.1.2 Nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám 15

2.1.3 Vấn đề thu nhận và phân tích tư liệu ảnh viễn thám 16

2.1.4 Đặc trưng phổ phản xạ của các đối tượng trên bề mặt trái đất 18

2.1.5 Một số vệ tinh viễn thám 22

2.1.6 Phương pháp xử lý thông tin viễn thám 27

2.2 Khái quát chung về hệ thống thông tin địa lý 31

2.2.1 Định nghĩa 31

2.2.2 Các thành phần chính của GIS 31

2.2.3 Các chức năng cơ bản của GIS 33

2.3 Quy trình xác định các biến động lớp phủ sử dụng công nghệ viễn thám và hệ

thống thông tin địa lý 42

Chương 3: THỰC NGHIỆM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ HUYỆN THÁI THỤY GIAI ĐOẠN 2003 – 2009 46

3.1 Khái quát chung về khu vực nghiên cứu 46

3.1.1 Vị trí địa lý 46

3.1.2 Địa hình, thuỷ văn 47

3.1.3 Khí hậu thời tiết 47

3.1.4 Các nguồn tài nguyên 48

3.1.5 Giao thông - kinh tế - xã hội 48

3.2 Tư liệu viễn thám sử dụng trong thực nghiệm 49

3.3 Thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ 50

3.3.1 Tăng cường chất lượng ảnh 50

3.3.2 Nắn chỉnh tư liệu ảnh 51

3.3.3 Cắt ảnh theo ranh giới khu vực cần nghiên cứu 52

3.3.4 Phân loại ảnh 52

3.4 Thành lập bản đồ biến động lớp phủ khu vực huyện Thái Thụy – Thái Bình giai đoạn 2003 – 2009 62

3.4.1 Xử lý dữ liệu trên GIS 62

3.4.2 Nhận xét về xu thế biến động lớp phủ giai đoạn 2003- 2009 67

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

sự thay đổi trong quá trình sử dụng đất là căn cứ khoa học để đưa ra những chínhsách sử dụng đất đai phù hợp sao cho tiết kiệm và có hiệu quả và việc xác định biếnđộng đất đai càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ.

Ngày nay, công nghệ viễn thám và GIS đang được sử dụng để theo dõi vàđánh giá những biến đổi của bề mặt trái đất, quản lý các nguồn tài nguyên thiênnhiên và giám sát môi trường Nhờ dữ liệu ảnh viễn thám chúng ta có thể giải đoán,phân tích và đánh giá biến động của lớp phủ mặt đất theo thời gian và không gian

Để nghiên cứu biến động lớp phủ, người ta có thể sử dụng nhiều phươngpháp khác nhau từ số liệu thống kê, từ các cuộc điều tra nông nghiệp nông thôn.Các phương pháp này mặc dù có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng nhược điểmcủa chúng là tốn kém thời gian và kinh phí Với khả năng cung cấp thông tin đadạng và cập nhật của tư liệu viễn thám kết hợp với phương pháp truyền thống thìviệc nghiên cứu thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ biến động lớp phủ

sẽ đạt hiệu quả cao hơn Vì vậy em đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý thành lập bản đồ biến động lớp phủ khu vực huyện Thái Thụy - Thái Bình giai đoạn 2003-2009” Đồ án

được trình bày trong ba chương:

Chương 1: Tổng quan bản đồ biến động lớp phủ và các phương pháp nghiêncứu biến động lớp phủ

Chương 2: Kết hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong nghiên cứubiến động lớp phủ

Chương 3: Thực nghiệm thành lập bản đồ biến động lớp phủ khu vực Thái

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em đã cố gắng hoàn thành nhữngvấn đề trọng tâm của đề tài nhưng do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nênkhông tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo tận tình của cácthầy cô trong bộ môn Đo ảnh – Viễn thám, khoa Trắc địa và các bạn đồng nghiệp để

đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS: Nguyễn Văn Trung cùng các thầy

cô trong bộ môn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày 5 tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiệnNguyễn Thị Lĩnh

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ

1.1 Khái chung về bản đồ biến động lớp phủ

Lớp phủ mặt đất là tất cả các thành phần vật chất tự nhiên và nhân tạo baophủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thực vật (mọc tự nhiên hoặc đượctrồng), các công trình kinh tế – xã hội được xây dựng của con người, thổ nhưỡng,nước, dải đất cát…Lớp phủ mặt đất thể hiện trạng thái tự nhiên

Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằngmột trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiêncũng như môi trường xã hội

Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạngthái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại các thời điểm khác nhau

Bản đồ biến động lớp phủ ngoài các yếu tố nội dung cơ bản của các bản đồchuyên đề như: bản đồ địa hình, địa vật, giao thông, thủy văn… phải thể hiện được

sự biến động về sử dụng đất theo thời gian

Ưu điểm của bản đồ biến động lớp phủ là thể hiện được rõ sự biến động theokhông gian và theo thời gian Diện tích biến động được thể hiện rõ ràng trên bản đồ,đồng thời cho chúng ta biết có biến động hay không biến động, hay biến động từloại đất nào sang loại đất nào Nó có thể được kết hợp với nhiều nguồn dữ liệu thamchiếu khác để phục vụ có hiệu quả cho rất nhiều mục đích khác nhau như quản lýtài nguyên, môi trường, thống kê, kiểm kê đất đai

Về cơ bản, bản đồ biến động lớp phủ được thành lập trên cơ sở hai bản đồhiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm nghiên cứu vì vậy độ chính xác của bản đồnày phụ thuộc vào độ chính xác của các bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thờiđiểm nghiên cứu

1.2 Nguyên nhân gây gây ra biến động và sự cần thiết phải xác định biến động lớp phủ

Biến động của lớp phủ mặt đất bao giờ cũng bao gồm nhiều yếu tố tương tác

cụ thể tùy vào mục đích, môi trường và điều kiện của con người Các quá trình tựnhiên diễn ra trên bề mặt đất như: hạn hán, xói mòn, … cũng quan trọng như các tácđộng của con người( phụ thuộc vào chính sách, điều kiện kinh tế, …).

Các nguyên nhân chính dẫn đến biến động lớp phủ mặt đất gồm:

- Sự thay đổi đa dạng của tự nhiên

- Vấn đề con người

- Vấn đề chính sách, thể chế

- Vấn đề kinh tế và công nghệ

- Vấn đề văn hóa

- Vấn đề toàn cầu hóa

Trên thực tế mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớpphủ mặt đất đặc trưng và mỗi một đối tượng đều chịu sự tác động của tự nhiên vàcon người với mức độ mạnh, yếu khác nhau Sự tác động này đã làm cho lớp phủmặt đất luôn biến đổi Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngược lại cũng có nhữngảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của con người, như diện tích rừng suy giảm đãgây ra lũ lụt; sự gia tăng của các khu công nghiệp và các hoạt động nông nghiệpnhư tăng vụ lúa, nuôi trồng thuỷ sản không hợp lý là một trong những nguyên nhângây biến đổi khí hậu Do đó, việc xây dựng bản đồ biến động lớp phủ là một việclàm cần thiết Thông tin lớp phủ là đầu vào rất quan trọng cho việc lập kế hoạchphát triển, bảo vệ môi trường và các nguồn tài nguyên trên quy mô toàn cầu cũngnhư địa phương

Đó là một trong những nguồn tài liệu quan trọng giúp các nhà quy hoạch, cácnhà hoạch định chính sách có cái nhìn tổng quan về hiện trạng lớp phủ mặt đất quatừng thời kỳ Từ đó góp phần quan trọng trong công tác quản lý tài nguyên thiênnhiên, đánh giá biến động lớp phủ; phục vụ công tác quy hoạch, kế hoạch và quản

lý đất đai để đảm bảo sử dụng đất bền vững, hiệu quả, thân thiện môi trường vàquan trọng nhất là đảm bảo an ninh lương thực

1.3 Các phương pháp đánh giá biến động

Để nghiên cứu biến động lớp phủ, người ta có thể sử dụng nhiều phươngpháp khác nhau như: phương pháp thống kê (dựa vào các số liệu thống kê, các cuộc

điều tra), phương pháp dựa vào bản đồ hiện trạng có sẵn các thời kỳ, phương phápthành lập bản đồ biến động sử dụng tư liệu viễn thám và sử dụng phương pháp kếthợp Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của công nghệ viễn thám thì việcnghiên cứu biến động lớp phủ sử dụng tư liệu viễn thám được thực hiện dễ dàng,mang lại hiệu quả cao và khắc phục được nhiều hạn chế mà các phương pháp truyềnthống không làm được

1.3.1 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp so sánh sau phân loại

Bản chất của phương pháp này là từ ảnh ở hai thời điểm khác nhau ta thànhlập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm đó Sau đó chồng ghép haihiện trạng để xây dựng bản đồ biến động Quy trình thành lập bản đồ biến động đấttheo phương pháp này có thể tóm tắt như hình 1.1

Hình 1.1: Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp sau phân loại

Phương pháp so sánh sau phân loại được sử dụng rộng rãi nhất, đơn giản, dễhiểu và dễ thực hiện Sau khi 2 ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học sẽ tiến hànhphân loại độc lập để tạo thành hai bản đồ Hai bản đồ này được so sánh bằng cách

so sánh pixel tạo thành ma trận biến động

Theo J Jensen, ưu điểm của phương pháp này cho biết sự thay đổi từ loại đất

gì sang loại đất gì và chúng ta cũng có thể sử dụng bản đồ hiện trạng sử dụng đất đãđược thành lập trước đó

Nhược điểm của phương pháp này là phải phân loại độc lập các ảnh viễnthám nên độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của từng phép phân loại vàthường độ chính xác không cao vì các sai sót trong quá trình phân loại của từng ảnhvẫn được giữ nguyên trong bản đồ biến động

1.3.2 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Phương pháp này thực chất là chồng xếp hai ảnh của hai thời kỳ với nhau đểtạo thành ảnh biến động Sau đó dựa vào ảnh biến động ta tiến hành phân loại vàthành lập bản đồ biến động

Hình 1.2: Nghiên cứu biến động bằng phương pháp phân loại trực tiếp

ảnh đa thời gian

Ưu điểm của phương pháp này là chỉ phải phân loại một lần nhưng nhượcđiểm lớn nhất của nó là rất phức tạp khi lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu vùngbiến động và vùng không biến động Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thờigian (các mùa trong năm) và ảnh hưởng của khí quyển của các ảnh ở các thời điểmkhác nhau cũng không dễ được loại trừ, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác củaphương pháp.Thêm vào đó bản đồ biến động lớp phủ nông nghiệp được thành lậptheo phương pháp này chỉ cho ta biết được chỗ biến động và chỗ không biến độngchứ không cho biết được biến động như thế nào

1.3.3 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh

Trong phương pháp này ta chọn một kênh ảnh nhất định (ví dụ kênh 1) sau

đó ghi từng ảnh ở các thời điểm lên một băng từ đặc biệt của hệ thống xử lý ảnh số.Khi đó màu sắc của dữ liệu ảnh chồng xếp sẽ cho thấy sự biến động hay không biếnđộng theo nguyên lý tổ hợp màu

Ví dụ có hai ảnh Landsat TM năm 1992 và năm 1998 Gán màu lục cho kênh

1 của ảnh năm 1992, gán màu đỏ cho kênh 1 của ảnh năm 1998, gán màu chàm chomột kênh 1 của ảnh trống Khi đó tất cả các vùng không có sự thay đổi giữa hai thờiđiểm sẽ có màu vàng (theo nguyên lý cộng màu, tổ hợp màu chàm và màu đỏ tạothành màu vàng) Như vậy căn cứ vào màu sắc ta có thể định lượng được sự thayđổi (hình 1.3)

Hình: 1.3 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp cộng màu trên một kênh

1.3.4 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân tích véctơ thay đổi phổ

Khi ở trong khu vực nghiên cứu có biến động xảy ra thì nó được thể hiệnbằng sự khác biệt về phổ ở giữa hai thời điểm trước và sau biến động Giả sử xácđịnh được giá trị phổ trên hai kênh x và y tại hai thời điểm trước và sau biến độngnhư trên biểu đồ hình 1.4

Hình 1.4: Véc tơ thay đổi phổ

Điểm 1 biểu thị giá trị phổ tại thời điểm trước khi xảy ra biến động, điểm 2biểu thị giá trị phổ tại thời điểm sau khi xảy ra biến động Khi đó véc tơ 12 chính làvéc tơ thay đổi phổ, và được biểu thị bởi giá trị (khoảng cách từ 1 đến 2) và hướngthay đổi (góc )

Giá trị của véc tơ thay đổi phổ tính trên toàn cảnh theo công thức:

1

, , (1) (2)







n k

k j k

BV

Trong đó: CMpixel là giá trị của véc tơ thay đổi phổ,

BVi,j,k(1), BVi,j,k(2) là giá trị phổ của pixel ij, kênh k của ảnh trước và saukhi xảy ra biến động

Việc phân tích véc tơ thay đổi được ghi lại thành hai tệp dữ liệu: một tệpchứa các mã của khu vực, một tệp chứa độ lớn của các véc tơ thay đổi phổ Thôngtin về sự thay đổi được tạo ra từ hai tệp dữ liệu đó và được thể hiện bằng màu sắccủa các pixel tương ứng với các mã đã quy định Trên ảnh đa phổ thay đổi này sẽkết hợp cả hướng và giá trị của véc tơ thay đổi phổ Sự thay đổi có xảy ra hay khôngđược quyết định bởi véc tơ thay đổi phổ có vượt ra khỏi ngưỡng quy định hay



Kênh y

Kênh x 1

2

không Giá trị ngưỡng được xác định từ kết quả thực nghiệm dựa vào các mẫu biếnđộng và không biến động.

Hình 1.5: Thuật toán phân tích thay đổi phổ.

Trường hợp a, không xảy ra biến động hoặc biến động nhỏ vì véc tơ thay đổiphổ không vượt khỏi giá trị ngưỡng, trường hợp b, c có xảy ra biến động và hướngcủa véc tơ thay đổi phổ thể hiện tính chất của biến động trong trường hợp b kháctrường hợp c, ví dụ ở trường hợp b có thể xảy ra sự biến mất của thực vật, còn trongtrường hợp c chỉ là sự khác biệt giai đoạn tăng trưởng của cây trồng

Sau đó lớp thông tin thể hiện sự thay đổi hay không thay đổi sẽ được đặt lêntrên tấm ảnh để thành lập bản đồ biến động

Phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ được ứng dụng hiệu quả trongnghiên cứu biến động rừng nhất là biến động hệ sinh thái rừng ngập mặn Nhưngnhược điểm của phương pháp này là khó xác định ngưỡng của sự biến động

1.3.5 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp kết hợp

Thực chất việc thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp này là véc tơhóa những vùng biến động từ tư liệu ảnh có độ phân giải cao như ảnh SPOT Panhoặc ảnh hàng không

Nếu dữ liệu ảnh tại một thời điểm có độ phân giải thấp hơn ta tiến hành phânloại ảnh đó theo phương pháp phân loại không kiểm định Từ ảnh phân loại này tạo

có độ phân giải cao để phát hiện biến động Sau đó tiến hành véc tơ hóa những vùngbiến động Việc khoanh vẽ những vùng xảy ra biến động trên ảnh được thực hiện dễdàng nhờ phương pháp giải đoán bằng mắt dựa vào các chuẩn đoán đọc như chuẩnhình dạng, chuẩn cấu trúc, chuẩn kích thước … Chính vì vậy, phương pháp này rấtthông dụng khi người xử lý sử dụng phương pháp giải đoán bằng mắt ảnh hàngkhông của cả hai thời điểm

Quá trình xử lý được thực hiện dễ dàng hơn nếu thỏa mãn hai yếu tố:

- Nếu hai ảnh được hiển thị trên màn hình cùng lúc, bên cạnh nhau

- Các tính chất hình học của ảnh là như nhau, được định hướng như nhau thìkhi vẽ một đối tượng trên một ảnh thì trên ảnh kia đối tượng đó có cùng kích thước,hình dạng

Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác cao và cung cấp đầy đủ thôngtin về biến động tuy nhiên phương pháp này chỉ thực hiện trên ảnh độ phân giải cao

1.3.6 So sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp

Từ các kết quả thực nghiệm của các nghiên cứu đã công bố cho thấy:

- Các phương pháp thành lập bản đồ biến động trừ các phương pháp liênquan đến phép phân loại thông thường, các phương pháp còn lại đều phải xác địnhngưỡng phân chia bằng thực nghiệm để tách các pixel biến động và không biếnđộng Trên thực tế, việc xác định ngưỡng chính xác là vấn đề không đơn giản

- Các phương pháp như phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian, phương phápcộng màu trên một kênh ảnh đều đòi hỏi người xử lý phải có trình độ và hiểu biếtnhất định về kỹ thuật xử lý ảnh Vì vậy khó thực hiện với những người không phảithuộc cơ quan chuyên môn Thêm vào đó, để phát hiện biến động thực sự, cácphương pháp này đòi hỏi những tư liệu viễn thám phải được thu thập cùng thờiđiểm trong các năm Tuy nhiên, rất khó để có thể thu nhận được dữ liệu viễn thámtrong cùng một thời điểm của các năm, đặc biệt là ở vùng nhiệt đới, nơi mà mây chephủ phổ biến nhiều ngày trong năm Đồng thời cũng phải lưu ý tới độ ẩm của đất vàlượng nước còn trên thảm thực vật trong trường hợp thời tiết lâu ngày không mưa

và vừa mới mưa xong tại thời điểm thu nhận ảnh

- Phương pháp so sánh sau phân loại là một trong số các phương pháp được

sử dụng rộng rãi nhất Bản đồ biến động được thành lập từ kết quả phân loại cókiểm định đạt độ chính xác cao nhất

- Trong phương pháp so sánh sau phân loại, ảnh của từng thời điểm đượcphân loại độc lập nên tránh được nhiều vấn đề như không phải chuẩn hóa ảnhhưởng của khí quyển và bộ cảm ứng điện từ trên ảnh chụp tại các thời điểm khácnhau, không phải lấy mẫu lại kích thước pixel trong trường hợp dữ liệu đa thời giankhông cùng độ phân giải không gian

Phương pháp này được cho là ít nhạy cảm với những thay đổi phổ của đốitượng do sự khác nhau của độ ẩm đất và chỉ số thực vật Tuy nhiên phương phápnày có hạn chế là phụ thuộc vào độ chính xác của từng ảnh phân loại và tốn kémkhá nhiều thời gian

Chương 2: KẾT HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ 2.1 Cơ sở viễn thám

2.1.1 Khái niệm về viễn thám

Viễn thám được định nghĩa như một khoa học và công nghệ mà đặc tính của

sự vật được xác định mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng

Hình 2.1: Cấu tạo hệ thống viễn thám

Về bản chất viễn thám là công nghệ nhằm xác định và nhận biết các đốitượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua các đặc trưng riêng về phản xạ hoặcbức xạ điện từ Tuy nhiên những năng lượng như từ trường, trọng trường cũng cóthể được sử dụng

Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ đối tượngđược gọi là bộ cảm

Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang Vật mang cóthể là kinh khí cầu, máy bay hoặc vệ tinh

Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo các thông tin

về đối tượng

Viễn thám có thể phân thành ba loại theo bước sóng sử dụng:

- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt ( thu năng lượng nhiệt của địa vật)

-Viễn thám siêu cao tần (Radar) (thu năng lượng tán xạ)

Hình 2.2: Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng

2.1.2 Nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thôngtin chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vậtthể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định Đolường và phân tích năng lượng phản xạ phổ do ảnh viễn thám ghi nhận, cho phéptách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức

xạ điện từ và vật thể Hình 2.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám.

Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời,năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến

Hình 2.3 Nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám

Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thunhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệmcủa chuyên gia.Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể vàhiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khácnhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường…

2.1.3 Vấn đề thu nhận và phân tích tư liệu ảnh viễn thám

Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần

cơ bản như sau:

- Nguồn cung cấp năng lượng

- Sự tương tác của năng lượng với khí quyển

- Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất

- Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu

- Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lý

Năng lượng điện từ của ánh sáng sau khi truyền qua các cửa sổ khí quyểntương tác với các đối tượng trên bề mặt trái đất và phản xạ lại để các thiết bị thu củaviễn thám có thể ghi nhận các tín hiệu đó Quá trình này thực hiện qua 3 bứơc chínhsau:

+ Phát hiện: Phát hiện về dải sóng, về cường độ và tính chất của các nguồnnăng lượng điện từ

+ Ghi tín hiệu: các tín hiệu phát hiện được có thể ghi dưới dạng hình ảnhhoặc các tín hiệu điện từ Các tín hiệu điện từ có thể ghi nhận ở dạng phim, băng từhoặc đĩa từ và có thể hiển thị dễ dàng.

+ Phân tích các tín hiệu phổ: có thể thực hiện bằng hai phương thức là phântích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính

 Các thông số đặc trưng cho khả năng cung cấp thông tin của một ảnh vệ tinh:

- Độ phân giải không gian : Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có

thể phân biệt được gọi là độ phân giải không gian Ảnh có độ phân giải không giancàng cao khi kích thước của pixel càng nhỏ Độ phân giải không gian phụ thuộc vàotrường nhìn không đổi (IFOV).Trường nhìn không đổi được định nghĩa là góckhông gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất Lượng thông tin ghiđược trong IFOV tương ứng với giá trị của pixel Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm cóthể thu được sóng điện từ được gọi là trường nhìn (FOV) Khoảng không gian trênmặt đất do FOV tạo ra chính là bề rộng tuyến chụp

- Độ phân giải phổ: mô tả khả năng mà bộ cảm có thể định nghĩa được mức

độ giãn cách của các bước sóng Độ phân giải phổ càng cao khi mà bước sóng cànghẹp Có nghĩa là mỗi dải phổ hẹp sẽ tương ứng với một kênh hay band nào đó Nóicách khác thì độ phân giải phổ thể hiện bởi kích thước và số kênh phổ hoặc sự phânchia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lượng lớn các bước sóng cókích thước tuơng tự, cũng như có thể tách biệt được các bức xạ từ nhiều vùng phổkhác nhau

- Độ phân giải thời gian: Khả năng ghi nhận ảnh của cùng một vùng trên mặt

đất ở những chu kỳ thời gian khác nhau được gọi là độ phân giải thời gian Độ phângiải thời gian không liên quan đến thiết bị ghi ảnh mà chỉ liên quan đến khả năngchụp lặp của vệ tinh

- Độ phân giải bức xạ: thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong

khả năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể

2.1.4 Đặc trưng phổ phản xạ của các đối tượng trên bề mặt trái đất

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từbằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưngphổ Đặc trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng rađối tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặctrưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng

Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tượng trên mặt đất trong ảnh vệ tinh

là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ

Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3 µm - 0,4 µm),vùng ánh sáng nhìn thấy (0,4 µ m - 0,7 µ m), đến vùng cận hồng ngoại và hồngngoại nhiệt

Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả của việc giải đoán các thông tin phụ thuộcrất nhiều vào sự hiểu biết mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ, bản chất vàtrạng thái các đối tượng tự nhiên Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ sẽ chophép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu chứa nhiều thông tin nhất vềđối tượng được nghiên cứu, đồng thời đó cũng là cơ sở dữ liệu viễn thám để phântích nghiên cứu các tính chất của đối tượng địa lý, tiến tới phân loại các đối tượngđó

Hình 2.4: Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tượng tự nhiên chính

 Đặc tính phản xạ phổ của lớp phủ thực vật

Lớp phủ thực vật là đối tượng được quan tâm nhiều bởi nó chiếm phần lớndiện tích bề mặt tự nhiên Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh là dấu hiệu đặctrưng thay đổi theo bước sóng Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá câyảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất Clorophin, ngoài ra cònmột số sắc tố khác cũng góp phần tạo nên phản xạ phổ của thực vật Bức xạ mặt trờikhi tới bề mặt lá cây, phần trong vùng sóng đỏ và chàm bị chất diệp lục hấp thụphục vụ cho quá trình quang hợp, vùng sóng lục và vùng sóng hồng ngoại sẽ phản

xạ khi gặp chất diệp lục của lá

Khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác nhau và đặc tính chungnhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạphổ khác biệt rõ rệt

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi clorophin cótrong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ

Ở vùng cận hồng ngoại cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ,

ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt

Hình 2.5 : Đặc tính phản xạ phổ của lớp phủ thực vật

Ở vùng hồng ngoại nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá

là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp thụ là cựcđại Ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản

xạ phổ là không lớn bằng hàm lượng nước trong lá

 Đặc tính phổ phản xạ của thổ nhưỡng

Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dàibước sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại Ở đây chỉ có nănglượng hấp thụ và năng lượng phản xạ, mà không có năng lượng thấu quang Tuynhiên với các loại đất cát có thành phần cấu tạo các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau,khả năng phản xạ sẽ khác nhau Tùy thuộc vào thành phần hợp chất mà biên độ của

đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ phổcủa đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, thành phần hữu cơ, vô cơ có trongđất

Với đất mịn thì khoảng cách giữa các hạt cũng nhỏ vì chúng ở sít gần nhauhơn Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận chuyểnkhông khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn Khi ẩm ướt, trên mỗi hạt cát sẽ bọc mộtmàng mỏng nước, do vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ cao hơn và do

đó độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của chúng

Khi độ ẩm của đất tăng thì khả năng phản xạ phổ bị giảm

Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơtrong đất Với hàm lượng chất hữu cơ từ 0.5-5.0% đất có màu nâu xẫm Nếu hàmlượng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có màu nâu sáng

Ô xít sắt cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của đất Khả năng phản

xạ phổ tăng khi hàm lượng oxit sắt trong đất giảm xuống, nhất là ở vùng phổ nhìnthấy (có thể giảm tới 40% khả năng phản xạ phổ khi hàm lượng ô xít sắt tăng lên)

Khi bỏ ô xít sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ởdải sóng từ 0,5µm- 1,1µm nhưng với bước sóng lớn hơn 1,0µ hầu như không có tácdụng

Như trên đã nói có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đấttuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn về mặt,hàm lượng chất hữu cơ và ô xít sắt là những yếu tố quan trọng Vùng phản xạ vàbức xạ phổ có thể sử dụng để ghi nhận thông tin hữu ích về đất đai còn hình ảnh ởhai vùng này là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của đất.

 Đặc tính phản xạ phổ của nước

Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếutới và thành phần vật chất có trong nước Khả năng phản xạ phổ ở đây còn phụthuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước Trên kênh hồng ngoại và cận hồngngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của nước cầnphải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết

Hình 2.6: Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước theo chiều dài bước sóng

Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rấtmạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại,do vậy năng lượng phản xạrất ít Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụngcác kênh sóng dài để chụp cho ta khả năng đoán đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ ở dảisóng nhìn thấy khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp

Thông thường trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ vì vậy khảnăng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Các

nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất lànhững dải sóng dài

Hàm lượng clorophin trong nước cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến khảnăng phản xạ phổ của nước Nó làm giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bướcsóng ngắn và tăng khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng có màu xanh lá cây

Ngoài ra còn một số yếu tố khác có ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổcủa nước, nhưng cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể hiệnđược rõ được qua sự khác biệt của phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khímetan, oxi, nito, cacbonic… trong nước

2.1.5 Một số vệ tinh viễn thám

 Vệ tinh Landsat.

Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹđạo năm 1972, cho đến nay đã có 7 thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹđạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Hiện nay, ảnh vệ tinhLandsat được cung cấp từ 15 trạm thu nhằm phục vụ quản lý tài nguyên và giám sátmôi trường Sự thành công của Landsat nhờ vào việc kết hợp nhiều kênh phổ đểquan sát mặt đất, ảnh có độ phân giải không gian tương đối tốt và phủ một vùng khárộng với chu kỳ lặp ngắn

Hình 2.7: Vệ tinh Landsat

Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km Dữ liệu do 2

bộ cảm biến TM và MSS thu nhận được chia thành các cảnh phủ một vùng trên mặtđất 185×170 km được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của tuyến vàhàng Các giá trị của pixel được mã hoá 8 bit, tức là cấp độ xám ở quỹ đạo trongkhoảng 0÷255

+ Quĩ đạo vệ tinh Landsat

- Độ cao bay: 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo: 980

- Quĩ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp

- Thời điểm bay qua xích đạo: 9h39' sáng

- Chu kỳ lặp: 17 ngày

- Bề rộng tuyến chụp: 185km

+ Bộ cảm:

MSS (Multispectral scanner) và TM (Thematic mapper)

Hệ thống Landsat MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại

Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM

- Sử dụng 4 kênh phổ.

- Mỗi kênh phổ có trang bị 6 bộ thu, có sử dụng sợi quang học

- Độ phân giải mặt đất 80m

- Góc quét từ Đông sang Tây là 11,60

- Thời gian lộ quang 33 mili giây

- Độ rộng mỗi đường quét 185 km

Ảnh vệ tinh Landsat thu được từ hai bộ cảm biến MSS và TM được sử dụngkhá hiệu quả cho nhiều lĩnh vực khác nhau như quản lý và sử dụng tài nguyên thiênnhiên và giám sát môi trường, thành lập bản đồ và phân tích biến động( sử dụng đấtđai, biến đổi đường bờ…)

 Vệ tinh SPOT.

Hệ thống SPOT được cơ quan hàng không Pháp phóng lên quỹ đạo năm

1986 Cho đến nay đã có 5 thế hệ vệ tinh được phóng lên quỹ đạo Các vệ tinh Spot

1, 2, 3 được trang bị một bộ cảm biến HRV

Tư liệu vệ tinh SPOT là tư liệu viễn thám hiện đang được sử dụng rộng rãitrên thế giới và Việt Nam

Hình 2.8: Vệ tinh SPOT

+Quĩ đạo.

- Độ cao bay 830km, góc nghiêng của mặt phẳng quĩ đạo 98,70

- Thời điểm bay qua xích đạo: 10 giờ 30 sáng

- Chu kỳ lặp: 26 ngày trong chế độ quan sát bình thường.

+ Bộ cảm

Bộ cảm HRV không phải là máy quét quang cơ mà là máy quét điện tử CCD.HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng Gương này cho phépthay đổi hướng quan sát  270 so với trục thẳng đứng nên có thể thu được ảnh lậpthể

Bảng 2.2: Các thông số của ảnh SPOT 1, 2, 3

Các đặc trưng của Spot 1,

0.79 – 0.89 m( gầnhồng ngoại)

Bảng2 3: Các thông số của ảnh SPOT 4,5

Ảnh Kênh Bước sóng (m) Độ phân giải (m)

 Vệ tinh Alos:

Vệ tinh Alos là vệ tinh quan sát trái đất của Nhật Bản được thiết kế để thànhlập bản đồ, quản lý và giám sát môi trường, khảo sát tài nguyên Đây là vệ tinhmang 3 bộ cảm:

- Thiết bị ghi ảnh toàn sắc để cho mục đích thành lập mô hình số địahình (PRISM)

- Bộ cảm quang học ghi ảnh trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại(AVNIR - 2)

- Bộ cảm PALSAR có thể giám sát mặt đất cả ngày lẫn đêm trong mọiđiều kiện thời tiết

Hình 2.9 : Vệ tinh Alos

AVNIR-2 có độ rộng tuyến bay chụp là 70km với các kênh nhìn thấy và hồngngoại và 35km với kênh toàn sắc Và nos có thể chụp ở ba vị trí khác nhau đó làchụp trước, trung tâm và sau với góc nghiêng khoảng +/-40 độ

Bảng2.4 :Thông số kỹ thuật ảnh AVNIR-2 của Alos

Kênh Bước sóng (µm) Độ phân giải (m)

2.1.6 Phương pháp xử lý thông tin viễn thám

2.1.6.1 Khái niệm giải đoán ảnh viễn thám

Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình chiết tách thông tin định tính cũng nhưđịnh lượng từ ảnh như hình dạng, vị trí, cấu trúc, đặc điểm, chất lượng, điều kiện,mối quan hệ tương hỗ giữa các đối tượng dựa trên tri thức chuyên ngành hoặc kinhnghiệm của người giải đoán ảnh

Việc tách thông tin trong viễn thám có thể chia thành năm loại cụ thể:

- Phân loại đa phổ: là quá trình tách gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ,không gian và thời gian của đối tượng.

- Phát hiện biến động: là phát hiện và tách các biến động dựa trên tư liệu ảnh

đa thời gian ( ví dụ như xác định biến động lớp phủ thực vật, biến động đường bờnước…)

- Chiết tách các thông tin tự nhiên: tương ứng với việc đo nhiệt độ , trạngthái khi quyển, đo độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ

- Xác định các chỉ số: là việc tính toán các chỉ số mới( ví dụ chỉ số thực vật,chỉ số ô nhiễm)

- Xác định các đối tượng đặc biệt: là xác định các đặc tính hoặc các hiệntượng đặc biệt như thiên tai, cháy rừng, chỉ ra các đường đứt gãy, đặc điểm khảocổ…

2.1.6.2 Giải đoán ảnh bằng mắt

Giải đoán bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh, có sự kếthợp nhuần nhuyễn các kiến thức chuyên môn của người phân tích để từ đó khai thácđược các thông tin có trong tư liệu ảnh

Giả đoán bằng mắt là sử dụng mắt thường có sự trợ giúp của các dụng cụquang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu… Cở sở để giải đoán làcác chuẩn đoán đọc và mẫu đoán đọc

Để trợ giúp cho công tác đoán đọc người ta thành lập các mẫu đoán đọc Tất

cả các chuẩn đoán đọc cùng với thông tin về thời gian chụp, mùa chụp, tỷ lệ ảnhđều phải đưa vào mẫu đoán đọc Một bộ mẫu đoán đọc không chỉ gồm phần ảnh màcòn mô tả bằng lời

Khoá giải đoán bao gồm 8 nhóm chính đó là: Kích thước, hình dạng, bóng,

độ đậm nhạt, mầu sắc, hình mẫu, cấu trúc và mối quan hệ tương hỗ (dấu hiệu giántiếp)

2.1.6.3 Giải đoán ảnh bằng công nghệ ảnh số

Xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh số chứkhông phải dạng ảnh tương tự Ưu điểm của phương pháp là có thể phân tích các tín

hiệu phổ một cách chi tiết( 256 mức hoặc hơn) Phương pháp với sự trợ giúp củamáy tính và các phần mềm chuyên dụng có thể tách chiết rất nhiều thông tin phổcủa đối tượng, từ đó nhận biết đối tượng một cách tự động Tuy nhiên, trong quátrình xử lý ảnh số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn kiến thức chuyên môn với hiểubiết về đối tượng của người phân tích.

Các dữ liệu thu được trong viễn thám thường được lưu dưới dạng ảnh số nênvấn đề xử lý ảnh số trong viễn thám giữ vai trò quan trọng trong việc tách thông tinhữu ích phục vụ cho rất nhiều chuyên ngành khác nhau

- Khôi phục và hiệu chỉnh hình ảnh: là những công đoạn như khôi phục vàhiệu chỉnh ảnh Nó được sử dụng để hiệu chỉnh bức xạ và hiệu chỉnh hình học donhững biến dạng gây ra bởi bộ cảm biến và vật mạng.

- Biến đổi ảnh: các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến đổituyến tính Các phương pháp tăng cường chất lượng ảnh thường được biết đến làlinear contrast stretch (Kéo dãn độ tương phản tuyến tính), histogram-equalizedstretch (Cân bằng Histogram), và Spatial filtering (Lọc không gian)

- Phân loại ảnh: Phân loại ảnh là quá trình tách gộp thông tin dựa trên cáctính chất phổ, không gian và thời gian Phân loại thường được biểu diễn bởi tập hợpcác kênh ảnh và quá trình này là gán từng pixel trên ảnh vào các lớp khác nhau dựatrên đặc tính thống kê của các giá trị độ xám của từng pixel Có hai phương phápphân loại chính đó là có kiểm định và không kiểm định

2.1.6.4 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

Bảng 2.5: So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

- Có thể phân tích được các thông tinphân bố không gian

- Năng suất cao, thời gian xử lý ngắn

- Kết quả xử lý được chuẩn hóa

- Chiết xuất được các đặc tính vật lý

- Có thể đo được các chỉ số đặc trưng

tự nhiên

- Rất khó ứng dụng được kinhnghiệm của người giải đoán

- Chiết xuất thông tin ít về bốicảnh

- Kết quả phân tích các thôngtin kém

2.2 Khái quát chung về hệ thống thông tin địa lý

2.2.1 Định nghĩa

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống thông tin có khả năng xâydựng, cập nhật, lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích và xuất ra các dữ liệu có liên quantới vị trí địa lý, nhằm hỗ trợ ra quyết định trong các công tác quy hoạch và quản lýtài nguyên thiên nhiên và môi trường

Các câu hỏi mà GIS có thể trả lời:

- Vị trí (location): Tìm ra cái gì tồn tại ở vị trí cụ thể Vị trí được thể hiện bằngtên, mã bưu điện hay tọa độ địa lý (kinh/vĩ độ)

- Điều kiện (condition): Tìm ra vị trí thỏa mãn một số điều kiện (vùng không

có rừng diện tích 2000m2 và xa đường quốc lộ 100m và loại đất phù hợp choxây dựng nhà)

- Xu hướng (trends): Tìm ra sự khác biệt theo thời gian trong vùng

- Mô hình (modeling): Câu hỏi này xác định cái gì xảy ra nếu có đường mới

mở hay nếu chất độc thải vào nguồn nước Để trả lời câu hỏi này đòi hỏicác thông tin địa lý và các thông tin khác

2.2.2 Các thành phần chính của GIS

Nói một cách tổng quát, hệ GIS gồm có ba thành phần cơ bản là: Hệ thốngphần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người, phương pháp

Hình 2.11: Các thành phần chính của GIS

- Hệ thống phần cứng:

Phần cứng của một hệ GIS gồm máy vi tính, cấu hình và mạng công việc củamáy tính, các thiết bị ngoại vi nhập xuất dữ liệu và lưu trữ dữ liệu Ngày nay, phầnmềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâmđến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống phần cứng của hệ GIS

- Hệ thống phần mềm:

Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tínhthực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm GIS có thể là một hoặc tổ hợp cácphần mềm máy tính Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm cáctính năng cơ bản sau:

Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input):

Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic database)

Xuất dữ liệu (Display and reporting)

Biến đổi dữ liệu (Data transformation)

Tương tác với người dùng (Query input)

- Dữ liệu:

liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợphoặc mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu khônggian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu trữ

và quản lý dữ liệu

- Con người:

Bao gồm những tập thể, cá nhân trực tiếp thiết kế, xây dựng và vận hành hệGIS Chi phí cho việc đào tạo cán bộ, thuê chuyên gia… chiếm khoảng 10% chi phíxây dựng toàn hệ thống

Rõ ràng, một hệ GIS có hiệu quả hay không phụ thuộc rất nhiều vào yếu tốcon người

- Phương pháp:

Mỗi dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và người sử dụng hệthống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý vàcông nghệ GIS

2.2.3 Các chức năng cơ bản của GIS

Phần lớn các phần mềm về GIS đều có các chức năng mà có thể phân rathành 5 đặc trưng sau:

Nhập dữ liệu là việc thu nhận dữ liệu thực hoặc từ những văn bản hoặc bản

đồ sẵn có để đưa vào hệ thống phần mềm GIS Nhập dữ liệu là một quá trình đọc dữliệu dưới khuôn dạng mà hệ phần mềm có thể xử lý được

Hiện nay có rất nhiều loại dữ liệu không gian và có thể thu thập theo nhiềucách khác nhau như là: dữ liệu khảo sát trực tiếp ngoài thực địa, được nhập vào

dưới dạng sổ đo, dữ liệu ảnh hàng không dưới dạng tương tự sau đó được quét vàchuyển sang dạng số, ảnh vệ tinh số, bản đồ giấy ở các tỷ lệ khác nhau rồi đượcquét hoặc vector hóa trực tiếp bằng bàn số hóa Dữ liệu phi không gian cũng có thểđược nhập trực tiếp từ các tài liệu có liên quan như các tài liệu thống kê, các bản đồ,

và các số liệu điều tra thu thập

2.2.3.2 Lưu trữ và biên tập dữ liệu

Chức năng của lưu trữ dữ liệu liên quan đến việc tạo ra cơ sở dữ liệu khônggian Trong thực tế nội dung của cơ sở dữ liệu này có thể bao gồm việc kết nối dữliệu không gian vector và (hoặc ) dữ liệu không gian raster và cơ sở dữ liệu thuộctính mà thuộc tính này chính là dữ liệu tham khảo của các đối tượng không gianđược liên kết với chúng

Biên tập dữ liệu:

Tất các các phân tích không gian phải được dựa trên dữ liệu có chất lượngtốt, đã được biên tập và đang được lưu trữ với một format thích hợp Chúng ta cầnphải chắc chắn rằng mỗi một điểm, đường, vùng phải được nhập vào một cáchchính xác, không thì khi tìm kiểm đường đi sẽ không đi được đến đích, hoặc tìmmột vùng nào đó mà lại không thấy… Đối với các dữ liệu thuộc tính thì phải đảmbảo rằng thuộc tính phải được gắn kết với thực thể một cách chính xác, để tiết kiệmthời gian cho người tìm kiếm không tìm phải những cái sai hoặc những đối tượngkhông tần tại…Với từng lớp đối tượng mà chúng ta tạo ra, nó đều có khả năng tồntại lỗi Vì vậy phải tìm kiếm và biên tập lỗi

Đối với dữ liệu vector, có hai cách nhập vào là số hóa trực tiếp bằng bàn sốhóa, hoặc vector hóa từ file ảnh quét Cả hai phương pháp này đều để lại lỗi vàchúng thường tồn tại ở các dạng sau đây: đường lơ lửng, các điểm nút giả và thiếunút tại chỗ cắt nhau, Polygon không có nhãn,xung đột các nhãn trong một polygon,các đường số hóa bị trùng nhau tạo nên các polygon vụn

Đối với lỗi thuộc tính thì thường xảy ra trường hợp mất thuộc tính Lỗi này

có thể tìm thấy mà không cần phải so sánh với dữ liệu nhập vào bằng cách tìm kiếmnhững đối tượng chưa có thuộc tính để từ đó ta có thể nhập thêm vào Hoặc một loạilỗi nữa cũng có thể xảy ra đó là lỗi do người biên tập, lỗi này là nhập dữ liệu thuộc

tính bị sai, có thể là đánh máy sai hoặc là đọc sai rồi dẫn đến nhập sai dữ liệu Lỗinày khó phát hiện hơn và hầu như chỉ phát hiện được khi người sử dụng làm cácphép phân tích không gian.

2.2.3.3 Xử lý dữ liệu

Những công việc chính của xử lý dữ liệu bao gồm:

- Tạo Topology cho các dữ liệu vector:

Về mặt tổng quát mối quan hệ Topology đại diện cho các đối tượng khônggian (điểm, đường, vùng) và mối quan hệ của các đối tượng không gian đó vớinhững đối tượng liền kề

- Phân loại các đối tượng cho các loại ảnh viễn thám:

Việc phân loại thường dựa vào giá trị của từng pixcel sẽ được xếp vào loạiđối tượng nào Người ta sử dụng các thuật toán để tiến hành phân loại các đối tượngvào các lớp

Hình 2.13: Phân lớp các đối tượng trên dữ liệu ảnh

- Chuyển đổi dữ liệu từ raster sang vector và ngược lại:

Quá trình biến đổi mô hình dữ liệu raster sang dữ liệu vector, hay còn gọi là