Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động lớp phủ bề mặt Tiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động là những thay đổi lớp phủ trên bề mặt
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Một số vấn đề lý luận về sử dụng đất nông nghiệp
2.1.1 Khái niệm về đất nông nghiệp và Nguyên tắc sử dụng đất nông nghiệp
2.1.1.1 Khái niệm về đất nông nghiệp
- Khái niệm về đất và đất đai:
+ Đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến những khái niệm, định nghĩa về đất Định nghĩa đầu tiên của học giả người Nga Đocutraiep năm
Theo quan điểm năm 1987 của Đỗ Nguyên Hải, đất được xem là một vật thể thiên nhiên cấu tạo độc lập và có niên đại lâu đời, hình thành qua sự tổng hợp của năm yếu tố: sinh vật, đá mẹ, khí hậu, địa hình và thời gian Tuy nhiên, định nghĩa này chưa đề cập đến khả năng sử dụng đất và sự tác động của các yếu tố khác trong môi trường xung quanh Sau đó, nhiều học giả đã bổ sung thêm các yếu tố như nước của đất, nước ngầm và đặc biệt là vai trò của con người nhằm hoàn thiện khái niệm đất.
Đất đai là một không gian hữu hạn, gồm khí hậu, lớp đất mặt, thảm thực vật, động vật, diện tích mặt nước, nước ngầm và khoáng sản nằm sâu trong lòng đất Trên bề mặt đất đai, sự phối hợp của các yếu tố thổ nhưỡng, địa hình, thủy văn và thảm thực vật cùng với các thành phần khác hình thành một hệ sinh thái quan trọng, có ý nghĩa thiết yếu đối với sản xuất và đời sống của xã hội loài người.
- Khái niệm về đất nông nghiệp: Đất nông nghiệp là đất được xác định chủ yếu để sử dụng cho sản xuất nông nghiệp như đất trồng cây hàng năm, đất trồng cây lâu năm, đất rừng sản xuất, rừng phòng hộ, rừng đặc dụng, đất nuôi trồng thuỷ sản, đất làm muối hoặc nghiên cứu thí nghiệm về nông nghiệp (Quốc Hội, 2003)
2.1.1.2 Nguyên tắc sử dụng đất nông nghiệp
- Sử dụng đất là một hệ thống các biện pháp nhằm điều hòa mối quan hệ người – đất trong tổ hợp với nguồn tài nguyên thiên nhiên khác và Môi trường
Quy luật phát triển kinh tế - xã hội đi liền với yêu cầu bền vững về môi trường và hệ sinh thái, định hình hướng đi chung và mục tiêu sử dụng đất hợp lý nhằm phát huy tối đa công dụng của đất và mang lại lợi ích sinh thái, kinh tế và xã hội Trong mỗi phương thức sản xuất, quyết định sử dụng đất phải dựa trên thuộc tính tự nhiên của đất đai và đáp ứng nhu cầu sản xuất cũng như đời sống, đồng thời bảo đảm sự cân bằng giữa tăng trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng đất.
Đẩy mạnh sử dụng đất nông nghiệp theo hướng bền vững nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - xã hội và bảo đảm an ninh lương thực, an toàn thực phẩm cho người dân Đồng thời, tăng cường liên kết chuỗi giá trị để bổ sung nguồn nguyên liệu cho công nghiệp và đẩy mạnh chế biến nông sản tại chỗ Hướng tới xuất khẩu bằng cách nâng cao chất lượng, năng suất và sức cạnh tranh của nông sản trên thị trường quốc tế.
Sử dụng đất nông nghiệp trong sản xuất cần cân nhắc các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội, tận dụng tối đa lợi thế so sánh về điều kiện sinh thái và không làm ảnh hưởng xấu đến môi trường; đây là nguyên tắc cơ bản và cần thiết để đảm bảo khai thác, sử dụng bền vững tài nguyên đất đai.
- Sử dụng đất nông nghiệp theo nguyên tắc “Đầy đủ, hợp lý và hiệu quả”
2.1.2 Quan điểm sử dụng đất nông nghiệp
Hoạt động của con người đã đẩy hệ sinh thái vào trạng thái biến đổi nghiêm trọng, vượt quá khả năng tự điều chỉnh của đất Con người tác động không chỉ đến đất đai mà còn ảnh hưởng đến khí quyển và nguồn nước để duy trì nguồn lương thực và thực phẩm ngày càng nhiều, song các biện pháp cải tạo đất chưa được quan tâm đúng mức nên đất đai và các yếu tố khác bị thay đổi theo hướng ngày càng xấu đi Nhiều vùng đất màu mỡ đã thoái hóa nghiêm trọng, đi kèm với xói mòn đất và suy giảm nguồn nước, chịu tác động của hạn hán và lũ lụt Do đó, để đảm bảo cuộc sống hiện tại và tương lai, cần có chiến lược sử dụng đất nhằm không chỉ duy trì các khả năng hiện có của đất mà còn khôi phục những khả năng đã mất Thuật ngữ "sử dụng đất bền vững" ra đời dựa trên mong muốn ấy.
Nông nghiệp bền vững là tiền đề và điều kiện cho định cư lâu dài, và thiết lập các hệ thống sử dụng đất hợp lý được xem là một trong những cơ sở quan trọng nhất để đạt được mục tiêu này Quá trình phát triển nông nghiệp bền vững nhằm khắc phục ô nhiễm đất, nước và không khí do hoạt động nông nghiệp và công nghiệp gây ra, đồng thời ngăn chặn sự mất mát của các loài động thực vật và sự suy giảm tài nguyên thiên nhiên không tái sinh Thuật ngữ sử dụng đất bền vững được xây dựng dựa trên quan điểm quản lý đất đai hiệu quả, công bằng và có trách nhiệm với môi trường, với mục tiêu tối ưu hóa giá trị sử dụng đất, bảo vệ nguồn nước, đất và đa dạng sinh học, và đảm bảo sự phát triển lâu dài cho cộng đồng.
- Duy trì và nâng cao các hoạt động sản xuất (thể hiện bằng năng suất)
- Giảm thiểu mức rủi ro trong sản xuất (mức độ an toàn)
- Bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, ngăn chặn sự thoái hoá đất và nước (bảo vệ)
- Có hiệu quả lâu bền
- Được xã hội chấp nhận
Theo FAO, phát triển nông nghiệp bền vững là quá trình quản lý và bảo tồn sự thay đổi về tổ chức và kỹ thuật nhằm đảm bảo đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người, cả hiện tại và mai sau.
2.1.3 Các yếu tố tác động đến sử dụng đất nông nghiệp
2.1.3.1 Nhóm yếu tố về điều kiện tự nhiên Điều kiện về đất đai, khí hậu thời tiết có ý nghĩa quan trọng đối với sản xuất nông nghiệp Nếu điều kiện tự nhiên thuận lợi, các hộ nông dân có thể lợi dụng những yếu tố đầu vào không kinh tế thuận lợi để tạo ra nông sản hàng hoá với giá rẻ
2.1.3.2 Nhóm các yếu tố kỹ thuật canh tác
Nhóm biện pháp kỹ thuật đặc biệt đóng vai trò quan trọng trong quá trình khai thác đất theo chiều sâu và nâng cao hiệu quả sử dụng đất nông nghiệp Việc áp dụng các biện pháp này giúp cải thiện đặc tính đất ở các tầng sâu, tăng độ tơi xốp, khả năng giữ nước và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng Đồng thời, chúng giảm thiểu xói mòn và sụt lún đất trong khai thác ở độ sâu, đồng thời bảo vệ môi trường Thực hiện đồng bộ nhóm biện pháp kỹ thuật này tạo nền tảng cho nông nghiệp bền vững, tối ưu hóa sử dụng đất và nâng cao năng suất sản xuất.
2.1.3.3 Nhóm các yếu tố kinh tế tổ chức
Công tác quy hoạch và bố trí sản xuất được thực hiện thông qua phân vùng sinh thái nông nghiệp dựa trên điều kiện tự nhiên và dựa trên phân tích, dự báo cùng đánh giá nhu cầu thị trường Việc này được liên kết chặt chẽ với quy hoạch phát triển công nghiệp chế biến và kết cấu hạ tầng, đồng thời chú trọng phát triển nguồn nhân lực và thể chế pháp lý về bảo vệ tài nguyên, môi trường Nhờ đó, tiền đề vững chắc cho phát triển nông nghiệp hàng hóa được hình thành và tăng sức cạnh tranh trên thị trường.
Hình thức tổ chức sản xuất có ảnh hưởng trực tiếp đến việc khai thác và nâng cao hiệu quả sử dụng đất nông nghiệp Vì vậy, cần đa dạng hóa các hình thức hợp tác trong nông nghiệp, thiết lập một hệ thống tổ chức sản xuất và kinh doanh phù hợp, đồng thời giải quyết tốt mối quan hệ giữa sản xuất, dịch vụ và tiêu thụ nông sản hàng hóa để tăng cường liên kết giữa nông dân, doanh nghiệp và thị trường, đẩy mạnh ứng dụng khoa học kỹ thuật và tối ưu hóa sử dụng đất nông nghiệp.
Dịch vụ kỹ thuật đóng vai trò then chốt trong sản xuất hàng hóa của hộ nông dân, bởi quá trình này không thể tách rời những tiến bộ kỹ thuật và việc ứng dụng các tiến bộ khoa học công nghệ vào sản xuất Vì sản xuất nông nghiệp hàng hóa ngày càng phát triển đòi hỏi phải không ngừng nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả canh tác thông qua tiếp cận và áp dụng các công nghệ mới.
2.1.3.4 Nhóm các yếu tố kinh tế - xã hội
Tổng quan về kỹ thuật viễn thám
2.2.1.1 Định nghĩa về viễn thám
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học và công nghệ cho phép xác định và phân tích các tính chất của vật thể từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Nhờ sự phát triển của các cảm biến và công nghệ xử lý ảnh hiện đại, dữ liệu quan sát được thu thập từ môi trường xung quanh giúp đánh giá chính xác đặc điểm và tình trạng của vật thể Viễn thám có ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trường và an ninh, đồng thời hỗ trợ ra quyết định dựa trên dữ liệu từ xa.
Trong viễn thám, sóng điện từ và ánh sáng bị vật thể phản xạ hoặc phát xạ thường là nguồn dữ liệu chủ yếu để thu thập thông tin Tuy nhiên, các dạng năng lượng khác như từ trường và trường trọng lực cũng có thể được khai thác ở một số ứng dụng, mở rộng phạm vi quan sát và cải thiện độ chính xác của các phép đo từ xa.
Hình 2.1 Khối lập phương thể hiện mức độ quan trắc của viễn thám
Bộ cảm là thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể Vật mang là phương tiện vận chuyển các bộ cảm tới vị trí quan sát hoặc mục tiêu đo lường Vật mang có thể là khí cầu, máy bay, vệ tinh hoặc tàu vũ trụ, như Nguyễn Khắc Thời đã nêu (2011).
Theo Toth và Jozkow (2016), nhờ những tiến bộ vượt bậc về cấu trúc hạ tầng CNTT và sự phát triển của cảm biến viễn thám, các khái niệm thông thường về quan trắc đã được mở rộng đáng kể Hình 2.1 trình bày khoảng cách quan trắc ở dạng một khối lập phương và cho thấy ba thông số chính của bộ cảm: (a) độ phân giải không gian được thể hiện qua GSD (khoảng cách trên mặt đất), (b) chu kỳ hay tần suất thu thập hình ảnh, và (c) khoảng cách quan sát, là khoảng cách trung bình từ mặt đất đến vệ tinh hoặc vật mang.
Khái niệm vật mang như hình 2.1 không chỉ bao gồm vệ tinh và máy bay truyền thống mà còn bổ sung UAS (Unmanned Aerial System) và Mobile/Static, cho thấy sự đa dạng của các hệ thống dùng để thu thập dữ liệu không gian UAS hay drone đang được quan tâm mạnh mẽ cả về nghiên cứu lẫn ứng dụng trong những năm gần đây Các hệ thống lập bản đồ Mobile đã hình thành ngay khi giới dân dụng được phép sử dụng công nghệ GPS; hệ thống cơ sở bao gồm bộ cảm biến lắp đặt trên phương tiện giao thông như ô tô, tàu hỏa, v.v nhằm thu thập dữ liệu không gian dọc theo các tuyến giao thông.
2.2.1.2 Nguyên lý chung của viễn thám
Trong viễn thám, sóng điện từ thường là nguồn dữ liệu chủ yếu do các vật thể phản xạ hoặc phát xạ tín hiệu Tuy vậy, những dạng năng lượng khác như từ trường và trường trọng lực cũng có thể được khai thác để thu thập và phân tích thông tin về bề mặt, cấu trúc và các quá trình vật lý của môi trường.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ viễn cảm (bộ cảm), và các máy chụp ảnh hay máy quét là những ví dụ tiêu biểu của bộ cảm.
Phương tiện được sử dụng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang.Máy bay hoặc vệ tinh là những ví dụ về vật mang
Các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng lượng bức xạ và đặc trưng phản xạ từ vật thể Viễn thám là công nghệ nhận biết đối tượng và các điều kiện môi trường dựa trên những đặc trưng phản xạ và bức xạ riêng biệt, cho phép xác định vị trí, hình dạng và trạng thái của đối tượng trong không gian.
Tín hiệu điện từ thu được từ đối tượng nghiên cứu mang theo thông tin về đặc tính và trạng thái của nó Viễn thám thu nhận và xử lý các dữ liệu này, từ thông tin phổ và các dữ liệu cảm biến, nhằm nhận biết và xác định đối tượng một cách chính xác và có hệ thống.
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám
2.2.2 Vệ tinh viễn thám và tư liệu sử dụng trong viễn thám
Vệ tinh có bộ cảm viễn thám, còn được gọi là vệ tinh viễn thám hoặc vệ tinh quan sát mặt đất, là công cụ quan trọng để thu thập thông tin từ không gian Sau khi Liên Xô phóng Sputnik và mở ra kỷ nguyên vũ trụ, năm 1972 Hoa Kỳ bắt đầu sử dụng vệ tinh quan sát mặt đất cho các mục đích nghiên cứu và ứng dụng thực tế Hình 2.1 cho thấy số lượng quốc gia sở hữu vệ tinh đã lên đến 23 nước tính đến năm 2013, trong đó có Việt Nam (VNM).
Hình 2.3 Thời gian các quốc gia phóng vệ tinh Tên viết tắt theo chuẩn quốc tế IOS 3166
R N C Mặt Công trình xây dựng, nhà
Bảng 2.1 trình bày đặc điểm của một số bộ cảm chính hiện nay chia theo độ phân giải từ thấp đến cao
Loại bộ cảm Kờnh phổ Bước súng (àm) Chu kỳ
0,50-0,59 (green) 0,61-0,68 (red) 0,79-0,89 (near IR) 1,58-1,75 (sh.w IR) Landsat Kênh 1 0,5-0,6 (green)
Kênh 2 0,6-0,7 (red) Kênh 3 0,7-0,8 (near IR) Kênh 4 0,8 – 1,1 (near IR)
Kênh 2 0,52 – 0,60 (green) Kênh 3 0,63 – 0,69 (red) Kênh 4 0,76 – 0,9 (near IR) Kênh 5 1,55 – 1,75 (sh.w.IR)
Kênh 2 0,61 – 0,68 (red) Kênh 3 0,79 -0,89 (near IR)
Kênh 1 0,45 -0,52 (blue) Kênh 2 0,50 – 0,60 (green) Kênh 3 0,63 – 0,69 (red) Kênh 4 0,76 – 0,90 (near IR)
Nguồn: FAO (2014) Chi tiết một số hệ thống dược trình bày chi tiết trong phần sau
2.2.2.1 Các loại vệ tinh viễn thám (a) Vệ tinh Landsat
Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ đạo từ năm 1972; đến nay, đã có bảy thế hệ vệ tinh Landsat được triển khai và dữ liệu của chúng được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để nghiên cứu và quản lý tài nguyên tự nhiên.
Vệ tinh Landsat được thiết kế với bề rộng tuyến chụp 185 km và thời điểm bay qua xích đạo là 9h39’ sáng Dữ liệu thu được từ hai bộ cảm biến TM và MSS được chia thành các cảnh phủ một vùng đất rộng 185×170 km, được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu dựa trên tuyến và hàng Giá trị pixel được mã hoá ở 8 bit, tức mức xám từ 0 đến 255 trên quỹ đạo.
Bảng 2.2 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh LANDSAT Độ cao bay 915 km ( Landsat -1-3)
Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời
Chu kỳ lặp 18 ngày ( Landsat -1-3)
16 ngày ( Landsat -4,5,7) Thời gian hoàn tất
Khoảng 103 phút ( Landsat -1-3) Khoảng 99 phút ( Landsat -4,5,7)
Năm phóng vào quỹ đạo
Vệ tinh SPOT-1 được cơ quan hàng không Pháp (Système Pour L`Observation de la Terre) phóng lên quỹ đạo vào năm 1986, các năm 1990, 1993,
Vào năm 1998 và 2002, lần lượt các vệ tinh SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5 được đưa vào hoạt động, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ quan sát Trái Đất Đây là loại vệ tinh đầu tiên áp dụng kỹ thuật quét dọc tuyến chụp với hệ thống quét điện tử, có khả năng cho ảnh lập thể dựa trên nguyên lý quan sát nghiêng.
Bảng 2.3 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh SPOT Độ cao bay 822 km
Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời
Thời gian hoàn tất quỹ đạo Khoảng 101 phút
Năm phóng vào quỹ đạo
IKONOS là vệ tinh thương mại đầu tiên có độ phân giải cao (1 m) được đưa vào không gian vào tháng 9/1999 bởi Space Imaging (Hoa Kỳ) và bắt đầu phổ biến ảnh độ phân giải cao từ tháng 3/2000 Bộ cảm biến OSA (Optical Sensor Assembly) của IKONOS sử dụng nguyên lý quét điện tử và có khả năng thu đồng thời ảnh toàn sắc và đa phổ Ngoài khả năng tạo ảnh có độ phân giải cao nhất vào thời điểm năm 2000, ảnh IKONOS còn có độ phân giải bức xạ rất cao vì sử dụng đến 11 bit để ghi nhận năng lượng phản xạ (Phạm Vọng Thành, 2013).
Vệ tinh World View-2 được phóng lên quỹ đạo ngày 8 tháng 10 năm 2009 tại Vandenberg, California, Hoa Kỳ
1 Thu nhận ảnh có độ phân giải: 0,46 m (toàn sắc); 1,8 m (đa phổ); 0,52m (toàn sắc) ; 2,4 m (đa phổ) (tại góc chụp 20°);
2 Diện tích thu nhận/1 ảnh: 16,4 km x 16,4 km;
3 Chu kỳ: 1,1 ngày (ở 1m GSD) hoặc ít hơn và 3,7 ngày ở 200 (0,52m GSD)
Vệ tinh Sentinel-2 được phóng lên quỹ đạo vào ngày 23/6/2015 bởi ESA Để đạt độ chính xác cao trong quan sát, hệ thống vận hành đồng thời hai vệ tinh Sentinel-2 A và Sentinel-2 B Quỹ đạo của vệ tinh ở độ cao 786 km (488 mi), gần quỹ đạo Landsat và trùng khớp với quỹ đạo vệ tinh SPOT.
1 Thu nhận ảnh cú độ phõn giải: 0.4-2.4 àm (VNIR + SWIR);
2 Số kênh phổ: 13 4 kênh có độ phân giải 10m, 6 kênh có độ phân giải 20m, 3 kênh có độ phân giải 60m;
3 Trọng tải: MSI (Multi Spectral Instrument);
4 Kích thước pixel: < 1 ha MMU (Minimum Mapping Unit);
5 Chu kỳ: Ở xích đạo là 5 ngày, ở vĩ độ là 3 ngày
2.2.2.2 Tư liệu sử dụng trong viễn thám
Tổng quan về GIS
GIS (Hệ thống thông tin địa lý) là tập hợp các công cụ dùng để thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ các mục tiêu cụ thể Hệ thống này thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua các lớp dữ liệu và biểu diễn địa lý, cho phép phân tích không gian, đánh giá mối quan hệ giữa các yếu tố địa lý và hỗ trợ quyết định dựa trên thông tin bản đồ và vị trí.
- Vị trí địa lý của đối tượng thông qua một hệ toạ độ
- Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí
- Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topo)
Một số định nghĩa về GIS:
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống tích hợp gồm phần mềm GIS, phần cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu địa lý quy mô lớn, được thiết kế để thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích dữ liệu địa lý, đồng thời biểu diễn dữ liệu dưới dạng bản đồ và đồ thị GIS phục vụ cho phạm vi ứng dụng rộng lớn, từ quy hoạch đô thị, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường đến dịch vụ công, hỗ trợ ra quyết định kinh tế - xã hội và tối ưu hóa các quy trình vận hành.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là tập hợp các nguyên lý, phương pháp, công cụ và dữ liệu không gian được sử dụng để quản lý, duy trì, chuyển đổi và phân tích các hiện tượng phân bố trong không gian địa lý GIS tích hợp dữ liệu địa lý với nền tảng bản đồ và các công cụ phân tích để mô hình hoá và mô phỏng các quá trình tự nhiên và xã hội, từ đó làm bản đồ và trực quan hóa sự phân bố ở nhiều quy mô Qua các chức năng quản lý dữ liệu không gian, xử lý, khai thác và trình bày không gian, GIS hỗ trợ ra quyết định về quy hoạch, tài nguyên thiên nhiên, môi trường và an toàn, đồng thời dự báo xu hướng và phát hiện mẫu bất thường.
Hình 2.5 Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau
Những khả năng đặc thù của GIS phân biệt nó với các hệ thống thông tin khác nhờ khả năng tích hợp dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính, cho phép phân tích và mô hình hóa các hiện tượng ở mức độ chi tiết Nhờ đó, GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực, từ phân tích sự kiện và dự báo tác động đến hoạch định chiến lược Việc kết hợp dữ liệu địa lý với công cụ phân tích giúp nhận diện xu hướng, đánh giá rủi ro và lên kế hoạch phát triển bền vững dựa trên thông tin địa lý.
GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý
2.3.2 Các thành phần chính của GIS
Một hệ thống thông tin địa lý được kết hợp bới 5 thành phần chính là:
Phần cứng của một hệ GIS gồm máy tính, cấu hình phù hợp, mạng làm việc, các thiết bị ngoại vi nhập/xuất dữ liệu và lưu trữ dữ liệu Hiện nay, phần mềm GIS có thể vận hành trên nhiều dạng phần cứng khác nhau, từ máy chủ trung tâm đến máy trạm làm việc độc lập hoặc các hệ thống kết nối mạng, đáp ứng đa dạng nhu cầu triển khai và quy mô dự án.
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và công cụ cần thiết để lưu trữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý, giúp quản lý dữ liệu không gian một cách hiệu quả Các thành phần chính của GIS gồm công cụ nhập và thao tác trên dữ liệu địa lý; hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) để lưu trữ và quản lý dữ liệu; công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý; và giao diện đồ họa người-máy cho phép truy cập các công cụ một cách dễ dàng, từ đó tối ưu hóa quy trình làm việc với bản đồ và thông tin không gian.
Hình 2.6 Các thành phần chính của GIS
Trong hệ GIS, dữ liệu được xem là yếu tố quan trọng nhất vì nó là nguồn thông tin cốt lõi cho các phân tích và trực quan hóa Dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người dùng tự tập hợp hoặc mua từ các nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác để cung cấp bức tranh toàn diện về không gian và các mối quan hệ, và thậm chí có thể dùng DBMS để tổ chức lưu trữ, quản lý và truy cập dữ liệu một cách hiệu quả.
Công nghệ GIS sẽ không thể phát huy hết tiềm năng nếu thiếu sự tham gia của con người trong quản trị hệ thống và phát triển các ứng dụng GIS thực tiễn Người dùng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật đảm nhận vận hành và tối ưu hóa hệ thống, là những người thiết kế và duy trì cơ sở GIS, hoặc là các người dùng GIS nhằm giải quyết các vấn đề trong công việc hàng ngày Sự tham gia của con người đảm bảo GIS được tùy chỉnh, cập nhật và triển khai hiệu quả vào quy trình làm việc, từ đó hỗ trợ ra quyết định và gia tăng giá trị cho tổ chức.
Một dự án GIS chỉ thực sự thành công khi được quản lý tốt và người sử dụng hệ thống có kỹ năng cao Điều này có nghĩa là sự phối hợp nhịp nhàng giữa công tác quản lý và công nghệ GIS là yếu tố cốt lõi để đạt được hiệu quả lâu dài Khi quản trị dự án rõ ràng, nguồn lực được huy động đầy đủ, quy trình chuẩn hóa và người dùng được đào tạo bài bản, hệ thống GIS sẽ tối ưu hóa hiệu quả và mang lại giá trị thiết thực cho tổ chức.
2.3.3 Ứng dụng của GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường
Ngày nay, GIS là một công cụ trợ giúp quyết định sự thành công trong nhiều hoạt động kinh tế-xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có khả năng đánh giá hiện trạng của quá trình, các thực thể của tự nhiên, kinh tế-xã hội thông qua chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào Do đó, việc ứng dụng hệ thống thông tin địa lý là rất cần thiết, phù hợp với xu thế tin học hóa xã hội và yêu cầu phát triển kinh tế-xã hội của tất cả các quốc gia
Nhờ những khả năng phân tích và xử lý đa dạng, kỹ thuật GIS hiện nay được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, được xem là công cụ hỗ trợ quyết định đặc biệt là trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường GIS được ứng dụng để quản lý các tài nguyên như: Tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên rừng, tài nguyên sinh vật, tài nguyên kháng sản… (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
Khái quát về tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để lập bản đồ biến động sử dụng đất
2.4.1 Khái quát về bản đồ biến động sử dụng đất và các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất
2.4.1.1 Khái quát về bản đồ biến động sử dụng đất
Biến động được hiểu là sự biến đổi liên tục của trạng thái vật thể hoặc hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên và xã hội Phát hiện biến động là quá trình nhận diện sự biến đổi và sự khác biệt về trạng thái của sự vật qua việc quan sát ở các thời điểm khác nhau Để nghiên cứu biến động đất, có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau dựa trên dữ liệu thống kê và các cuộc điều tra Những phương pháp này tuy cho độ chính xác cao nhưng đòi hỏi chi phí thời gian và kinh phí lớn, đồng thời chúng không thể phản ánh được sự chuyển đổi của sử dụng đất từ loại đất này sang loại đất khác và cũng không chỉ ra vị trí không gian của các thay đổi.
Bản đồ biến động sử dụng đất được dùng để thể hiện và bao quát những biến đổi trạng thái sử dụng đất ngoài thực địa Đây là bản đồ chuyên đề phản ánh tình hình biến động sử dụng đất theo các nội dung và tỷ lệ khác nhau, giúp nhận diện phạm vi, mức độ và xu hướng biến động đất đai một cách chi tiết.
2.4.1.2 Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động lớp phủ bề mặt
Định đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nhằm nghiên cứu biến động lớp phủ trên bề mặt đất là sự liên hệ giữa sự thay đổi lớp phủ và sự biến động giá trị bức xạ, trong đó thay đổi bức xạ do sự thay đổi lớp phủ phải lớn hơn các biến động do các yếu tố khác gây ra Các yếu tố này bao gồm điều kiện khí quyển, góc chiếu tia mặt trời và độ ẩm của đất, có thể làm nhiễu tín hiệu bức xạ và ảnh hưởng đến kết quả phân tích Phần ảnh hưởng này có thể được giảm phần nào bằng cách chọn dữ liệu thích hợp và áp dụng các phương pháp xử lý dữ liệu viễn thám phù hợp nhằm tăng độ nhạy và độ tin cậy của việc nhận diện biến động lớp phủ.
Việc chọn phương pháp nghiên cứu biến động rất quan trọng Đầu tiên, cần xác định phương pháp phân loại ảnh sẽ sử dụng và làm rõ yêu cầu nghiên cứu có cần biết nguồn gốc biến động hay không, từ đó chọn phương pháp phù hợp Các kết quả biến động đều phải được thể hiện trên bản đồ biến động và bảng tổng hợp, vì các phương pháp khác nhau sẽ cho ra bản đồ biến động khác nhau Có nhiều phương pháp nghiên cứu biến động, trong đó một số được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và lập bản đồ biến động gồm: phương pháp so sánh sau phân loại, phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian, phân tích véc tơ thay đổi phổ, phương pháp số học, sử dụng mạng nhị phân, chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ có sẵn, cộng màu trên một kênh ảnh và phương pháp kết hợp.
1 Phương pháp so sánh sau phân loại
Phương pháp này dựa trên kết quả phân loại ảnh ở hai thời điểm khác nhau để tạo ra bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho từng thời điểm Tiếp theo, hai bản đồ hiện trạng được ghép chồng lên nhau để xây dựng bản đồ biến động, giúp nhận diện và phân tích sự thay đổi sử dụng đất giữa hai thời kỳ quan sát.
2 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian
Phương pháp này thực chất là ghép hai bức ảnh từ hai thời kỳ khác nhau lại với nhau để tạo thành ảnh biến động Dựa trên ảnh biến động này, ta tiến hành phân loại các biến động và xây dựng bản đồ biến động nhằm phục vụ việc đánh giá sự thay đổi theo thời gian của cảnh quan hoặc môi trường.
3 Phương pháp phân tích vectơ thay đổi phổ
Trong khu vực nghiên cứu, biến động được thể hiện và quyết định xem có xảy ra hay không dựa trên vector thay đổi phổ vượt ngưỡng quy định Giá trị ngưỡng này được xác định từ kết quả thực nghiệm dựa trên các mẫu biến động và mẫu không biến động Sau đó, lớp thông tin thể hiện sự thay đổi hay không thay đổi sẽ được ghép lên trên tấm ảnh để hình thành bản đồ biến động.
4 Phương pháp số học Đây là phương pháp đơn giản để xác định mức độ biến động giữa hai thời điểm bằng cách sử dụng tỉ số giữa các ảnh trên cùng một kênh hoặc sự khác nhau trên cùng một kênh của các thời điểm chụp ảnh
Trước tiên các ảnh được nắn về cùng một hệ tọa độ.Sau đó dùng các biến đổi số học để tạo ra các ảnh thay đổi
5 Phương pháp sử dụng mạng nhị phân
Để tiến hành phân tích ảnh tại thời điểm n, ta lựa chọn ảnh thứ nhất và có thể xem ảnh thứ hai ở thời điểm sớm hơn n-1 hoặc muộn hơn n+1 Các ảnh được nắn chỉnh về cùng một hệ tọa độ nhằm đảm bảo sự nhất quán khi so sánh và phân tích các đặc trưng giữa các khung hình.
Đầu tiên, phân loại ảnh theo phương pháp phân loại thông thường để xác định các đặc trưng và nhãn của từng hình ảnh Tiếp theo, tiến hành lần lượt chọn một trong các kênh từ hai ảnh để tạo ra các tệp dữ liệu mới, từ đó tăng cường sự đa dạng của dữ liệu và hỗ trợ các bước tiền xử lý, phân tích và huấn luyện mô hình nhận diện hình ảnh.
Quá trình phân tích dữ liệu bắt đầu bằng các phép biến đổi số học nhằm tính toán các chỉ số và tạo ra một ảnh mới phản ánh sự biến động Tiếp theo, kỹ thuật phân ngưỡng được áp dụng để xác định các vùng thay đổi và vùng không thay đổi trên ảnh mới; bản đồ thay đổi được ghi lại vào một tệp nhị phân với hai giá trị “thay đổi” và “không thay đổi” Bản đồ nhị phân này sau đó được chồng lên ảnh thứ hai để phân tích và đánh dấu các pixel có sự thay đổi; chỉ những pixel được xác định là thay đổi mới được phân loại trên ảnh thứ hai Cuối cùng, phương pháp so sánh sau phân loại truyền thống được sử dụng để khai thác thông tin biến động từ dữ liệu hình ảnh và cung cấp các kết quả phân tích biến động một cách rõ ràng.
6 Phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ đã có
Trong một số trường hợp, khu vực nghiên cứu đã có bản đồ hiện trạng được thành lập hoặc bản đồ số hóa sẵn, vì vậy thay vì sử dụng ảnh viễn thám ở thời điểm đầu tiên, ta có thể tận dụng nguồn dữ liệu sẵn có Ở thời điểm thứ hai, tiến hành phân loại ảnh dựa trên dữ liệu có sẵn, sau đó so sánh các giá trị pixel để nhận diện biến động và thu được thông tin biến động Quy trình này tối ưu nguồn lực, tăng cường sự chính xác trong phát hiện biến động và cung cấp thông tin biến động cập nhật cho phân tích hiện trạng.
7 Phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh
Trong phương pháp này, ta chọn một kênh màu nhất định của ảnh và ghi nhận từng màu sắc của dữ liệu ảnh được ghép chồng lên nhau; kết quả cho thấy sự biến động hay không biến động của tín hiệu hình ảnh dựa trên nguyên lý tổ hợp màu sắc.
Thực chất của phương pháp này là vectơ hóa những vùng biến động từ tư liệu ảnh có độ phân giải cao như ảnh SPOT hoặc ảnh hàng không
Phân loại ảnh tại thời điểm có độ phân giải thấp bằng phương pháp phân loại không giám định để xây dựng bản đồ hiện trạng; bản đồ này sau đó được chồng lên ảnh có độ phân giải cao nhằm phát hiện biến động một cách chính xác; các vùng biến động được xác định và vector hóa, tạo thành dữ liệu vector phục vụ cho các phân tích, lưu trữ và ứng dụng trong GIS.
2.4.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất trên thế giới
Việc kết hợp viễn thám và GIS đã trở nên phổ biến trên toàn cầu để quản lý và quy hoạch sử dụng đất một cách hợp lý và hiệu quả Công nghệ này cho phép tích hợp dữ liệu từ viễn thám với các nguồn dữ liệu GIS như bản đồ nông hoá thổ nhưỡng, bản đồ địa hình và chế độ tưới tiêu nhằm phân tích, đánh giá và cập nhật nhanh chóng hiện trạng sử dụng đất và tiềm năng nông nghiệp Ví dụ ở Nhật Bản, viễn thám được dùng kết hợp với dữ liệu thống kê về sản phẩm nông nghiệp để đưa ra đánh giá năng suất thực tế cho các nước Châu Á Ở Trung Quốc, ảnh SAR thu được tại các thời điểm khác nhau được kết hợp với bản đồ địa hình và bản đồ sử dụng đất nhằm cập nhật nhanh bản đồ đất trồng lúa cho các tỉnh Để đánh giá mức độ thích hợp của đất đối với các loại cây trồng, dữ liệu viễn thám được sử dụng để phân loại các đối tượng sử dụng đất và dữ liệu GIS cung cấp các bản đồ nông hoá thổ nhưỡng, địa hình và chế độ tưới tiêu.
Tóm tắt tổng quan
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học–kỹ thuật cho phép xác định và phân tích các tính chất của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Nguồn dữ liệu chủ yếu của viễn thám là sóng điện từ được vật thể phản xạ hoặc phát ra Thiết bị cảm nhận các sóng điện từ phản xạ hoặc phát xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm, hay Remote Sensor.
Máy chụp ảnh và máy quét là hai ví dụ cơ bản cho bộ cảm của hệ thống viễn thám, cho phép thu thập dữ liệu ảnh từ vệ tinh Vệ tinh viễn thám mang theo bộ cảm này và có thể kể đến các loại vệ tinh nổi tiếng như Landsat, Spot, Ikonos và WorldView Công nghệ viễn thám đang phát triển mạnh mẽ cả ở mức bộ cảm lẫn hệ thống vật mang, tạo nên kho dữ liệu viễn thám khổng lồ và ngày càng dễ tiếp cận cho người dùng.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống gồm phần mềm, phần cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu lớn, có chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích cũng như biểu diễn dữ liệu địa lý nhằm phục vụ cho việc giải quyết một khối lượng lớn thông tin địa lý Nó được cấu thành bởi năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và phương pháp Để lập bản đồ biến động sử dụng đất, người ta thường so sánh hai ảnh viễn thám đã được phân loại và áp dụng phương pháp chồng xếp hai ảnh lên nhau để xác định biến động sử dụng đất.
Việc kết hợp viễn thám và GIS đã trở thành xu thế toàn cầu nhờ hiệu quả và tính kinh tế cao, và ở Việt Nam công nghệ này đã bắt đầu được áp dụng với những bước đầu tiên Ngày 09/7/2009, Trạm thu ảnh vệ tinh Việt Nam và Trung tâm dữ liệu viễn thám Quốc gia chính thức đi vào hoạt động, với khả năng thu thập 5 loại ảnh vệ tinh là SPOT 2, SPOT 4, SPOT 5, ENVISAT ASAR và ENVISAT MERIS có độ phân giải 2,5m; 10m; 20m; 30m Sự kết hợp giữa viễn thám và thông tin địa lý mở ra ứng dụng lớn trong nghiên cứu lâm nghiệp, quản lý tổng hợp bờ đới và quản lý dải ven biển, nhưng do nhiều hạn chế, đặc biệt trình độ nhân lực còn chưa cao nên các kết quả đạt được vẫn giới hạn Để khắc phục, bài viết trình bày các bước giải đoán ảnh và thành lập bản đồ, đồng thời so sánh phương pháp tích hợp viễn thám và GIS với phương pháp truyền thống nhằm nêu bật ưu điểm và nhược điểm, giúp các chuyên gia khai thác tối ưu lợi thế của công nghệ này để lập bản đồ biến động đất nông nghiệp.