TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan chung về công nghệ viễn thám và GIS
1.1.1 Các khái niệm về công nghệ viễn thám, GIS
Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) là công cụ máy tính dùng để lập bản đồ và phân tích các hiện tượng xảy ra trên trái đất Công nghệ GIS tích hợp các thao tác cơ sở dữ liệu như hỏi đáp, phân tích thống kê và phân tích địa lý dựa trên dữ liệu bản đồ và hình ảnh Điều này giúp phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như phân tích sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược.
Viễn thám là kỹ thuật sử dụng các công nghệ vũ trụ để thu nhận thông tin từ xa về các đối tượng và hiện tượng trên trái đất, đã trở thành thành tựu công nghệ cao và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế, xã hội, quản lý tài nguyên và môi trường Các định nghĩa về viễn thám đều nhấn mạnh về khả năng thu nhận dữ liệu từ xa, góp phần hỗ trợ phân tích và quản lý tài nguyên hiệu quả Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, viễn thám ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin chính xác và kịp thời cho các hoạt động nghiên cứu và phát triển.
Viễn thám (Remote Sensing - RS) là môn khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Phương pháp này sử dụng các thiết bị thu nhận dữ liệu từ xa thông qua phân tích tài liệu và hình ảnh thu được bằng các phương tiện hiện đại Viễn thám giúp cung cấp dữ liệu chính xác, toàn diện để nghiên cứu và quản lý môi trường, đất đai, khí hậu và các lĩnh vực khác Đây là công cụ quan trọng trong quản lý tài nguyên và phát triển bền vững, mang lại lợi ích lớn cho các ngành kinh tế và bảo vệ môi trường.
Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover) là lớp phủ vật chất quan trọng quan sát từ mặt đất hoặc qua vệ tinh viễn thám Nó gồm các loại thực vật, như cây cối mọc tự nhiên hoặc được trồng cấy, cũng như các cơ sở xây dựng của con người như nhà cửa, đường sá Ngoài ra, lớp phủ mặt đất còn bao gồm nước, băng và đá, đóng vai trò quan trọng trong việc phản ánh sự phân bố và sử dụng đất đai trên bề mặt trái đất.
4 lộ hay các dải cát cũng đƣợc coi là lớp phủ mặt đất (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998)
Phân loại lớp phủ mặt đất được định nghĩa là quá trình sắp xếp các đối tượng dựa trên các nhóm hoặc tập hợp khác nhau theo mối quan hệ giữa chúng (Sokal, 1974) Hệ thống phân loại mô tả các lớp và tiêu chuẩn để phân biệt chúng, trong đó có hai dạng cơ bản là phân cấp và không phân cấp; hệ thống phân cấp linh hoạt hơn, cho phép kết hợp nhiều lớp thông tin từ cấp lớn tới cấp nhỏ hơn để cung cấp chi tiết hơn (The FAO AFRICOVER Programme, 1998) Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đã sử dụng hệ thống phân loại phân cấp theo tham khảo của hệ thống Mỹ (Anderson et al., 1976), được tổng hợp phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam theo Nguyễn Ngọc Thạch (2005).
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của viễn thám
Trong viễn thám, nguyên tắc hoạt động của nó liên dựa trên hiện tƣợng phản xạ và bức xạ năng lƣợng sóng điện từ của đối tƣợng
1 Nguồn phát năng lƣợng - yêu cầu đầu tiên cho viễn thám là có nguồn năng lƣợng phỏt xạ để cung cấp năng lƣợng ủiện từ tới ủối tƣợng quan tõm
2 Sóng điện từ và khí quyển - khi năng lƣợng truyền từ nguồn phát đến đối tượng, nó sẽ đi vào và tương tác với khí quyển mà nó đi qua Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khi năng lƣợng truyền từ đối tƣợng tới bộ cảm biến
3 Sự tương tác với đối tượng - một khi năng lượng gặp đối tượng sau khi xuyên qua khí quyển, nó tương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc tính của đối tƣợng và sóng điện từ mà năng lƣợng phản xạ hay bức xạ của đối tƣợng có sự khác nhau
4 Việc ghi năng lƣợng của bộ cảm biến - sau khi năng lƣợng bị tán xạ hoặc phát xạ từ đối tƣợng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng điện từ
5 Sự truyền tải, nhận và xử lý - năng lƣợng đƣợc ghi nhận bởi bộ cảm biến phải đƣợc truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý Năng lƣợng đƣợc
5 truyền đi thường ở dạng điện Trạm thu nhận sẽ xử lý năng lượng này để tạo ra ảnh dưới dạng hardcopy hoặc là số
6 Sự giải đoán và phân tích - ảnh đƣợc xử lý ở trạm thu nhận sẽ đƣợc giải đoán trực quan hoặc đƣợc phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tƣợng
7 Ứng dụng - đây là thành phần cuối cùng trong qui trình xử lý của công nghệ viễn thám Thông tin sau khi đƣợc tách ra từ ảnh có thể đƣợc ứng dụng để hiểu tốt hơn về ủối tƣợng, khỏm phỏ một vài thụng tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể (Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi, 2009)
Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám
1.1.3 Ưu điểm và lịch sử phát triển của công nghệ viễn thám
Công nghệ viễn thám là một phần quan trọng của công nghệ vũ trụ, đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và phổ biến tại các nước phát triển Công nghệ này đóng vai trò chủ đạo trong công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp quốc gia, khu vực và toàn cầu Nhờ khả năng ứng dụng ngày càng mở rộng và nâng cao, công nghệ viễn thám trở thành một công cụ thiết yếu trong quản lý và bảo vệ môi trường, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững.
Viễn thám là phương pháp thu nhận thông tin khách quan về bề mặt trái đất và các hiện tượng trong khí quyển thông qua các cảm biến (sensors) được sử dụng trên vệ tinh hoặc máy bay Công nghệ này giúp phân tích chính xác các đặc điểm địa lý, khí hậu và môi trường, hỗ trợ đưa ra các quyết định trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và nghiên cứu khí hậu Viễn thám đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát thay đổi của địa hình, phát hiện sự cố môi trường và hỗ trợ các hoạt động ứng phó khẩn cấp.
Công nghệ viễn thám được lắp đặt trên máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ hoặc trong phạm vi quỹ đạo, có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên và môi trường trên Trái Đất Nhờ chu kỳ quan trắc lặp lại và liên tục, công nghệ này giúp ghi lại các biến đổi của tài nguyên và môi trường một cách chính xác Điều này nâng cao hiệu quả trong công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên thiên nhiên và quản lý môi trường, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hành tinh chúng ta.
Phát triển công nghệ viễn thám trên thế giới và ở Việt Nam
Trong khoảng 30 năm gần đây, công nghệ vũ trụ đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ảnh số thu nhận từ vệ tinh trên quỹ đạo trái đất, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực viễn thám Tuy nhiên, thực tế, viễn thám có một lịch sử lâu đời với các hình ảnh chụp bằng phim truyền thống được sử dụng để nghiên cứu mặt đất từ thế kỷ 19 Sự tiến bộ của công nghệ đã giúp nâng cao độ chính xác và khả năng phân tích dữ liệu viễn thám, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng nông nghiệp, môi trường, quản lý đô thị và phòng chống thiên tai.
Năm 1839, Louis Daguere (1789-1881) đã công bố báo cáo về thí nghiệm hóa ảnh của mình, mở đầu cho ngành nhiếp ảnh Từ năm 1858, ảnh chụp bằng khinh khí cầu bắt đầu được sử dụng để ghi lại các bề mặt trái đất Bức ảnh chụp đầu tiên về Trái đất từ khinh khí cầu là hình ảnh vùng Boston do James Wallace Black chụp năm 1860, mở ra kỷ nguyên mới trong nhiếp ảnh vệ tinh và khảo cổ học.
Giai đoạn phát triển ngành chụp ảnh từ xa bắt đầu với sự ra đời của ngành hàng không, mở ra cơ hội chồng phủ, chỉnh lý và chiết xuất thông tin từ ảnh nổi Lần đầu tiên trong lịch sử, vào năm 1910, Wilbur Wright đã thực hiện chuyến chụp ảnh di động từ trên không ở gần Centoceli, Italia, mở đường cho kỹ thuật chụp ảnh từ máy bay sau này.
Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914-1918) là bước ngoặt quan trọng trong lịch sử nhiếp ảnh quân sự, khi việc chụp ảnh từ máy bay bắt đầu được sử dụng để phục vụ các mục đích chiến tranh Sau chiến tranh, các loại máy chụp ảnh quân sự đã được thiết kế và phát triển với nhiều công nghệ tiên tiến, góp phần nâng cao khả năng quan sát và phân tích tình hình chiến trường.
Kỹ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển mạnh mẽ, góp phần hình thành ngành khoa học mới mang tên đo đạc ảnh, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu và công nghiệp.
Trong Chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1945), ảnh đã được sử dụng chủ yếu để phục vụ mục đích quân sự, đặc biệt là trong phát hiện và chiến tranh điện tử Trong thời kỳ này, ảnh RADAR và ảnh phổ hồng ngoại được ứng dụng song song để nâng cao khả năng nhận diện mục tiêu Ảnh chụp trên kênh phổ hồng ngoại giúp chiết lọc thông tin chính xác hơn, tăng hiệu quả quân sự Ngoài ra, ảnh màu chụp bằng máy ảnh đã được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh để cải thiện khả năng nhận biết hình ảnh và mục tiêu.
Cuộc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy sự phát triển của nghiên cứu trái đất bằng công nghệ viễn thám hiện đại Các trung tâm nghiên cứu trái đất bằng công nghệ này như ESA của châu Âu và NASA của Mỹ đã ra đời và đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực Bên cạnh đó, các quốc gia như Canada, Nhật Bản, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc cũng phát triển các chương trình nghiên cứu trái đất qua viễn thám, góp phần nâng cao hiểu biết về hành tinh chúng ta.
Bức ảnh đầu tiên từ vũ trụ chụp về trái đất do Explorrer-6 cung cấp vào năm 1959 đánh dấu bước đầu trong việc quan sát hành tinh từ không gian Chương trình vũ trụ Mercury (1960) giúp sản xuất các ảnh chụp từ quỹ đạo chất lượng cao, với ảnh màu kích thước 70 mm từ các máy tự động Vệ tinh khí tượng đầu tiên, TIOS-1, được phóng lên quỹ đạo trái đất vào năm 1960, mở ra kỷ nguyên dự báo khí tượng từ vũ trụ Hệ thống ảnh chụp từ vệ tinh NOAA của Cơ quan Quản lý Đại dương và Khí quyển (NOAA) đã được sử dụng từ sau năm 1972, góp phần nghiên cứu khí tượng trái đất toàn diện và cung cấp dữ liệu cập nhật hàng ngày.
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với tiến bộ trong công nghệ vũ trụ phục vụ nghiên cứu Trái đất và vũ trụ Các ảnh chụp nổi stereo theo phương đứng và xiên của GEMINI (1965) đã chứng minh ưu thế trong việc nghiên cứu Trái đất bằng ảnh chụp vệ tinh Tiếp theo, tàu Apollo đã tạo ra các hình ảnh nổi và đa phổ kích thước 70 mm, mở rộng khả năng quan sát từ vũ trụ Ngành hàng không vũ trụ của Liên Xô cũ và Nga hiện nay đóng góp tích cực vào nghiên cứu Trái đất qua các tàu vũ trụ có người lái như Soyuz, cùng các nền tảng như tàu Meteor, Cosmos và trạm “Salyut”.
Các sản phẩm thu được bao gồm hình ảnh chụp từ các thiết bị quét đa phổ phân dải cao như MSU_E, giúp phân tích dữ liệu với độ chính xác cao Ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos trên 5 kênh phổ khác nhau có kích thước 18x18 cm cung cấp cái nhìn toàn diện về khu vực nghiên cứu Ngoài ra, các hình ảnh từ thiết bị chụp KATE-140 và MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut thu được trong dải phổ từ 0.40 đến 0.89 micromet, với độ phân giải mặt đất đạt 20x20 mét, nâng cao khả năng phân tích và đánh giá các đối tượng trên mặt đất.
Vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS-1 (Earth Resourcer Technology Satellite), phóng vào năm 1972, đánh dấu bước ngoặt trong công nghệ quan sát trái đất Sau đó, vệ tinh này đổi tên thành Landsat 1, mở đầu cho các lớp vệ tinh Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4 và Landsat 5, phục vụ các nghiên cứu môi trường và địa lý đa dạng ERTS-1 trang bị bộ cảm MSS (multispectral scanner) gồm bốn kênh phổ khác nhau và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phù hợp để quan sát các hoạt động trái đất từ nhiều góc độ Ngoài Landsat 2 và 3, các vệ tinh như SKYLAB (1973) và HCMM (1978) đã góp phần mở rộng khả năng theo dõi trái đất từ không gian Từ năm 1982 trở đi, các ảnh chuyên đề từ Landsat TM 4 và Landsat TM 5 với bảy kênh phổ, từ quang học tới hồng ngoại nhiệt, cho phép nghiên cứu chi tiết về đất đai, khí hậu và môi trường Đồng thời, vệ tinh Pháp SPOT cũng ra đời, nâng cao khả năng quan sát trái đất từ không gian với các ảnh đa phổ chất lượng cao.
Năm 1986, đã ra mắt sản phẩm ảnh số gồm hai kiểu ảnh đơn kênh với độ phân giải không gian 10x10 mét và ảnh đa kênh SPOT-XS với ba kênh (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy và một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20x20 mét Đặc tính nổi bật của ảnh vệ tinh SPOT là khả năng cung cấp các cặp ảnh nổi Stereo, giúp tạo ra ảnh nổi ba chiều Điều này rất hữu ích trong nghiên cứu bề mặt trái đất, đặc biệt là trong phân tích địa hình.
Các ảnh vệ tinh của Nhật nhƣ MOS-1 phục vụ cho quan sát biển (Marine
Observation Satellite) và các ảnh chụp từ các vệ tinh của Ấn Độ I-1A tạo ra các ảnh vệ tinh nhƣ LISS thuộc nhiều hệ khác nhau
Trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám, sự phát triển nhanh chóng nhờ việc ứng dụng công nghệ mới với ảnh RADAR Công nghệ RADAR cho phép thu nhận ảnh từ xa bằng cách phát sóng siêu tần số dài và thu tia phản hồi, giúp thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như mây Sóng RADAR có khả năng xuyên qua mây, đất mỏng và là nguồn sóng nhân tạo, mở ra nhiều cơ hội mới trong khảo sát và phân tích trái đất.
9 nên có thể hoạt động cả ngày và đêm, không chịu ảnh hưởng của năng lượng mặt trời
Ảnh vệ tinh IKONOS của Mỹ mới đây đã nổi bật với độ phân giải cực kỳ cao so với các loại ảnh vệ tinh trước đây Hiện tại, ảnh IKONOS có độ phân giải đạt 1 mét, dự kiến sẽ nâng lên 0,5 mét trong thời gian tới, góp phần cung cấp hình ảnh Chính xác hơn cho các mục đích phân tích không gian Các ảnh IKONOS phù hợp để cập nhật và hiệu chỉnh các bản đồ tỷ lệ trung bình cũng như tạo bản đồ ảnh về hiện trạng sử dụng đất, hỗ trợ rất hiệu quả cho công tác quản lý và quy hoạch đất đai.
Bảng 1.1 Giai đoạn phát triển của viễn thám
Thời gian (năm) Sự kiện
1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại
1839 Bắt đầu phát minh kĩ thuật chụp ảnh hồng ngoại đen trắng
1847 Phát hiện cả dải hồng ngoại và phổ nhìn thấy
1850 – 1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu
1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ
1909 Chụp ảnh từ máy bay
1910 – 1920 Giải đoán từ không trung
1920 – 1930 Phát hiện ngành chụp và đo ảnh hàng không
1930 – 1940 Phát triển kĩ thuật radar (Đức, Mỹ,Anh)
1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay
1950 Xác định giải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn tháy
1950 – 1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
12/4/1961 Liên xô phóng tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ
1960 – 1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám
1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat – 1
1970 – 1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số
1980 – 1990 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat
1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ phân giải bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới
Nguồn: Nguyễn Khắc Thời và cộng sự (2007)
Từ khi viễn thám lần đầu tiên đƣợc sử dụng vào những năm 70 của thế kỉ
Các nước đang phát triển là đối tượng chính được quan sát bằng công nghệ này, vì nền kinh tế của họ chủ yếu dựa vào khai thác tài nguyên thiên nhiên Các bản đồ và dữ liệu sẵn có tại các quốc gia này thường không chính xác hoặc lỗi thời, do yêu cầu về độ chính xác thấp hơn so với các nước công nghiệp hóa, và phù hợp với dữ liệu của vệ tinh thế hệ đầu tiên Trong bối cảnh biến đổi môi trường diễn ra nhanh chóng, cần có các dịch vụ quan trắc đầy đủ để đáp ứng nhu cầu quốc tế, đặc biệt trong làn sóng toàn cầu hóa ngày nay.
Tổng quan về ảnh đa thời gian (ảnh Landsat)
Vệ tinh Landsat là hệ thống vệ tinh chuyên dụng用于 thăm dò tài nguyên Trái Đất, ban đầu được gọi là ERTS (Earth Resource Technology Satellite) – kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái Đất Đây là hệ thống vệ tinh mang tính chất quốc tế, góp phần quan trọng trong việc quan sát và phân tích tài nguyên tự nhiên của hành tinh chúng ta.
Có 8 vệ tinh trong chương trình này Và hiện nay là Landsat 8
Các thế hệ ảnh Landsat đã có những cải thiện rõ rệt về chất lượng và độ phân giải sắc nét hơn so với các thế hệ trước Trong nghiên cứu này, đề tài sử dụng ảnh Landsat 5, 7 và 8 để đảm bảo dữ liệu có độ phân giải cao và chính xác, phục vụ cho các phân tích chuyên sâu.
Landsat 8, vệ tinh thế hệ thứ 8 của Mỹ, đã được phóng thành công lên quỹ đạo vào ngày 11/02/2013 với tên gọi ban đầu là Landsat Data Continuity Mission (LDCM) Dự án này là sự hợp tác giữa NASA và Cơ quan Địa chất Mỹ, nhằm duy trì liên tục dữ liệu hình ảnh vệ tinh cho các nghiên cứu về trái đất Landsat 8 tiếp tục cung cấp các hình ảnh có độ phân giải trung bình từ 15 đến 100 mét, phủ sóng rộng khắp các vùng cực và đa dạng các loại địa hình trên trái đất.
Landsat 8 đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu chính xác để quản lý năng lượng, nguồn nước, và theo dõi rừng hiệu quả Dữ liệu từ Landsat 8 giúp giám sát tài nguyên môi trường, hỗ trợ quy hoạch đô thị, cũng như ứng phó và khắc phục thảm họa Ngoài ra, đây còn là công cụ đắc lực trong lĩnh vực nông nghiệp, nâng cao hiệu quả các hoạt động sản xuất và phát triển bền vững.
Landsat 8 (LDCM) mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor) Những bộ cảm này đƣợc thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài xem chi tiết ở Bảng 1.2 Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt Trái Đất theo mùa ở độ phân giải không gian 30 mét (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, và hồng ngoại sóng ngắn); 100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc Dải quét của LDCM giới hạn trong khoảng 185 km x 180 km Độ cao vệ tinh đạt 705 km so với bề mặt trái đất Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, Kênh 1 dùng để quan trắc biến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh
Bộ cảm biến 9 dùng để phát hiện các mật độ đám mây dày, mỏng có ý nghĩa quan trọng trong khí tượng học Trong khi đó, bộ cảm TIRS thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt sóng dài (kênh 10 và 11) để đo tốc độ bốc hơi nước và nhiệt độ bề mặt Các bộ cảm OLI và TIRS đã được thiết kế cải tiến nhằm giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), giúp nâng cao chất lượng dữ liệu thu thập Nhờ đó, lượng tử hóa dữ liệu đạt 12 bit, góp phần cải thiện rõ rệt chất lượng hình ảnh so với các phiên bản trước.
Bảng 1.2 Bảng đặc trƣng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8
Vệ tinh Kênh Bước sóng
11.5 – 12.5 100 Đồ thị phân bố các kênh phổ trên dải sóng điện từ của ảnh vệ tinh Landsat
7 và 8 được thể hiện dưới Hình 1.2
Hình 1.2 Đồ thị phân bố các kênh phổ trên dải sóng điện từ của ảnh vệ tinh
Các thông số kỹ thuật của sản phẩm ảnh vệ tinh Landsat 8 nhƣ sau:
Loại sản phẩm: đã đƣợc xử lý ở mức 1T nghĩa là đã cải chính biến dạng do chênh cao địa hình ( mức trực ảnh Ỏthophoto)
Kích thước Pixel : 15m/30m/100m tương ứng ảnh Đen trắng Pan/Đa phổ/Nhiệt
Phép chiếu bản đồ UTM
Định hướng: theo hướng Bắc của bản đồ
Phương pháp lấy mẫu: hàm bậc 3
Bộ cảm OLI đạt độ chính xác cao với sai số 12m theo tiêu chuẩn CE và mức độ tin cậy lên tới 90%, giúp đảm bảo dữ liệu vị trí chính xác và tin cậy cho các ứng dụng Trong khi đó, bộ cảm TIRs có độ chính xác ở mức 41m theo tiêu chuẩn CE với độ tin cậy 90%, phù hợp cho các mục đích cần độ chính xác trung bình Cả hai loại cảm biến đều đáp ứng các tiêu chuẩn CE, mang lại sự an tâm về chất lượng và độ bền trong sử dụng.
Dữ liệu ảnh có độ phân giải 16 bit pixel, được tải xuống dưới dạng file nén định dạng tar.gz Kích thước của file nén khoảng 1 GB, trong khi đó, khi không nén, dung lượng file lên tới khoảng 2 GB.
Landsat 8 thu nhận xấp xỉ 400 cảnh/ngày,tăng 250 cảnh/ngày so với Landsat 7 Thời gian hoạt động của vệ tinh thiết kế là 5,25 năm nhƣng nó đƣợc
Landsat 8 cung cấp đủ năng lượng để duy trì hoạt động trong vòng 10 năm, đảm bảo khả năng giám sát liên tục và bền vững So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ dải quét, độ phân giải hình ảnh và chu kỳ lặp lại 16 ngày, phù hợp cho các dự án quan sát đất đai và môi trường dài hạn Hiện nay, các ảnh vệ tinh Landsat 8 hoàn toàn có thể được khai thác miễn phí từ internet qua website chính thức tại https://earthexplorer.usgs.gov/, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà nghiên cứu và nhà phân tích dữ liệu.
Ứng dụng chỉ số thực vật trong nghiên cứu lớp phủ
Biến đổi lớp phủ thực vật là vấn đề môi trường toàn cầu, thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới Những thay đổi này ảnh hưởng lớn đến đa dạng sinh học và cân bằng hệ sinh thái toàn cầu Hiểu rõ về quá trình biến đổi lớp phủ thực vật giúp chúng ta có thể đưa ra các giải pháp bảo vệ môi trường hiệu quả hơn Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào đánh giá tác động của biến đổi thực vật để duy trì sự bền vững của hệ sinh thái.
Sau năm 1972, nhiều quốc gia đã bắt đầu thử nghiệm và sử dụng công nghệ vệ tinh Landsat để lập bản đồ rừng và thực hiện hoạt động quan trắc môi trường Tại Hội nghị về quan sát rừng trên thế giới (World Forest Watch) tổ chức tại Brazil năm 1992, các nhà khoa học đã đánh giá cao vai trò của viễn thám trong giám sát rừng, nhấn mạnh rằng công nghệ này là bước tiến quan trọng đáp ứng cả nhu cầu khoa học lẫn yêu cầu quản lý lớp phủ rừng ở các quốc gia.
Dự án TREES (The Tropical Ecosystem Environment Observations by Satellites), do Ủy ban Châu Âu hỗ trợ và Viện Ứng dụng Không gian thuộc Trung tâm Nghiên cứu Hội nhập Ý thực hiện từ năm 1993, là ví dụ minh chứng cho tính khả thi của công nghệ quan sát không gian trong việc theo dõi lớp phủ mặt đất và đặc điểm sinh khối Dự án sử dụng nhiều cảm biến khác nhau để quan trắc lớp phủ rừng, đồng thời tập trung vào sử dụng các kênh nhiệt để phát hiện cháy rừng và kết hợp các chỉ tiêu khác nhằm phát hiện việc phá rừng hiệu quả.
Dự án lớn nhất gần đây liên quan đến biến đổi sử dụng đất và lớp phủ đất (LUCC) đã được triển khai từ năm 1993 đến 2005 tại các khu vực nghiên cứu chính ở Thái Lan, Malaysia, Indonesia và Philippines Mục tiêu của dự án là nghiên cứu sâu về các thay đổi sử dụng đất và ảnh hưởng của chúng đến môi trường, góp phần nâng cao hiểu biết về quá trình chuyển đổi này ở khu vực Đông Nam Á.
Bài viết trình bày 15 phương thức biến đổi sử dụng đất và lớp phủ khác nhau, phù hợp với các quy mô không gian đa dạng từ toàn cầu đến vùng địa phương Các phương thức này giúp hiểu rõ tác động của biến đổi đất đai đối với môi trường và phát triển bền vững Việc phân tích các quy mô khác nhau này cung cấp cái nhìn toàn diện về xu hướng và ảnh hưởng của biến đổi sử dụng đất Nghiên cứu tập trung vào các chiến lược quản lý đất đai phù hợp với từng cấp độ để thúc đẩy sự phát triển bền vững Điều này góp phần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của biến đổi sử dụng đất trong hoạch định chính sách và bảo vệ môi trường.
Nghiên cứu của Meyer cho thấy sự liên hệ chặt chẽ giữa sử dụng đất và che phủ thực vật, khi những thay đổi trong loại hình sử dụng đất hay che phủ thực vật ảnh hưởng trực tiếp đến chất đất và ngược lại Các biến đổi lớn về thực phủ còn tác động đến đa dạng sinh học, nguồn nước, bức xạ, từ đó góp phần vào quá trình nóng lên toàn cầu.
Công trình nghiên cứu của Sangavongse sử dụng ảnh Landsat TM để nghiên cứu biến động thực phủ tại thành phố Chiang Mai, Thái Lan giai đoạn
Trong khoảng thời gian từ 1988 đến 1991, nghiên cứu của Sangavongse (1995) đã chỉ ra rằng phương pháp phân loại có kiểm định đem lại độ chính xác cao hơn so với các phương pháp khác, đặc biệt khi sử dụng mẫu thực địa có kích thước đủ lớn, góp phần nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng phân loại dữ liệu không gian.
Nghiên cứu của Alrabah và Alhamad đã sử dụng ảnh đa phổ để phân tích thực phủ ven biển địa Trung Hải rộng 250.000 ha, nhấn mạnh vai trò của phân tích đa biến trong giảm thiểu sai số trong quá trình phân tích mẫu và lớp ảnh Phương pháp này đã giúp giảm lỗi lên đến 9% so với các phương pháp truyền thống, nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu (Alrabah and Alhamad, 2006).
Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu về phân tích đa phổ thời gian trong phân tích ảnh viễn thám Landsat ETM+ tại tỉnh Quảng Châu Nghiên cứu này đã kết hợp dữ liệu từ ảnh Landsat TM và Landsat ETM+ để theo dõi chính xác biến đổi của 7 loại lớp phủ đất với độ chính xác trên 89% Kết quả cho thấy hệ số Kappa trung bình đạt 0,79, cho thấy mức độ đồng thuận cao trong quá trình phân loại và phân tích thay đổi đất đai (Fan et al.).
Nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này đã được thực hiện tại các vùng ôn đới, nhiệt đới và á nhiệt đới, như các công trình của Turner II (1992), Turner II và Meyer (1994), Geist và Lambin (2001), Becker và Bugman (2001) Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế về hiểu biết đối với vấn đề sử dụng đất, đặc biệt ở các nước đang phát triển tại vùng nhiệt đới, gây trở ngại cho quá trình quản lý và phát triển bền vững đất đai.
Trong những năm gần đây, các nhà chuyên môn từ các trường đại học, viện nghiên cứu đã nỗ lực phát triển các phương pháp phân tích ảnh vệ tinh khác nhau, đặc biệt là phân loại phủ thực vật nhằm khai thác tối đa thông tin và tạo ra bản đồ thực phủ tự động, chính xác cao để hỗ trợ quan trắc, đánh giá và quản lý môi trường Một số nghiên cứu trong nước và quốc tế đã chỉ ra tiềm năng của phương pháp này, mặc dù tại Việt Nam các nghiên cứu vẫn còn hạn chế, như Nguyễn Văn Khang và Nguyễn Thanh Hùng đã chứng minh rằng ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình 30x30m có thể phân biệt được khoảng 20 loại thực phủ, chủ yếu là đất nông nghiệp, nhưng kết quả phụ thuộc lớn vào kiến thức và hiểu biết của người nghiên cứu cùng độ phân giải của ảnh Để khắc phục hạn chế về độ phân giải, nghiên cứu này sẽ tập trung xử lý ảnh thông qua kỹ thuật tích hợp liên hợp ảnh nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả của quá trình phân loại thực phủ.
Nguyễn Huy Anh và Đinh Thanh Kiên đã ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất khu vực Chân Mây, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế Nghiên cứu phân loại các lớp phủ mặt đất thành hai nhóm chính: lớp phủ nhân tạo và lớp phủ tự nhiên, giúp hiểu rõ hơn về hiện trạng sử dụng đất và phân bố các loại lớp phủ trong khu vực Phương pháp này góp phần nâng cao khả năng quản lý và quy hoạch đất đai, đồng thời cung cấp dữ liệu quan trọng cho các hoạt động phát triển bền vững tại tỉnh Thừa Thiên Huế.
Vũ Hữu Long đã sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS để phân loại ảnh và giám sát lớp phủ thực vật Nghiên cứu tập trung vào mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và theo dõi biến động lớp phủ tại vùng đồng bằng sông Hồng trong giai đoạn nhất định Phương pháp này giúp đánh giá hiệu quả tác động của các hoạt động nông nghiệp và quản lý tài nguyên thiên nhiên trong khu vực.
Từ bản đồ lớp phủ các năm 2008 và 2010, nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích biến động đất lớp phủ và xây dựng bản đồ lớp phủ Đồng bằng Sông Hồng dựa trên phương pháp hậu phân loại Dữ liệu ảnh MODIS đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về chất lượng để đánh giá hiện trạng và theo dõi sự thay đổi của khu vực một cách chính xác trên quy mô lớn (Vũ Hữu Long, 2011).
Hà Thúy Quỳnh trong bài viết “Sử dụng viễn thám để nghiên cứu sự biến động của lớp phủ rừng theo thời gian và các tác động của sự biến đổi đó tại VQG Tam Đảo” (2011) đã xây dựng cơ sở dữ liệu dạng bảng bằng cách chọn lọc, xử lý các thông tin liên quan Các bản đồ thành phần như bản đồ thảm thực vật và thủy văn được chuẩn hóa trên hệ tọa độ UTM theo lưới chiếu WGS84 để đảm bảo tính chính xác Bản đồ thảm thực vật thể hiện sự phân bố của sáu kiểu thảm chính gồm rừng tự nhiên giàu và trung bình (21,5%), rừng tự nhiên nghèo (55,3%), rừng trồng (2,4%), đất nông nghiệp (7,7%), đất thổ cư (2,4%) và cây bụi (10,4%).
Tổng quan chung về công nghiệp hóa và sự nóng lên toàn cầu, biến đổi khí hậu
Công nghiệp hóa là quá trình nâng cao tỷ trọng của ngành công nghiệp trong tổng thể các ngành kinh tế của vùng hoặc nền kinh tế Quá trình này thúc đẩy sự chuyển đổi kinh tế theo hướng phát triển công nghiệp mạnh mẽ hơn, tăng tỷ lệ lao động và giá trị gia tăng trong ngành công nghiệp Công nghiệp hóa góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững, nâng cao năng lực cạnh tranh và cải thiện đời sống người dân trong khu vực.
Trong quá trình xã hội chuyển đổi từ nền kinh tế dựa trên tư bản nhỏ bé sang nền kinh tế công nghiệp, công nghiệp hóa đóng vai trò trung tâm trong quá trình hiện đại hóa Quá trình này đi đôi với sự tiến bộ công nghệ, đặc biệt là phát triển sản xuất năng lượng và luyện kim quy mô lớn Công nghiệp hóa còn ảnh hưởng đến các hình thái triết học và thái độ trong nhận thức về tự nhiên, góp phần thúc đẩy sự thay đổi sâu sắc trong cộng đồng và tư duy xã hội.
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chính của Mặt trời phát ra, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình địa chất như phong hóa, bóc mòn, vận chuyển và bồi tụ trên Trái Đất, đồng thời là nguồn sáng và nhiệt cho các hành tinh trong hệ mặt trời Hiện tượng nóng lên toàn cầu đang diễn ra khi nhiệt độ trung bình của không khí và đại dương trên Trái Đất tăng lên, với nhiệt độ trung bình gần mặt đất đã tăng khoảng 0,6 ± 0,2 °C trong thế kỷ 20 Theo nghiên cứu của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC), sự gia tăng nồng độ khí nhà kính do các hoạt động của con người gây ra đang góp phần làm tăng nhiệt độ toàn cầu và ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và khí hậu trái đất.
Hoạt động của con người như đốt nhiên liệu hóa thạch và phá rừng đã thúc đẩy nhiệt độ Trái Đất tăng kể từ giữa thế kỷ 20 Theo IPCC, sự biến đổi của các hiện tượng tự nhiên như bức xạ mặt trời và hoạt động núi lửa đóng vai trò chính trong việc gây ra sự ấm lên từ thời kỳ tiền công nghiệp đến năm 1950, sau đó còn có ảnh hưởng làm lạnh đi Các kết luận này đã được xác thực bởi hơn 45 tổ chức khoa học và viện hàn lâm, trong đó có tất cả các viện hàn lâm của các quốc gia công nghiệp hàng đầu.
Hiện tượng ấm lên toàn cầu chủ yếu được chứng minh qua xu hướng tăng nhiệt độ trung bình trên toàn cầu gần bề mặt Trái Đất, với mức tăng 0,74 °C ±0,18 °C trong giai đoạn 1906-2005 Tốc độ ấm lên trong 50 năm gần đây đã gần như gấp đôi so với giai đoạn trước, ở mức 0,13 °C ±0,03 °C mỗi thập kỷ so với 0,07 °C ±0,02 °C mỗi thập kỷ trong những năm đầu Đảo nhiệt đô thị cũng đóng góp thêm khoảng 0,002 °C mỗi thập kỷ vào mức tăng nhiệt toàn cầu kể từ năm 1900 Nhiệt độ trong tầng đối lưu dưới đã tăng từ 0,12 đến 0,22 °C mỗi thập kỷ từ năm 1979 theo dữ liệu nhiệt độ từ vệ tinh Các nghiên cứu cho rằng nhiệt độ của trái đất khá ổn định trong một hoặc hai nghìn năm trước đó, trước khi bắt đầu ấm lên mạnh mẽ từ năm 1850, đồng thời có các dao động cục bộ như thời kỳ ấm trung cổ hay thời kỳ băng hà nhỏ. -Nắm bắt xu hướng ấm lên toàn cầu với nội dung chuẩn SEO giúp bạn lan tỏa thông điệp môi trường hiệu quả [Tìm hiểu thêm](https://pollinations.ai/redirect/draftalpha)
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự thay đổi trong trạng thái của hệ thống khí hậu, biểu hiện qua sự biến đổi trung bình và độ biến động của các thuộc tính khí hậu kéo dài hàng thập kỷ hoặc hơn Nói cách khác, BĐKH phản ánh sự chuyển đổi từ trạng thái cân bằng khí hậu này sang trạng thái cân bằng khác, ảnh hưởng đến điều kiện thời tiết trung bình và các biến động của nó trong khoảng thời gian dài.
Hiện nay, khái niệm “biến đổi khí hậu” đã trở nên phổ biến và không còn xa lạ với mọi người Tuy nhiên, nó đang được nhìn nhận như là một tiềm ẩn của nhiều nguy cơ nghiêm trọng, do các hậu quả tiêu cực mà hiện tượng này gây ra đối với môi trường và cuộc sống hàng ngày.
Sự tăng lên của nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tác động tiêu cực và ngày càng
Sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu và thay đổi trong phân bố năng lượng trên bề mặt Trái đất cùng bầu khí quyển đã gây ra biến đổi các hệ thống khí quyển và đại dương, dẫn đến các cực trị thời tiết và khí hậu thay đổi rõ rệt Nhiều bằng chứng cho thấy các thiên tai và hiện tượng cực đoan ngày càng xuất hiện nhiều hơn, xuất phát từ sự biến đổi bất thường của khí tượng và khí hậu toàn cầu Những thay đổi này ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên cũng như kinh tế – xã hội của các khu vực trên thế giới.
Sự nóng lên toàn cầu là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mực nước biển dâng do băng tan và nhiệt độ nước biển tăng, làm ngập vĩnh viễn nhiều vùng đất thấp và gia tăng xâm nhập mặn Các báo cáo của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) chỉ rõ rằng ảnh hưởng tiêu cực của biến đổi khí hậu ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn, với khí nhà kính đã vượt quá mức cao nhất trong 800.000 năm qua Nồng độ carbon dioxide (CO2) trong khí quyển đã tăng 40% kể từ thời kỳ tiền công nghiệp, chủ yếu do đốt nhiên liệu hóa thạch Các chuyên gia cảnh báo rằng tốc độ biến đổi khí hậu như hiện nay sẽ mang lại những hậu quả khốc liệt, bao gồm ảnh hưởng đến sức khỏe con người qua các dịch bệnh gia tăng, tình trạng thiếu nước ngọt do tan chảy các núi băng nhanh, các đợt hạn hán và thời tiết cực đoan ngày càng phổ biến, đe dọa đa dạng sinh học, cùng khả năng xảy ra chiến tranh và xung đột.
Ứng dụng ảnh Landsat trong nghiên cứu thảm che và nhiệt độ
Trên phạm vi toàn cầu, các nghiên cứu về sự biến động trong loại hình sử dụng đất đã được ứng dụng rộng rãi để phân tích, đánh giá và dự báo xu hướng phát triển của lĩnh vực này Trong đề tài “Remote sensing-based” của Bojorn Prenzel (2003), tác giả đã trình bày các cơ sở khoa học về phương pháp lựa chọn phù hợp nhằm theo dõi và phân tích biến động sử dụng đất một cách chính xác và hiệu quả Những nghiên cứu này góp phần nâng cao nhận thức về tác động của biến đổi sử dụng đất đến môi trường và kế hoạch phát triển bền vững.
Trong nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật và sử dụng đất dựa trên dữ liệu viễn thám, việc thu thập dữ liệu phù hợp và đáp ứng các tiêu chuẩn về không gian, độ phân giải phổ, cũng như điều kiện khí hậu như bóng mây hoặc sương mù là rất quan trọng Các phương pháp phân tích có thể dựa trên thuyết xác định hoặc dựa vào kinh nghiệm tùy thuộc vào từng trường hợp Nghiên cứu “Land Use/Land Cover Changes Detection And Urban Spread Analysis” của M Harika và cộng sự (2012) đã đánh giá sự biến động trong loại hình sử dụng đất tại các thành phố Vijayawada, Hyderabad và Visakhapatnam ở Đông Nam Ấn Độ, kết hợp phân tích ảnh viễn thám và chuỗi Markov để dự đoán các khu vực có khả năng biến đổi trong tương lai.
1.6.2 Tại Việt Nam Ở Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về lớp phủ mặt đất và biến động đất đô thị cũng đã được thực hiện và bước đầu mang lại những kết quả Như trong đề tài “ Thành lập bản đồ thảm thực vật trên cơ sở phân tích, xử lý ảnh viễn thám” tại Tủa Chùa – Lai Châu (Hoàng Xuân Thành,2006), tác giả đã dùng phương pháp phân loại có kiểm định đối với dữ liệu ảnh Landsat năm 2006 để phân ra 7 lớp thực phủ khác nhau với chỉ số Kappa ~ 0,7 Trong đề tài “ Ứng dụng ảnh viễn thám theo dõi biến động đất đô thị của thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An” (Nguyễn Ngọc Phi,2009) dùng phương pháp phân loại gần đúng nhất để phân loại ra 5 lớp đối tƣợng Điểm chú ý của đề tài này là sử dụng kết hợp nhiều ảnh viễn thám nhƣ Landsat (1992,2000) và SPOT (2005) để cho ra kết quả giải đoán, đồng thời có sự so sánh về độ chính xác, chi tiết giữa các loại ảnh Với chỉ số Kappa ~ 0,9, dữ liệu ảnh SPOT có độ chính xác sau phân loại cao hơn hẳn so với Landsat (Kappa ~ 0,7)
Giới thiệu phần mềm thống kê R
Phần mềm R là một công cụ mạnh mẽ dùng để phân tích thống kê và tạo đồ thị Đây là ngôn ngữ lập trình đa năng, phù hợp cho nhiều mục đích, từ các phép tính đơn giản, toán học vui nhộn, đến phân tích ma trận và các phân tích thống kê phức tạp Với khả năng mở rộng cao và tính linh hoạt, R trở thành lựa chọn hàng đầu cho các nhà nghiên cứu, nhà phân tích dữ liệu và ngành học liên quan.
Phần mềm R là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ, cho phép người dùng phát triển các ứng dụng phần mềm chuyên môn nhằm giải quyết các vấn đề tính toán cụ thể Với khả năng tùy biến cao, R giúp tối ưu hóa quá trình phân tích dữ liệu và xây dựng các công cụ phân tích chuyên sâu phù hợp với nhu cầu của từng lĩnh vực Nhờ đó, người dùng có thể phát triển các giải pháp phần mềm tùy chỉnh, nâng cao hiệu quả công việc và đáp ứng các yêu cầu phân tích phức tạp.
Phần mềm R đƣợc sử dụng khá rộng rãi vì có nhiều ƣu điểm nhƣ:
Bài viết đề cập đến việc sử dụng đa dạng các kỹ thuật thống kê, gồm có mô hình hóa tuyến tính và phi tuyến nhằm phân tích dữ liệu chính xác hơn Các phương pháp kiểm thử thống kê cổ điển và phân tích chuỗi thời gian giúp đánh giá xu hướng và dự báo hiệu quả Ngoài ra, nội dung còn bao gồm các kỹ thuật phân loại, phân nhóm và ứng dụng đồ họa để trực quan hóa kết quả nghiên cứu, đảm bảo tính toàn diện và chuyên sâu của phân tích dữ liệu.
Nền tảng đồ họa chất lượng cao giúp tạo ra các đồ thị và biểu tượng toán học rõ nét, phù hợp cho nhiều lĩnh vực phân tích thống kê và chiến lược khác nhau.
Có thể dùng làm một công cụ tính toán tổng quát
R có khả năng điều khiển dữ liệu và lưu trữ số liệu
Có thể sử dụng bảng băm và các biểu thức chính quy R cũng hỗ trợ lập trình hướng đối tượng …
Phần mềm R mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, phù hợp để người dùng tùy chỉnh theo mục đích sử dụng Trong nghiên cứu này, phần mềm R được sử dụng để đánh giá mối tương quan giữa nhiệt độ và thảm thực vật rừng tại Vườn quốc gia Cát Bà, thành phố Hải Phòng, nhằm cung cấp các phân tích chính xác và hiệu quả cho dự án nghiên cứu.
Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu
Sự biến đổi khí hậu toàn cầu là vấn đề được toàn thế giới quan tâm hàng đầu hiện nay Thay đổi của hệ thống khí hậu bao gồm khí quyển, thủy quyển, sinh quyển, thạch quyển, do nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo gây ra Những biến đổi này có thể thể hiện qua sự thay đổi khí hậu trung bình hoặc quanh mức trung bình, ảnh hưởng từ phạm vi nhỏ đến toàn cầu Nguy cơ do biến đổi khí hậu gây ra đang ngày càng rõ ràng, đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người và môi trường.
Sự biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng và gây ra những tác hại đáng kể đối với cuộc sống của chúng ta Nhận thức về vấn đề này là cực kỳ quan trọng nhằm hiểu rõ các thực trạng, nguyên nhân và hậu quả của biến đổi khí hậu Để giải quyết hiệu quả, cần thúc đẩy hành động thực tiễn và triển khai các giải pháp cụ thể, góp phần bảo vệ môi trường và cuộc sống của cộng đồng.
Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường hiện nay xuất phát từ ý thức và tính chủ quan của con người, chỉ tập trung vào lợi ích trước mắt mà chưa nhận thức đầy đủ về tác hại lớn của tương lai Trong bối cảnh quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa diễn ra mạnh mẽ, việc sử dụng nguồn năng lượng hóa chất độc hại và nguyên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ, khí đốt trở thành không thể thiếu, gây phát thải khí độc vào khí quyển, dẫn đến ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính khiến nhiệt độ Trái Đất ngày càng tăng Đồng thời, hoạt động chặt phá rừng tại các vùng đầu nguồn và vùng phòng hộ làm giảm diện tích rừng đáng kể, làm thay đổi khí hậu nghiêm trọng Luật pháp về bảo vệ môi trường vẫn còn chưa đủ mạnh để kiểm soát các hành vi vi phạm, dẫn đến tình trạng các doanh nghiệp thải nước thải công nghiệp chưa qua xử lý, rác thải y tế và sinh hoạt không phân hủy gây ô nhiễm nghiêm trọng Nhận thức của cộng đồng về tác động của ô nhiễm môi trường còn hạn chế, góp phần làm tình trạng ngày càng trầm trọng hơn.
Chúng ta cần thúc đẩy các giải pháp cấp bách và hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu Hiểu rõ nguyên nhân và nhận thức đúng đắn về lợi ích cũng như tác hại của biến đổi khí hậu là điều cần thiết để đưa ra các chiến lược phù hợp Trong các chính sách ứng phó, việc sử dụng rừng như một biện pháp hữu hiệu giúp giảm lượng khí nhà kính, góp phần làm giảm tác động của biến đổi khí hậu.
Nhóm các nhà nghiên cứu khí hậu từ Mỹ và Australia chỉ ra rằng các cánh rừng trên toàn cầu đang phản ứng mạnh mẽ với sự gia tăng nồng độ CO2 trong khí quyển Sự tăng trưởng của rừng đã thể hiện rõ sự thích nghi giúp hấp thụ lượng lớn khí nhà kính, góp phần làm giảm tác động của biến đổi khí hậu Các kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của rừng trong việc kiểm soát lượng khí CO2, đồng thời nhấn mạnh cần có các chiến lược bảo vệ và phục hồi rừng để ứng phó với các thách thức khí hậu toàn cầu.
Hệ sinh thái toàn cầu đang làm chậm lại tốc độ tích lũy CO₂ trong khí quyển, góp phần giảm tốc độ biến đổi khí hậu Theo Tiến sĩ Trevor Keenan, tác giả chính của nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Communications, sự trì hoãn này bắt nguồn từ những thay đổi trong khí quyển liên quan đến các loại khí nhà kính và quá trình tự nhiên của hệ sinh thái Ông Keenan, nhà nghiên cứu khí hậu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, cho biết rằng giai đoạn từ năm 2002 đến 2014 chứng kiến sự tạm ngừng trong tốc độ tăng trưởng của lượng CO₂ trong khí quyển, nhờ vào các yếu tố sinh thái toàn cầu Nhóm nghiên cứu của ông đã khai thác dữ liệu từ Dự án Carbon Toàn cầu, do nhà khoa học Pep Canadell đứng đầu, nhằm giải thích lý do vì sao nồng độ CO₂ tăng chậm lại vào đầu thế kỷ này, góp phần cải thiện dự báo về biến đổi khí hậu toàn cầu.
Sử dụng mô hình trên máy tính, dựa vào số đo vệ tinh đối với thảm thực vật và việc đo đạc lƣợng khí CO2 trong khí quyển, nhóm nghiên cứu đã rút ra kết luận: Việc tăng hàm lƣợng CO2 trong không khí đã thúc đẩy cây cối tăng cường quá trình quang hợp, các cây phát triển và hấp thụ CO 2 nhiều hơn, do đó tăng trưởng nhiều hơn, và cứ như vậy, hấp thụ nhiều CO 2 hơn Như vậy sự có mặt của thảm thực vật trên trái đất có mối tương quan chặt chẽ tới nhiệt độ của Trái Đất Đề tài nghiên cứu góp phần làm rõ mối tương quan giữa nhiệt độ và thảm thực vật Từ đó đƣa ra giải pháp phù hợp để ứng phó với bối cảnh biến đổi khí hậu toan cầu hiện nay
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu góp phần làm cơ sở khoa học đƣa ra các giải pháp thích ứng và giảm thiểu tác động của yếu tố nhiệt độ đến thảm thực vật rừng trong bối cảnh ảnh hưởng của biến đổi khí hậu
2.1.2 Mục tiêu cụ thể Để đạt được mục tiêu chung, đề tài hướng tới các mục tiêu cụ thể như sau: Đánh giá thực trạng biến đổi yếu tố nhiệt độ tại VQG Cát Bà Đánh giá mối quan hệ giữa sự thay đổi giá trị nhiệt độ với thảm thực vật rừng tại VQG Cát Bà
Dự báo tác động của nhiệt độ đến thảm thực vật rừng tại VQG Cát Bà.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là mối quan hệ giữa yếu tố nhiệt độ với thảm thực vật rừng
- Phạm vi không gian: Đề tài tập trung nghiên cứu tại VQG Cát Bà
- Phạm vi về thời gian: Đề tài tập trung đánh giá ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đến thảm thực vật rừng tại VQG Cát Bà giai đoạn 2002 – 2017.
Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu nghiên đề ra, đề tài thực hiên một số nội dung nghiên cứu nhƣ sau:
2.3.1 Nghiên cứu xây dựng bản đồ và đánh giá thực trạng biến đổi nhiệt độ tại VQG Cát Bà giai đoạn 2002- 2017
- Xây dựng bản đồ nhiệt độ từng năm tại VQG Cát Bà với tỷ lệ 1/100.000: 2002, 2009,2015,2017
- Đánh giá biến động nhiệt độ bề mặt giai đoạn 2002 – 2017
2.3.2 Nghiên cứu xây dựng bản đồ và đánh giá sự thay đổi thảm thực vật rừng tại VQG Cát Bà giai đoạn 2002- 2017
- Xây dựng bản đồ thảm thực vật từng năm tại VQG Cát Bà:2002, 2009,2015, 2017
- Xây dựng bản đồ biến động thảm thực vật theo các giai đoạn nghiên cứu: 2002-2009, 2009-2017
2.3.3 Nghiên cứu mối quan hệ giữa yếu tố nhiệt độ với thảm thực vật tại VQG Cát Bà
- Phân tích mối quan hệ giữa yếu tố nhiệt độ bề mặt với thảm thực vật
- Đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến thảm thực vật rừng tại khu vực nghiên cứu
2.3.4 Nghiên cứu đề xuất giải pháp bảo vệ và phát triển thảm thực vật rừng thích ứng với sự thay đổi của yếu tố nhiệt độ tại khu vực nghiên cứu
- Đề xuất giải pháp bảo vệ và phát triển thảm thực vật rừng tại VQG Cát Bà
- Đề xuất giải pháp thích ứng của thảm thực vật với sự thay đổi của yếu tố nhiệt độ
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp luận Đánh giá ảnh hưởng của một yếu tố là quá trình nhận dạng sự khác biệt về trạng thái của một đối tƣợng bằng cách quan sát chúng tại những thời điểm khác nhau Sử dụng ảnh vệ tinh để đánh giá biến động là đánh giá lớp phủ trên bề mặt đất về nền nhiệt độ bề mặt dựa trên sự thay đổi về giá trị bức xạ
Mọi vật thể trên bề mặt đất đều có tác dụng điện từ và liên tục phát ra sóng điện từ khi có nhiệt độ cao hơn không khí, đặc biệt là nhiệt bức xạ Thành phần cấu tạo của các vật thể khác nhau ảnh hưởng đến khả năng hấp thu và phát xạ sóng điện từ, trong đó các loại thảm thực vật cũng có đặc điểm hấp thu và phát xạ riêng biệt Nhờ dữ liệu viễn thám, chúng ta có thể xác định các đặc điểm quang phổ của các vật thể trên bề mặt đất một cách chính xác.
Bề mặt trái đất gồm 26 loại đặc trưng khác nhau, trong đó quang phổ thực vật là một trong những đặc điểm quang phổ quan trọng nhất trong viễn thám Những đặc trưng quang phổ này đóng vai trò nền tảng để xây dựng các chỉ số thực vật, giúp đánh giá biến động thảm thực vật và phục vụ công tác giám sát tài nguyên rừng cũng như môi trường một cách hiệu quả.
Các chỉ số thực vật được phân tách từ các băng cận hồng ngoại, hồng ngoại và dải đỏ là các tham số trung gian giúp xác định đặc tính của thảm thực vật như sinh khối, diện tích lá, khả năng quang hợp và sản lượng sinh khối theo mùa, phụ thuộc vào dạng thực vật phủ và điều kiện thời tiết Công nghệ gần đúng trong giám sát hệ sinh thái sử dụng các phương pháp nhận dạng chuẩn và so sánh để đánh giá đặc tính của chúng Các chỉ số mặt đất quan trọng bao gồm NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), RVI (Ratio Vegetation Index), DVI (Difference Vegetation Index), cùng với các chỉ số màu xanh, màu sáng và màu vàng của thực vật, cung cấp thông tin về tình trạng sinh trưởng và sức khỏe của thực vật.
Trong nghiên cứu này, chỉ số khác biệt thực vật NDVI được sử dụng để đánh giá chính xác trạng thái thảm thực vật rừng tại Vườn quốc gia Cát Bà Việc phân tích NDVI giúp xác định mức độ xanh tốt và sức khỏe của hệ sinh thái rừng, góp phần xây dựng các giải pháp bảo tồn hiệu quả Sử dụng chỉ số NDVI là phương pháp tiên tiến, mang lại dữ liệu khách quan và chính xác để đánh giá hiện trạng rừng quốc gia Cát Bà Nhờ đó, nghiên cứu giúp cung cấp các thông tin quan trọng phục vụ công tác quản lý và bảo vệ hệ sinh thái rừng trong khu vực.
The NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) is calculated using the formula: NDVI = (NIR - RED) / (NIR + RED) Here, NIR refers to the radiation value in the near-infrared wavelength, while RED corresponds to the radiation in the visible wavelength NDVI is a vital remote sensing index used to assess vegetation health and density by analyzing the difference between near-infrared and visible light reflectance This index provides valuable insights for environmental monitoring, agriculture, and land management.
NDVI là chỉ số khác biệt thực vật đã được chuẩn hóa dựa trên sự phản xạ khác nhau của thực vật giữa kênh phổ khả kiến và kênh phổ cận hồng ngoại Chỉ số này giúp xác định mức độ tập trung của thực vật trên mặt đất, với giá trị từ -1 đến +1 Khi giá trị NDVI cao, khu vực đó có độ che phủ thực vật tốt; ngược lại, giá trị thấp cho thấy vùng đó có ít thực vật hoặc rõ ràng hơn về tình trạng cây trồng NDVI được tính dựa trên dữ liệu từ các kênh hồng ngoại (BandIR) và đỏ (BandRed).
Chỉ số thực vật, đặc biệt là NDVI, là công cụ phổ biến dùng để xác định mật độ phân bố của thảm thực vật và đánh giá trạng thái sinh trưởng cũng như sự phát triển của cây trồng Giá trị NDVI âm cho thấy khu vực không có thực vật hoặc có độ che phủ thấp, như vùng đất trống hoặc nơi cây cối chưa phát triển mạnh Chỉ số này giúp các nhà nghiên cứu và nông dân dễ dàng nhận biết các vùng cần quan tâm để quản lý và phát triển cây trồng hiệu quả.
2.4.2.1 Nghiên cứu đánh giá thực trạng biến đổi nhiệt độ tại VQG Cát Bà giai đoạn 2002- 2017 Để nghiên cứu đánh giá thực trạng biến đổi nhiệt độ tại Vườn quốc gia Cát
Bà đề tài tiến hành:
Để xây dựng bản đồ nhiệt và đánh giá tác động của nhiệt độ đến các hệ sinh thái rừng, nghiên cứu đã thu thập dữ liệu ảnh viễn thám Landsat Các ảnh Landsat 5, 7 và 8, với độ phân giải 30x30m từ Vườn Quốc gia Cát Bà qua các năm, được sử dụng để phục vụ các mục tiêu nghiên cứu chính.
Bảng 2.1 Bảng dữ liệu ảnh Landsat để tài sử dụng
TT Mã ảnh Ngày chụp Độ phân giải (m)
Nguồn: https://earthexplorer.usgs.gov/
Điều tra khảo sát yếu tố nhiệt độ ngoài thực địa đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố nhiệt độ tại các kiểu rừng đặc trưng của Vườn Quốc Gia Việc này giúp xác định chính xác ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ sinh thái rừng, từ đó đưa ra các đánh giá toàn diện về mối quan hệ giữa nhiệt độ và sự phát triển của các loại rừng trong khu vực Phân tích nhiệt độ tại các vùng rừng đặc trưng cung cấp cơ sở khoa học để thúc đẩy các dự án bảo tồn và quản lý tài nguyên rừng hiệu quả hơn.
Xử lý số liệu bằng phần mềm ArcGIS để đánh giá giá trị phổ của các đối tƣợng trên các kênh ảnh thành lập bản đồ biến động nhiệt
Sơ đồ 2.1 Trình tự xử lý ảnh Landsat và xây dựng bản đồ nhiệt
Ảnh của đề tài được chụp bằng vệ tinh Landsat 5 từ năm 2000 đến ngày 21/12/2012, trước khi vệ tinh này ngừng hoạt động theo quyết định của Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) Do đó, các hình ảnh Landsat 5 trong giai đoạn này thường có chất lượng và đặc điểm phù hợp để phân tích, nhưng cũng có những hạn chế do tuổi thọ của thiết bị Việc sử dụng dữ liệu Landsat 5 giúp theo dõi biến đổi môi trường, đất đai và đất đai qua hơn một thập kỷ, góp phần quan trọng trong nghiên cứu và quản lý tài nguyên tự nhiên.
“sọc” ở viền ảnh “Sọc” này làm giá trị phổ của ảnh thay đổi, dẫn đến các giá trị nhƣ NDVI, NDVI, SAVI bị thay đổi, gây sai số
Với các ảnh Landsat 5 chụp trước năm 2000 đến 2012, không cần thiết phải cắt viền ảnh Để xử lý đường viền này, bạn chỉ cần cắt bỏ phần rìa của ảnh để đảm bảo chất lượng dữ liệu Các bước thực hiện gồm có xác định phần rìa cần cắt và tiến hành cắt đúng vị trí, giúp cải thiện độ chính xác trong phân tích hình ảnh Việc cắt viền ảnh là bước quan trọng để loại bỏ các nhiễu ảnh và đảm bảo kết quả phân tích rõ ràng, chính xác hơn.
Bước 1: Tạo shapefile dạng polygon
- Vào Arccatalog, tìm đến vị trí muốn lưu file polygon, chọn lệnh:
- Sau đó chọn định dạng là polygon, chọn hệ tọa độ cho polygon vừa tạo: WGS_1984_UTM_zone_48N
- Sau đó số hóa polygon sao cho Polygon cắt đi phần rìa ảnh
- Vào ArcToolbox\Data management tools\Raster\Raster processing\clip
Input Raster: Chọn band ảnh muốn cắt
Output Extel (optinnal): Chọn lớp ranh giới Polygon vừa tạo
Output Raster Dataset: Chọn đường dẫn lưu file và đặt tên file lưu
- Việc cắt ảnh này thì tiến hành với từng band ảnh, làm tương tự với các band ảnh khác
Bước 1: Xử lý dữ liệu ảnh
Cắt ảnh : Do khu vực nghiên cứu chỉ là một phần của tờ ảnh, nên cần phải cắt tách khu vực nghiên cứu ra khỏi tờ ảnh
Xử lý dữ liệu ảnh và gom nhóm kênh ảnh giúp người xử lý dễ dàng hơn trong việc phân tích và giải đoán ảnh Đặc biệt, phương pháp phân loại chỉ số thực vật NDVI là công cụ hiệu quả trong xử lý ảnh để đánh giá sức khỏe và tình trạng của cây trồng Việc cắt ảnh để tạo phạm vi nghiên cứu giúp tập trung vào đối tượng chính, loại bỏ các khu vực không cần thiết, từ đó giảm thời gian xử lý và nâng cao độ chính xác của kết quả phân tích.
Bước 2 : Phương pháp phân loại ảnh Landsat
Sử dụng phương pháp chỉ số thực vật NDVI để tiến hành xây dựng các bản đồ cần thiết
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index – Chỉ số khác biệt thực vật) phản ánh mức độ tập trung của thực vật dựa trên sự phản xạ khác nhau giữa kênh phổ khả kiến và cận hồng ngoại Chỉ số này giúp theo dõi sự phát triển của cây trồng và cảnh báo sớm tình trạng hạn hán Giá trị NDVI nằm trong khoảng từ -1 đến +1, trong đó giá trị cao cho thấy khu vực có độ che phủ thực vật tốt, còn giá trị thấp hoặc âm cho thấy ít hoặc không có thực vật NDVI sử dụng các băng tần hồng ngoại (BandIR) và đỏ (BandRed) để tính toán, là công cụ quan trọng trong giám sát môi trường và quản lý nông nghiệp.
NDVI đƣợc tính toán dựa trên công thức
NDVI = (NIR - RED)/(NIR + RED)
Với NIR là băng phổ cận hồng ngoại (Near Infraed)
R là băng phổ thuộc bước sóng màu đỏ
Sử dụng các biện pháp giải đoán ảnh bằng các tổ hợp màu cơ bản
