ứng dụng ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (gis) để xác định biến động đất đai trên địa bàn huyện bình xuyên, tỉnh vĩnh phúc giai đoạn 2005 - 2010

48 3.3.3 đánh giá ựộ chắnh xác của bản ựồ hiện trạng sử dụng một số loại ựất ựược xây dựng từ ảnh viễn thám với số liệu thu thập ựược.... Với khả năng cung cấp thông tin ña dạng và cập n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NễNG NGHIỆP HÀ NỘI

-

NGUYỄN ðỨC SƠN

ứng dụng ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để xác định biến động đất đai trên địa bàn HUYệN BìNH XUYÊN, TỉNH VĩNH PhúC giai đoạn 2005-2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ NễNG NGHIỆP

Chuyờn ngành: Quản lý ủất ủai

Mó số: 60.62.16

Người hướng dẫn khoa học: TS Lấ MINH TÁ

HÀ NỘI - 2011

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là kết quả nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 01 tháng 9 năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn ðức Sơn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Minh Tá, Trường ðại học

Mỏ - ðịa chất Hà Nội người ñã hướng dẫn, giúp ñỡ rất tận tình trong thời gian tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Viện Sau ñại học; Bộ môn Trắc ñịa bản ñồ và Hệ thống thông tin ñịa lý, Khoa Tài nguyên và Môi trường

ñã giảng dạy, ñóng góp ý kiến, tạo ñiều kiện cho tôi học tập và hoàn thành luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn UBND huyện Bình Xuyên, Sở Tài nguyên

và môi trường tỉnh Vĩnh Phúc ñã giúp ñỡ tôi trong quá trình thu thập số liệu

và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh ñạo Uỷ ban nhân dân thành phố Việt Trì nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện cho tôi học tập nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả người thân trong gia ñình và bạn bè ñã làm chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi học tập và công tác

Hà Nội, ngày 01 tháng 9 năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn ðức Sơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

1 MỞ ðẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Yêu cầu của đề tài 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Cơ sở viễn thám 3

2.1.1 Khái quát về viễn thám 3

2.1.3 Giải đốn ảnh viễn thám 12

2.1.4 Một số vệ tinh viễn thám hiện nay trên thế giới 18

2.2 Hệ thống thơng tin địa lý 24

2.2.1 Khái quát về hệ thống thơng tin địa lý 24

2.2.2 Các thành phần của GIS 25

2.2.3 Chức năng của GIS 30

2.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng trên thế giới và ở Việt Nam 33

2.3.1 Trên thế giới 33

2.3.2 Tại Việt Nam 33

2.4 Khái quát về biến động sử dụng đất 35

2.4.1 Những vấn đề chung về biến động sử dụng đất 35

2.4.2 Các phương pháp thành lập bản ựồ biến ựộng sử dụng ựất 37

2.4.3 So sánh các phương pháp thành lập bản ựồ biến ựộng 46

3 đỐI TƯỢNG, đỊA đIỂM, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 48

3.1 đối tượng nghiên cứu 48

3.2 địa ựiểm nghiên cứu 48

3.3 Nội dung nghiên cứu 48

3.3.1 Xây dựng khóa giải ựoán ảnh 48

3.3.2 Xây dựng bản ựồ hiện trạng sử dụng một số loại ựất huyện Bình Xuyên năm 2005 và năm 2010 dựa trên tư liệu ảnh SPOT tại hai thời ựiểm bay chụp năm 2005 và năm 2010 48

3.3.3 đánh giá ựộ chắnh xác của bản ựồ hiện trạng sử dụng một số loại ựất ựược xây dựng từ ảnh viễn thám với số liệu thu thập ựược 48

3.3.4 Sử dụng công nghệ GIS ựể xây dựng lập bản ựồ biến ựộng một số loại ựất huyện Bình Xuyên giai ựoạn 2005 Ờ 2010 và xác ựịnh biến ựộng một số loại ựất trên ựịa bàn nghiên cứu 48

3.4 Phương pháp nghiên cứu 48

3.4.1 Phương pháp chọn ựối tượng ảnh nghiên cứu 48

3.4.2 Phương pháp ựiều tra, thu thập số liệu sơ cấp và thứ cấp 49

3.4.3 Phương pháp kế thừa các tư liệu có sẵn 49

3.4.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu 49

3.4.5 Phương pháp ựiều tra, khảo sát thực tế cơ sở 49

3.4.6 Phương pháp giải ựoán ảnh bằng mắt và bằng xử lý số 49

3.4.6 Phương pháp trình bày bản ựồ bằng phần mềm Microsation 50

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 51

4.1 điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội 51

4.1.1 điều kiện tự nhiên 51

4.1.2 điều kiện kinh tế - xã hội 52

4.2 Hiện trạng sử dụng ựất 53

4.3 Thu thập dữ liệu 55

4.3.1 Dữ liệu viễn thám 55

4.3.2 Dữ liệu khác 57

4.4 Các bước xử lý ảnh 57

4.4.1 Nhập ảnh 57

4.4.2 Tăng cường chất lượng ảnh 57

4.4.3 Nắn chỉnh hình học và cắt ảnh theo ựịa giới hành chắnh 59

4.4.4 Xây dựng các khoá giải ựoán ảnh 74

4.4.5 Xây dựng bản ựồ hiện trạng sử dụng một số loại ựất năm 2005 và 2010 từ ảnh vệ tinh và các số liệu sẵn có 76

4.5 Xây dựng bản ựồ biến ựộng một số loại ựất giai ựoạn 2005 Ờ 2010 80

4.6 đánh giá ựộ chắnh xác kết quả thành lập bản ựồ bằng ảnh vệ tinh 85

5 KẾT LUẬN VÀ đỀ NGHỊ 89

5.1 Kết luận 89

5.2 đề nghị 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Bảng so sánh hai phương pháp giải đốn ảnh viễn thám 17

2.2 Các kênh phổ của MSS 19

2.3 Các thơng số kỹ thuật của bộ cảm TM 19

2.4 Các đặc tính của vệ tinh Quickbird 20

2.5 Các đặc tính của vệ tinh SPOT 24

4.1 Hiện trạng sử dụng đất huyện Bình Xuyên năm 2010 54

4.2 Các điểm khống chế dùng nắn ảnh 2005 64

4.3 Bảng sai số RMS sau khi nắn ảnh 2005 66

4.4 Các điểm khống chế dùng nắn ảnh 2010 theo ảnh năm 2005 71

4.5 Phân loại các loại hình sử dụng đất 74

4.6 Khĩa giải đốn ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu 75

4.7 Bảng thống kê diện tích một số loại đất huyện Bình Xuyên năm 2005… 77

4.8 Bảng thống kê diện tích một số loại đất năm 2010 78

4.9 Biến động các loại đất giai đoạn 2005 – 2010 81

4.10 So sánh diện tích một số loại đất năm 2005 và năm 2010 84

4.11 Chênh lệch giữa diện tích giải đốn ảnh và diện tích thống kê 86

DANH MỤC HÌNH

2.1 Nguyên lý viễn thám vệ tinh 3

2.2 Nguyên lý viễn thám vệ tinh quang học 3

2.3 ðặc tính phản xạ phổ của một số ñối tượng tự nhiên 6

2.4 ðặc tính phản xạ phổ của thực vật 7

2.5 ðặc tính hấp thụ của lá cây và của nước 7

2.6 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước 8

2.7 ðặc tính phản xạ phổ của một số loại ñất 9

2.8 ðặc tính phản xạ phổ của một số ñối tượng chính trong ñô thị 10

2.9 ðộ phân giải không gian 11

2.10 Dải bay của vệ tinh SPOT 21

2.11 Các thế hệ vệ tinh SPOT 22

2.12 Hoạt ñộng của hệ thống vệ tinh SPOT 23

2.13 Khả năng chụp lặp lại của vệ tinh SPOT 23

2.14 Một bản ñồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau 25

2.15 Các thành phần của GIS 26

2.16 Thành lập bản ñồ biến ñộng bằng phương pháp so sánh sau phân loại 37

2.17 Thành lập bản ñồ biến ñộng bằng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh ña thời gian 38

2.18 Véc tơ thay ñổi phổ 39

2.19 Thuật toán phân tích véc tơ thay ñổi phổ 39

2.20 Thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất bằng phương pháp mạng nhị phân 43

2.21 Thành lập bản ñồ biến ñộng bằng phương pháp cộng màu

trên một kênh ảnh 45

4.1 Biểu ñồ cơ cấu sử dụng ñất huyện Bình Xuyên năm 2010 55

4.2 Ảnh SPOT năm 2005 56

4.3 Ảnh SPOT năm 2010 56

4.4 Ảnh SPOT năm 2005 trước khi ñược nắn 61

4.5 Thực hiện nắn ảnh SPOT năm 2005 theo bản ñồ trên Envi 62

4.6 Lựa chọn thông số ñể nắn ảnh trên Envi 63

4.7 Bảng nhập toạ ñộ các ñiểm khống chế ñể nắn ảnh 63

4.8 Các ñiểm khống chế ñể nắn thể hiện trên ảnh 2005 65

4.9 Lựa chọn phương pháp tái chia mẫu 66

4.10 Ảnh năm 2005 ñược cắt theo ñịa giới hành chính huyện Bình Xuyên 68

4.11 Ảnh năm 2010 cần nắn và ảnh năm 2005 dùng ñể tham chiếu cùng ñược mở trên Envi 69

4.12 Phương pháp nắn ảnh theo ảnh 70

4.13 Lựa chọn ảnh tham chiếu và ảnh nắn 70

4.14 Bảng nhập toạ ñộ các ñiểm khống chế ñể nắn ảnh 71

4.15 Các ñiểm khống chế dùng nắn ảnh 2010 theo ảnh năm 2005 và sai số trung bình RSM của chúng 72

4.16 Ảnh năm 2010 ñược cắt theo ñịa giới hành chính huyện Bình Xuyên 73

1 MỞ ðẦU

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài

ðất nước ta ñang trên ñà phát triển, quá trình công nghiệp hoá, ñô thị hoá ñang diễn ra mạnh mẽ Nhu cầu chuyển mục ñích sử dụng ñất nông nghiệp sang ñất phi nông nghiệp ngày càng trở nên bức thiết Trước yêu cầu

ñó chúng ta cần phải phân bố quỹ ñất cho các ngành một cách hợp lý ñể ñảm bảo sử dụng ñất một cách tiết kiệm và có hiệu quả cao ñồng thời vẫn ñảm bảo

an ninh lương thực ðể công tác quản lý ñất ñai có hiệu quả thì việc xác ñịnh biến ñộng ñất ñai càng trở nên cấp thiết

Công tác ñánh giá biến ñộng sử dụng ñất dựa vào bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất theo chu kỳ 5 năm lập theo phương pháp truyền thống ñòi hỏi phải

có nhân lực, kinh phí và thời gian ðồng thời theo phương pháp này chưa có tính tự ñộng hoá và tính khái quát về biến ñộng sử dụng ñất Với khả năng cung cấp thông tin ña dạng và cập nhật của công nghệ viễn thám, khả năng tích hợp, phân tích thông tin của GIS kết hợp với phương pháp truyền thống thì việc nghiên cứu thành lập bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất, bản ñồ biến ñộng

sử dụng ñất sẽ ñạt hiệu quả cao hơn

Quá trình ñô thị hoá, công nghiệp hoá tại huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc diễn ra mạnh mẽ trong những năm gần ñây do vậy ñể ñáp ứng nhu cầu quản lý ñất ñai tại ñịa phương giúp các nhà quản lý ñưa ra quyết ñịnh nhanh chóng phù hợp với thực tế việc ứng dụng ảnh viễn thám kết hợp với công nghệ GIS ñể xác ñịnh biến ñộng ñất ñai tại ñịa phương là rất cần thiết

Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như tính cấp bách của việc xác ñịnh biến ñộng ñất ñai trên ñịa bàn huyện Bình Xuyên giai ñoạn 2005-2010 nhằm ñịnh hướng cho công tác quy hoạch phát triển kinh tế, xã hội của huyện trong giai ñoạn tiếp theo, tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài:

ỘỨng dụng ảnh viễn thám và hệ thống thông tin ựịa lý (GIS) ựể xác ựịnh biến ựộng ựất ựai trên ựịa bàn huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc giai ựoạn 2005 - 2010Ợ

1.2 Mục ựắch của ựề tài

- đánh giá biến ựộng ựất ựai trên cơ sở tắch hợp ảnh viễn thám và hệ thống thông tin ựịa lý (GIS)

1.3 Yêu cầu của ựề tài

- Trên cơ sở sử dụng ảnh vệ tinh SPOT xây dựng bản ựồ sử dụng ựất năm 2005 và năm 2010

- Nắm ựược tình hình quản lý và sử dụng ựất ựai trên ựịa bàn nghiên cứu giai ựoạn 2005-2010

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ựề tài

- Khẳng ựịnh tắnh ưu việt của việc sử dụng ảnh viễn thám và GIS trong công tác xác ựịnh biến ựộng ựất ựai cấp huyện

- đưa ra các quy trình kỹ thuật cụ thể ựể ựánh giá biến ựộng một số loại ựất của huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc

2 TỔNG QUAN

2.1 Cơ sở viễn thám

2.1.1 Khái quát về viễn thám

ðịnh nghĩa sau ñây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo ñó các ñặc tính ñối tượng quan tâm ñược nhận diện, ño ñạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với ñối tượng”.[7]

Hình 2.1 Nguyên lý viễn thám vệ tinh

Hệ thống viễn thám thường bao gồm bảy phần tử cĩ quan hệ chặt chẽ với nhau Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta cĩ:

Nguồn năng lượng Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm Cĩ loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, cĩ loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng Thơng tin viễn thám thu thập được là dựa vào năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận, nếu khơng cĩ nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng sẽ khơng cĩ năng lượng đi từ đối tượng đến thiết bị nhận

Những tia phát xạ và khí quyển Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng nên sẽ phải tương tác qua lại với vùng khí quyển nơi năng lượng

đi qua Sự tương tác này cĩ thể lặp lại ở một vị trí khơng gian nào đĩ vì năng lượng cịn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm

Sự tương tác với đối tượng Một khi được truyền qua khơng khí đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tuỳ thuộc vào đặc điểm của cả đối tượng và sĩng điện từ Sự tương tác này cĩ thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần cĩ một bộ cảm từ xa để tập hợp lại

và thu nhận sĩng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thơng tin về đối tượng

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận-

xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh Ảnh này chính là dữ liệu thơ

Giải đốn và phân tích ảnh Ảnh thơ sẽ được xử lý để cĩ thể sử dụng được ðể lấy được thơng tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào Cơng đoạn để cĩ thể “nhận biết” này gọi là giải đốn ảnh Ảnh được giải đốn bằng một hoặc kết hợp

nhiều phương pháp Các phương pháp này là giải đốn thủ cơng bằng mắt, giải đốn bằng kỹ thuật số hay các cơng cụ điện tử để lấy được thơng tin về các đối tượng của khu vực đã chụp ảnh

Ứng dụng ðây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thơng tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn

về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thơng tin mới, kiểm nghiệm những thơng tin đã cĩ nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể

2.1.2 Thơng tin trên ảnh viễn thám

Thơng tin trên ảnh viễn thám cĩ được về các đối tượng nhờ vào quá trình “chụp ảnh” vệ tinh mà thực chất là quá trình thu nhận năng lượng sĩng điện từ phản xạ hoặc phát xạ từ vật thể Thơng tin cĩ được về đối tượng trong quá trình này chính là nhờ sự khác biệt của phản ứng với sĩng điện từ của các đối tượng khác nhau (phản xạ, hấp thụ hay phân tách sĩng điện từ)

Năng lượng sĩng phản xạ từ đối tượng bao gồm hai phần:

- Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng

- Năng lượng tán xạ bởi cấu trúc bề mặt đối tượng

Năng lượng phản xạ trực tiếp khơng phụ thuộc vào bản chất của đối tượng

mà chỉ phụ thuộc vào đặc tính bề mặt: độ gồ ghề, hướng, của đối tượng

Năng lượng tán xạ là kết quả của một quá trình tương tác giữa bức xạ với bề dày của đối tượng mà bức xạ đĩ cĩ khả năng xuyên tới Năng lượng này phụ thuộc vào cấu trúc, bản chất và trạng thái của đối tượng ðây là nguồn năng lượng mang thơng tin giúp ta cĩ thể nhận biết được các đối tượng

và trạng thái của chúng

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sĩng điện

từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Phổ phản xạ là thơng tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng ðối với mỗi vật trong tự nhiên cĩ đặc tính phản xạ phổ điện từ

thể phõn tớch, so sỏnh và nhận diện cỏc ủối tượng trờn bề mặt Cỏc ủối tượng chủ yếu trờn mặt ủất bao gồm: lớp phủ thực vật, nước, ủất hay cỏt, ủỏ cụng trỡnh xõy dựng Mỗi loại này cú phản xạ khỏc nhau với súng ủiện từ tại cỏc bước súng khỏc nhau

Hỡnh 2.3.ðặc tớnh phản xạ phổ của một số ủối tượng tự nhiờn

ðõy là hỡnh biểu diễn ủường cong phản xạ phổ của cỏc loại lớp phủ mặt ủất (thực vật, ủất và nước), chỳng cú tớnh chất khỏi quỏt việc phản xạ phổ của

ba loại lớp phủ chủ yếu Trờn thực tế, cỏc loại thực vật, ủất và nước khỏc nhau

sẽ cú cỏc ủường cong phản xạ phổ khỏc nhau Sự khỏc nhau này chủ yếu ủược thể hiện ở ủộ lớn của phần trăm phản xạ, song hỡnh dạng tương ủối của ủường cong ớt khi cú sự thay ủổi

Thực vật: Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước sóng Trên đồ thị (hình 2.4) thể hiện đường đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng phản xạ phổ chính

là lượng chlorophyll (diệp lục), ñộ dày tán lá và cấu trúc tán lá

Nước: Cũng như trên, khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước Khả năng phản xạ phổ ở đây còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy

để nhận biết

Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại (hình 2.6) do vậy, năng lượng phản xạ rất ít Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta khả năng đoán

đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ ở dải sóng nhìn thấy khả năng phản xạ phổ của nước tương đối phức tạp Phương trình cân bằng năng lượng và nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng nhìn thấy:

λ(à)

Hỡnh 2.6 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước

éất: Đường đặc trưng phản xạ phổ của đa số thổ nhưỡng không phức tạp như của thực vật Hình 2.7 thể hiện khả năng phản xạ phổ của ba loại đất ở trạng thái khô

Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo

độ dài bước sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại ở đây chỉ

có năng lượng hấp thụ và năng lượng phản xạ, mà không có năng lượng thấu quang Tuy nhiên với các loại đất cát có thành phần cấu tạo, các chất hữu cơ

và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ 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 phổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ

Hỡnh 2.7 ðặc tớnh phản xạ phổ của một số loại ủất

Như trên đa nói có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của

đất, tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn bề mặt, hàm lượng chất hữu cơ và ô xít sắt là những yếu tố quan trọng Vùng phản xạ

và bức xạ phổ có thể sử dụng để ghi nhận thông tin hữu ích về đất còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của đất Một điểm quan trọng cần lưu ý là mặc dù biên độ đồ thị khả năng phản xạ phổ của các loại đất

có thể khác xa nhau nhưng nhìn chung những khác nhau này ổn định ở nhiều dải sóng khác nhau Đối với thực vật chúng ta phải nhờ khả năng phản xạ phổ phụ thuộc bước sóng (tức là đoán đọc điều vẽ ở các kênh khác nhau), nhưng với thổ nhưỡng không thể làm được như vậy, mặc dù sự khác biệt về khả năng phản xạ phổ là quan trọng nhưng nhiều đặc tính phản xạ phổ của chúng phải đoán đọc điều

vẽ ở các dải sóng nhìn thấy

Cựng với cỏc ủặc trưng phản xạ phổ của cỏc ủối tượng tự nhiờn cơ bản, Root

và Mille vào năm 1971 nghiờn cứu và ủưa ra cỏc ủặc trưng phản xạ phổ của một số ủối tượng chớnh trong ủụ thị như bờ tụng, vỏn lợp, nhựa ủường và ủất trống Cỏc

Hình 2.8 đặc tắnh phản xạ phổ của một số ựối tượng chắnh trong ựô thị

Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu ựược về các ựối tượng Dựa vào ựặc ựiểm phổ phản xạ (cường ựộ, dạng ựường cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tắch, so sánh và nhận diện các ựối tượng trên

bề mặt Thông tin về phổ là thông tin ựầu tiên, là tiền ựề cho các phương pháp phân tắch ảnh trong viễn thám

Các ựối tượng khác nhau trong cùng một nhóm ựối tượng sẽ có dạng ựường cong phổ phản xạ chung, tương ựối giống nhau, song sẽ khác nhau về các chi tiết nhỏ trên ựường cong hoặc khác nhau về ựộ lớn giá trị cường ựộ phản xạ Khi tắnh chất của ựối tượng thay ựổi thì ựường cong phổ phản xạ cũng bị biến ựổi theo Một loại sai biệt nữa là sự sai biệt có tắnh chất cục bộ khi cấu trúc của ựối tượng khác nhau trong không gian (vắ dụ lúa ựược cấy và lúa ựược sạ), hoặc cấu trúc ựó khác nhau theo hướng của nguồn sáng (vắ dụ các dãy cây trồng hướng Bắc Nam sẽ có ảnh khác với cũng các dãy ựó ựược trồng hướng đông Ờ Tây)

Các thông số quan trọng nhất ựặc trưng cho khả năng thông tin cung cấp của một ảnh vệ tinh là ựộ phân giải của nó Có ba loại ựộ phân giải: ựộ phân giải không gian, ựộ phân giải phổ và ựộ phân giải thời gian

- ðộ phân giải không gian

ðộ phân giải không gian của một ảnh vệ tinh, do ñặc tính của ñầu thu, phụ thuộc vào hai thông số FOV (Field of view-trường/góc nhìn) và IFOV (instantaneous field of view - trường/góc nhìn tức thì) ñược thiết kế sẵn Thông số FOV cho ta thấy ñược phạm vi không gian mà ñầu thu có thể thu nhận ñược sóng ñiện từ từ ñối tượng Rõ ràng là với góc nhìn càng lớn (FOV càng lớn) thì ảnh thu ñược càng rộng, và với cùng một góc nhìn, vệ tinh nào

có ñộ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn Còn với IFOV của ñầu thu ñặc trưng cho phạm vi không gian Tổng hợp giá trị bức xạ của các ñối tượng trong một góc IFOV ñược thu nhận cùng một lúc và mang một giá trị, ñược ghi nhận như một ñiểm ảnh Trong ảnh số, một ñiểm ảnh ñược gọi là một pixel và giá trị kích thước pixel ñặc trưng cho khả năng phân giải không gian của ảnh Góc IFOV càng nhỏ thì khả năng phân biệt các ñối tượng trong không gian càng lớn, nghĩa là giá trị pixel càng nhỏ và phạm vi “chụp” ảnh càng hẹp

Hình 2.9 ðộ phân giải không gian

Ý nghĩa quan trọng nhất của ñộ phân giải không gian là cho ta biết các ñối tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt ñược trên ảnh

- ðộ phân giải phổ

Không phải toàn bộ giải sóng ñiện từ ñược sử dụng trong việc thu nhận

được thiết kế để cĩ thể thu nhận sĩng điện từ trong một số khoảng bước sĩng nhất định ðộ rộng hẹp của khoảng bước sĩng này là độ phân giải phổ của ảnh Theo hình 2.3 thì khoảng bước sĩng càng hẹp thì tính chất phản xạ phổ của đối tượng càng đồng nhất Các khoảng bước sĩng này được gọi là các kênh ảnh

Bức xạ phổ (bao gồm cả phản xạ, tán xạ và bức xạ riêng) của một đối tượng thay đổi theo bước sĩng điện từ Như vậy, ảnh chụp đối tượng trên các kênh khác nhau sẽ khác nhau và điều này cĩ nghĩa là ảnh được thu trên càng nhiều kênh thì càng cĩ nhiều thơng tin về đối tượng được thu thập Số lượng kênh ảnh được gọi là độ phân giải phổ ðộ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì thơng tin thu thập từ đối tượng càng nhiều và giá thành càng lớn Thơng thường, các vệ tinh đa phổ thường cĩ số kênh ảnh từ khoảng

3 đến 10 kênh Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn thám

cĩ khả năng thu được rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ (hyperspectral satellite) đang được phát triển

- ðộ phân giải thời gian

Vệ tinh viễn thám chuyển động trên quĩ đạo và chụp ảnh khu vực theo một chu kì Khoảng thời gian lặp giữa các lần chụp được gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh, khoảng thời gian này càng nhỏ thì thơng tin thu thập (hay ảnh chụp) càng nhiều

Tĩm lại, thơng tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối tượng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nước và đất trống được ghi nhận thành từng pixel ảnh cĩ độ phân giải khơng gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và vào một thời gian xác định

2.1.3 Giải đốn ảnh viễn thám

Giải đốn ảnh là quá trình chiết tách các thơng tin định tính cũng như định lượng từ ảnh

Cĩ hai phương pháp giải đốn ảnh viễn thám đĩ là thực hiện bằng mắt hay bằng xử lý số

ðốn đọc bằng mắt là sử dụng mắt thường cĩ sự trợ giúp của các dụng

cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu… Cơ sở để đốn đọc là các chuẩn đốn đọc vẽ và mẫu đốn đọc

Các chuẩn đốn đọc bao gồm:[8]

Chuẩn kích thước: Kích thước của một đối tượng được xác định theo tỷ

lệ ảnh và kích thước đo được trên ảnh Dựa vào thơng tin này cũng cĩ thể phân biệt được các đối tượng trên ảnh

Chuẩn hình dạng: Hình dạng là những đặc trưng bên ngồi tiêu biểu cho từng đối tượng vì vậy nĩ cĩ ý nghĩa quan trọng trong đốn đọc Ví dụ hồ hình mĩng ngựa là các khúc sơng cụt, dạng chổi sáng màu là các cồn cát…

Chuẩn bĩng: Bĩng của vật thể cĩ thể dễ dàng nhận thấy khi nguồn sáng khơng nằm chính xác ở đỉnh đầu hoặc trường hợp chụp ảnh xiên Dựa vào bĩng của vật thể cĩ thể xác định được chiều cao của đối tượng

Chuẩn độ đen: ðộ đen là một chuẩn quan trọng để xác định tính chất của đối tượng Cát khơ phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng cĩ màu trắng, trong khi đĩ cát ướt cĩ màu tối hơn trên ảnh đen trắng Trên ảnh hồng ngoại đen trắng, cây lá nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên cĩ màu trắng cịn nước lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong dải sĩng này nên bao giờ cũng cĩ màu đen

Chuẩn màu sắc: Màu sắc giúp cho người đốn đọc dễ dàng xác định được các đối tượng trên ảnh là thực vật, nước, đất trống, đất đơ thị, hoặc xác định được ngay đĩ là kiểu lồi thực vật gì

Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc là tập hợp của nhiều đặc tính rất rõ ràng trên ảnh, ví dụ một bãi cỏ khơng bị lẫn các lồi cây khác cho một cấu trúc mịn trên ảnh, ngược lại rừng hỗn giao cho một cấu trúc sần sùi

Chuẩn phân bố: Là tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo một quy luật nhất định trên tồn cảnh và trong mối quan hệ tương hỗ với đối tượng cần nghiên cứu Hình ảnh của các dãy nhà, ruộng lúa nước, đồi chè tạo

ra những hình mẫu riêng đặc trưng cho các đối tượng

Chuẩn mối quan hệ tương hỗ: Một tổng thể các chuẩn đốn đọc, mơi trường xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tượng cung cấp thơng tin đốn đọc quan trọng

ðể trợ giúp cho cơng tác đốn đọc người ta thành lập các mẫu đốn đọc Tất cả các chuẩn đốn đọc cùng với các thơng tin về thời gian chụp, mùa chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào mẫu đốn đọc

Nĩ bao gồm các bước sau:

+ Hiệu chỉnh bức xạ: Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu một mức độ nhiễu xạ nhất định Nhằm loại trừ các nhiễu kiểu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý Khi thu các bức xạ từ mặt đất trên các vật mang trong vũ trụ, người ta thấy chúng cĩ một số sự khác biệt so với trường hợp quan sát cùng đối tượng đĩ ở khoảng cách gần ðiều này chứng

tỏ ở những khoảng cách xa như vậy tồn tại một lượng nhiễu nhất ñịnh gây bởi ảnh hưởng của góc nghiêng và ñộ cao mặt trời, một số ñiều kiện quang học khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, ñộ mù Chính vì vậy, ñể bảo ñảm ñược sự tương ñồng nhất ñịnh về mặt bức xạ cần thiết phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ

+ Hiệu chỉnh khí quyển: Bức xạ mặt trời trên ñường truyền xuống mặt ñất bị hấp thụ, tán xạ một lượng nhất ñịnh trước khi tới ñược mặt ñất và bức

xạ phản xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới ñược bộ cảm

Do vậy, bức xạ mà bộ cảm thu ñược chứa ñựng không phải chỉ riêng năng lượng hữu ích mà còn nhiều thành phần nhiễu khác Hiệu chỉnh khí quyển là một công ñoạn tiền xử lý nhằm loại trừ những thành phần bức xạ không mang thông tin hữu ích

+ Hiệu chỉnh hình học: Méo hình hình học ñược hiểu như sự sai lệch vị trí giữa tọa ñộ ảnh thực tế ño ñược và tọa ñộ ảnh lý tưởng ñược tạo bởi một

bộ cảm có thiết kế hình học lý tưởng và trong các ñiều kiện thu nhận lý tưởng Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng ñược mối tương quan giữa hệ toạ ñộ ảnh ño và hệ toạ ñộ quy chiếu chuẩn Hệ toạ ñộ quy chiếu chuẩn có thể

là hệ toạ ñộ mặt ñất (hệ tọa ñộ vuông góc hoặc hệ tọa ñộ ñịa lý) hoặc hệ toạ

ñộ ảnh khác

- Biến ñổi ảnh: Bao gồm các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến ñổi tuyến tính

+ Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách ñặc tính

Tăng cường chất lượng có thể ñược ñịnh nghĩa như một thao tác chuyển ñổi nhằm thể hiện ảnh với cường ñộ, ñộ tương phản phù hợp với thiết

bị hiển thị ảnh Chiết tách ñặc tính là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu ñưa ra dưới dạng các hàm số

Những phép tăng cường chất lượng cơ bản thường được sử dụng là biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, tổ hợp màu, chuyển đổi màu giữa hai hệ RGB và HSI

Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, một trong những ưu điểm của phương pháp xử lý ảnh số là cĩ thể chọn các tổ hợp màu tuỳ ý Tổ hợp màu

cĩ nghĩa là gán 3 màu cơ bản đỏ, lục, chàm cho ba kênh phổ nào đĩ

Nếu ta gán màu chàm cho kênh 1 (kênh chàm), màu lục cho kênh 2 (kênh lục), màu đỏ cho kênh 3 (kênh đỏ) thì tổ hợp màu như vậy gọi là tổ hợp màu thật

Nếu ta gán màu đỏ cho kênh hồng ngoại, màu lục cho kênh đỏ, màu chàm cho kênh lục thì tổ hợp màu như vậy gọi là tổ hợp màu giả Trong tổ hợp màu này, thực vật cĩ màu đỏ, đất trống thường cĩ cường độ rất cao nên

cĩ màu trắng, nước cĩ màu xanh là tổ hợp của hai màu chàm và màu lục

- Phân loại ảnh:

Mục đích của quá trình phân loại là tự động phân loại tất cả các pixel trong ảnh thành các lớp phủ đối tượng Cĩ hai phương pháp phân loại cơ bản

là phân loại khơng kiểm định và phân loại cĩ kiểm định.[8]

+ Phân loại cĩ kiểm định: ðược dùng để phân loại các đối tượng theo yêu cầu của người sử dụng Trong phân loại cĩ kiểm định người giải đốn kiểm tra quá trình phân loại pixel bằng việc quy định cụ thể theo thuật tốn máy tính các mơ tả bằng số các loại lớp phủ mặt đất gọi là dữ liệu mẫu ðể cĩ kết quả phân loại đúng dữ liệu mẫu cần phải vừa đặc trưng vừa đầy đủ Việc phân loại thường dùng ba thuật tốn: thuật tốn phân loại theo xác suất cực đại, thuật tốn phân loại theo khoảng cách ngắn nhất, thuật tốn phân loại hình hộp

+ Phân loại khơng kiểm định: Trong phân loại khơng kiểm định khơng

sử dụng dữ liệu mẫu làm cơ sở để phân loại mà dùng các thuật tốn để xem xét các pixel chưa biết trên một ảnh và kết hợp chúng thành một số loại dựa trên các nhĩm tự nhiên hoặc các loại tự nhiên cĩ trên ảnh

- Xuất kết quả: Sau khi hồn thành tất cả các quá trình xử lý cần phải xuất kết quả Cĩ thể lựa chọn khơng hạn chế các sản phẩm đầu ra, đĩ là sản phẩm bản đồ đồ họa, các số liệu thống kê hay các file dữ liệu số

2.1.3.3 So sánh hai phương pháp giải đốn ảnh viễn thám

Bảng 2.1 Bảng so sánh hai phương pháp giải đốn ảnh viễn thám

- Cĩ thể phân tích được các thơng tin phân bố khơng gian

- Rất khĩ ứng dụng kinh nghiệm của người điều vẽ

- Chiết xuất ít thơng tin về bối cảnh

- Kết quả phân tích các thơng tin kém

Trong phạm vi của đề tài, với tài liệu 2 ảnh SPOT 4 độ phân giải 20m chụp khu vực nghiên cứu nên khi thực hiện cơng việc giải đốn ảnh tơi chọn phương pháp giải đốn ảnh bằng mắt và xử lý số

2.1.4 Một số vệ tinh viễn thám hiện nay trên thế giới

2.1.4.1 Vệ tinh Landsat

Landsat là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Cho ñến nay ñã có nhiều thế hệ vệ tinh Landsat ñược nghiên cứu phát triển

Vệ tinh Landsat 1 ñược phóng năm 1972, lúc ñó bộ cảm cung cấp tư liệu chủ yếu là MSS (Multispectral scanner) thuộc loại máy quét quang cơ (Optical-Mechanical Scanner) Vệ tinh LandSat có ñộ cao bay 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ ñạo là 980 Quĩ ñạo ñồng bộ mặt trời và bán lặp Thời ñiểm bay qua xích ñạo là 9h39' sáng và chu kỳ lặp 17 ngày Bề rộng tuyến chụp 185km Hệ thống Landsat MSS hoạt ñộng ở dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại

ðặc ñiểm của MSS là sử dụng 4 băng phổ, mỗi băng phổ có trang bị 6

bộ thu, có sử dụng sợi quang học ðộ phân giải mặt ñất từ 40 m ñến 80 m, ñộ rộng mỗi ñường quét 185 km

Bảng 2.2 Các kênh phổ của MSS Kênh phổ Dạng phản xạ phổ Bước sóng (µµµµm)

Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM

Kênh 1 0,45 – 0,52 micromet Xanh chàm 30m

Kênh 4 0,76 – 0,90 micromet Gần hồng ngoại 30m Kênh 5 1,55 – 1,75 micromet Hồng ngoại 30m Kênh 6 10,4 – 12,5 micromet Hồng ngoại nhiệt 120m Kênh 7 2,08 – 2,35 micromet Hồng ngoại trung 30m

2.1.4.2 Vệ tinh QuickBird

Vệ tinh Quickbird ñược phóng vào tháng 10 năm 2001 ở California

Vệ tinh ñược ñịnh vị ở ñộ cao quĩ ñạo là 450 km với góc nghiêng quĩ ñạo là 97,2o , ñồng bộ mặt trời Các ñặc tính của vệ tinh Quickbird ñược trình

bày ở bảng 2.4.[10]

Bảng 2.4 Các ñặc tính của vệ tinh Quickbird

CÁC ðẶC ðIỂM CỦA Quickbird

ðịa ñiểm phóng Vandenberg Air Force Base, Caliornia

Góc nghiêng quỹ ñạo 97,2 ñộ, ñồng bộ mặt trời

Thời gian cắt qua xích ñạo 10h 30’ sáng (ñiểm ñi xuống)

Thời gian hoàn thành một quỹ ñạo 93,5 phút

Thời gian lặp lại một vị trí 1 – 3,5 ngày phụ thuộc vĩ ñộ (30

0 tính từ ñiểm thiên ñế)

ðộ rộng dải quét 16,5 km x 16,5 km tại ñiểm thiên ñế

ðộ chính xác tính theo hệ mét 23 m mặt phẳng (theo tiêu chuẩn CE90)

ðộ phân giải

ảnh ñen trắng: 61 cm (tại ñiểm thiên ñế) ñến 72 cm (250 tính từ ñiểm thiên ñế) ảnh ña phổ: 2,44m ñến 2,88m tương ứng Các băng ảnh ðen trắng (pan): 450 - 900 nm

Lam (blue): 450 - 520 nm Lục (green): 520 - 600 nm

ðỏ (red): 630 - 690 nm Cận hồng ngoại ( NIR): 760 - 900 nm

Các vệ tinh SPOT -2, SPOT -3, SPOT -4 có các thông số như SPOT -1 ñược ñưa lên quỹ ñạo vào các năm 1990, 1994, 1998 trong ñó SPOT -3 có thiệt hại không thành công như dự kiến Hệ thống vệ tinh SPOT -5 có cải tiến nhất ñịnh ñược ñưa lên quỹ ñạo vào tháng 5 năm 2002 và ñi vào hoạt ñộng Thiết bị quét ảnh cho ảnh Pan với ñộ phân giải 5m theo phương thắng ñứng

và 10m khi trục quang nghiêng về hai phía vuông góc với hướng bay Mỗi ñường quét Pan có 12000 Pixel và mỗi ñường quét ảnh mầu có 6000 Pixel

Hình 2.11 Các thế hệ vệ tinh SPOT

Hình 2.12 Hoạt ñộng của hệ thống vệ tinh SPOT

Các thông số chắnh của hệ thống SPOT theo bảng 2.5

Bảng 2.5 Các ựặc tắnh của vệ tinh SPOT

Hệ thống Năm

phóng

Số Pixel trên ựường quét

độ lớn Pixel thực ựịa GSD

độ rộng băng quét

Góc nghiêng trục quang

độ cao quỹ ựạo

60 km ổ 270 822 km

SPOT -5 2002 12000 pan

6000 MS

5m Pan 10m MS

60 km ổ 270 822 km

2.2 Hệ thống thông tin ựịa lý

2.2.1 Khái quát về hệ thống thông tin ựịa lý

Hệ thống thông tin ựịa lý (GIS) là một tập các công cụ ựể thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến ựổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện mục ựắch cụ thể đó là hệ thống thể hiện các ựối tượng từ thế giới thực thông qua:[6]

- Vị trắ ựịa lý của ựối tượng thông qua một hệ toạ ựộ

- Các thuộc tắnh của chúng mà không phụ thuộc vào vị trắ

- Các quan hệ không gian giữa các ựối tượng (quan hệ topo)

Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tắch các sự kiện, dự ựoán tác ựộng và hoạch ựịnh chiến lược)

GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên ựề có thể liên kết với nhau nhờ các ựặc ựiểm ựịa lý

Hình 2.14 Một bản ñồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp

thông tin khác nhau

Tuỳ theo các chức năng, nhiệm vụ của mỗi hệ thống thông tin ñịa lý mà

có nhiều ñịnh nghĩa khác nhau về GIS như: ñịnh nghĩa theo chức năng, ñịnh nghĩa GIS là tập hợp của các thuật toán, ñịnh nghĩa theo mô hình cấu trúc dữ liệu,… Tuy nhiên các khái niệm về GIS ñều dựa trên 3 yếu tố quan trọng là:

dữ liệu ñầu vào, hệ thống vi tính số kỹ thuật cao và khả năng phân tích số liệu không gian

ðịnh nghĩa tổng quát theo Burrought thì: “GIS như là một tập hợp các công cụ cho việc thu thập, lưu trữ, thể hiện và chuyển ñổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực ñể giải quyết các bài toán ứng dụng phục

vụ các mục ñích cụ thể”.[5]

2.2.2 Các thành phần của GIS

GIS bao gồm các hợp phần cơ bản như sau: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, người ñiều hành, phương pháp (hình 2.15)

Hình 2.15 Các thành phần của GIS

2.2.2.1 Phần cứng

Phần cứng của một hệ GIS gồm máy vi tính, cấu hình và mạng công việc của máy tính, các thiết bị ngoại vi nhập xuất dữ liệu và lưu trữ dữ liệu Các máy tính có thể làm việc ñộc lập hoặc có thể ñược ñặt vào một mạng liên kết Các thiết bị nhập dữ liệu như bàn số hóa hoặc máy quét dùng ñể chọn lọc các ñặc tính ñịa lý từ một bản ñồ hay ảnh nguồn vào hệ thống máy tính dưới dạng dữ liệu số vectơ hay ma trận dạng lưới

Bộ phận ñiều khiển trung tâm (CPU) ñược nối với bộ phận lưu trữ (diskdrive) làm nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu và chương trình máy tính Các thiết

bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ (plotter) thường ñược dùng ñể trình bày, hiển thị và in các dữ liệu kết quả ñã ñược xử lý Các ổ ñĩa DVD, CD, modem ñược sử dụng ñồng thời trong việc lưu trữ các dữ liệu ñầu vào và ra của hệ thống hay ñóng vai trò chuyển dữ liệu giữa các hệ thống thông tin với nhau Người sử dụng có thể thể hiện dữ liệu như bản ñồ trên màn hình từ máy tính

và các thiết bị ngoại vi như máy quét, máy in.[9]

2.2.2.2 Phần mềm

Một hệ thống phần mềm xử lý GIS yêu cầu phải có hai chức năng sau:

tự ñộng hoá bản ñồ và quản lý cơ sở dữ liệu Sự phát triển kỹ thuật GIS hiện ñại liên quan ñến sự phát triển của hai hợp phần này

- Tự ñộng hoá bản ñồ: bản ñồ học là môn khoa học, nghệ thuật và kỹ thuật thành lập bản ñồ Do ñó, tự ñộng hoá bản ñồ là thành lập bản ñồ với sự trợ giúp của máy tính Bản ñồ là sự thể hiện bằng ñồ họa của mối quan hệ không gian và các hình dạng và mỗi một bản ñồ là sự mô hình hoá thực tế theo những tỷ lệ nhất ñịnh Mô hình ñó yêu cầu biến ñổi các số liệu ghi bản

ñồ thành bản ñồ và gồm các công ñoạn sau: Lựa chọn, phân loại, làm ñơn giản hóa và tạo mẫu ký tự

Các phần mềm tiện ích thông qua máy tính trợ giúp cho việc thành lập bản ñồ trên nhiều phương diện như sau:

Trước hết, bản ñồ trong máy tính là dạng số nên dễ dàng chỉnh sửa và việc chỉnh lý ñó tốn ít công sức hơn so với việc không có sự trợ giúp của máy tính Mặc dù việc số hóa có thể dẫn ñến nhiều lỗi và làm giảm ñộ chính xác, song các lỗi ñó có thể sửa dễ dàng nếu phát hiện ñược Khi ñó, bản ñồ sẽ ñược hoàn thiện và lượng thông tin sẽ ñược nâng lên ðặc biệt, việc bổ sung thông tin cho bản ñồ cũng dễ dàng thực hiện ñược

Thứ hai, quá trình tạo chú giải và các chỉ dẫn lên bản ñồ ñược thao tác với tốc ñộ nhanh nên giá thành thấp Việc lựa chọn, phân loại và làm ñơn giản hóa các ñặc ñiểm bản ñồ cũng ñược thực hiện một cách khoa học Quá trình thiết kế và khái quát hóa bản ñồ cũng ñược lập trình và tạo nên các chức năng cụ thể của phần mềm Kết quả như mong muốn có thể ñạt ñược bởi nhiều cán bộ bản ñồ hoặc do chính một cán bộ bản ñồ làm trong nhiều thời gian khác nhau

Thứ ba, thiết kế bản ñồ có thể ñược hoàn thiện hơn qua việc thử và chỉnh sửa lỗi Kích thước, hình dạng hoặc vị trí của chữ hoặc ký hiệu trên bản

- Quản lý dữ liệu: GIS phải có khả năng ñiều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu ñịa lý ñồng thời có thể quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật tự rõ ràng Một yếu tố rất quan trọng của phần mềm GIS là cho khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự ñộng hóa bản ñồ và quản lý cơ sở

dữ liệu Các tài liệu mô tả cho một vị trí bất kỳ, có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí không gian của chúng Sự liên kết ñó là một ưu thế nổi bật của việc vận hành GIS:

Thứ nhất: các tài liệu liệu thuộc tính nhất thiết phải ñược thể hiện trên những chi tiết của bản ñồ Ví dụ số liệu về dân số của một thành phố cũng ñược gọi ra một cách tự ñộng mà không cần phải có một sự tra cứu nào khác ðối với bản ñồ học thì công việc tra cứu thường phải làm ñộc lập, không thực hiện tự ñộng ñược Ngoài ra việc bổ sung số liệu cũng ñòi hỏi phải ñược cập nhật thường xuyên nên chỉ GIS mới có thể ñáp ứng ñược ñầy ñủ

Thứ hai: sự thay ñổi về những chi tiết bản ñồ nhất thiết phải phù hợp với

sự thay ñổi về tự nhiên thuộc tính Ví dụ, sự thay ñổi về diện tích ñô thị về số liệu phải tương xứng với sự thay ñổi về ñường ranh giới thành phố Khi thay ñổi ranh giới thì số liệu tính toán về diện tích cũng tự ñộng ñược thay ñổi.[3]

2.2.2.3 Dữ liệu

GIS phải bao gồm một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin không gian và các thông tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và ñược tổ chức theo một ý

ñồ chuyên ngành nhất ñịnh Các dữ liệu ñịa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan

có thể ñược người sử dụng tự tập hợp hoặc ñược mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS (database management system) ñể tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu

2.2.2.4 Người ñiều hành

GIS là một hệ thống tổng hợp của nhiều công việc kỹ thuật, do ñó ñòi hỏi người ñiều hành phải ñược ñào tạo và có kinh nghiệm trong nhiều lĩnh

vực Người ñiều hành là một phần không thể thiếu ñược của GIS Hơn nữa sự phát triển không ngừng của các kỹ thuật phần cứng và phần mềm ñòi hỏi người ñiều hành phải luôn ñược ñào tạo Những yêu cầu cơ bản về người ñiều hành bao gồm các vấn ñề sau:

Có kiến thức cơ bản về ñịa lý, bản ñồ, máy tính và công nghệ thông tin:

- Việc ñào tạo cơ bản về ñịa lý cung cấp khả năng khai thác các ñặc ñiểm không gian và các quá trình không gian, ñồng thời phát hiện ñược mối quan hệ không gian giữa các hợp phần

- Bản ñồ học cung cấp các hiểu biết về thiết kế bản ñồ, lập bản ñồ (ví dụ: Lưới chiếu bản ñồ, hệ thống tọa ñộ, các mẫu ký tự trên bản ñồ và các kỹ thuật in ấn)

- Khoa học về máy tính và thông tin cung cấp các kiến thức cơ bản

về phần cứng máy tính và vận hành thông thạo các chương trình liên kết phần cứng

- Có kinh nghiệm trong việc sử dụng các phần mềm GIS: việc ñào tạo các phần mềm chủ yếu thường tập trung vào việc xử lý GIS, lập trình cơ bản, quản

lý cơ sở dữ liệu và một số công việc khác có liên quan ñến tích hợp thông tin

- Có hiểu biết nhuần nhuyễn về dữ liệu: hiểu về nguồn dữ liệu, nội dung và ñộ chính xác của dữ liệu, tỷ lệ bản ñồ nguyên thủy và các số liệu ño ñạc của tập dữ liệu, cấu trúc của dữ liệu

- Có khả năng phân tích không gian Yêu cầu ñược ñào tạo về các phương pháp xử lý thống kê và xử lý ñịnh tính trong ñịa lý, việc ñào tạo cho người xử lý có thể lựa chọn phương pháp tốt nhất ñể phân tích và áp dụng nhằm ñưa ra kết quả tốt nhất

Các yêu cầu trên là cần thiết ñối với người ñiều hành GIS Các huấn luyện chi tiết sẽ tùy thuộc nội dung và mục tiêu cũng như khả năng của máy tính và phần mềm ñể lựa chọn những chương trình ñào tạo thích hợp

2.2.2.5 Phương pháp

GIS là một loại hệ thống thông tin ñặc biệt nên tùy từng mục ñích và hoàn cảnh ứng dụng cụ thể mà lựa chọn và thiết kế hệ thống cho phù hợp Muốn một hệ GIS hoạt ñộng có hiệu quả ñòi hỏi phải có sự phối hợp tốt giữa các nhà quản lý, khoa học chuyên môn và các kỹ sư thiết kế xây dựng hệ thống Xây dựng một hệ GIS ñơn giản hay hiện ñại là tùy thuộc vào hoàn cảnh cụ thể của mục ñích và yêu cầu cung cấp thông tin cho các lĩnh vực chuyên môn Một dự án GIS chỉ thành công khi nó ñược quản lý tốt và người

sử dụng hệ thống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý và công nghệ GIS

2.2.3 Chức năng của GIS

GIS bao gồm sáu chức năng cơ bản sau:

2.2.3.1 Thu thập dữ liệu

GIS cung cấp phương pháp ñể nhập toạ ñộ ñịa lý và thuộc tính Dữ liệu ñầu vào càng nhiều thì GIS càng linh hoạt Vì cơ sở dữ liệu ñịa lý là thành phần có chi phí cao và ñược sử dụng trong thời gian dài, nên các dữ liệu ñầu vào cần phải ñược cân nhắc kỹ lưỡng Vì GIS tích hợp nhiều dạng dữ liệu từ những nguồn khác nhau nên nó cung cấp nhiều lựa chọn về dữ liệu ñầu vào

Ta ñưa ra nhiều phương pháp nhập dữ liệu ñầu vào hiệu quả cho việc tự ñộng nhập bản ñồ giấy nguồn dữ liệu không số hoá ðể tận dụng tối ña dữ liệu ñịa

lý tham chiếu có sẵn dưới dạng số

2.2.3.2 Lưu trữ dữ liệu

Có hai mẫu lưu trữ thông tin ñịa lý cơ bản là: vector và raster GIS có khả năng lưu trữ dữ liệu bằng cả hai cách này

Ta thể hiện các ñối tượng ñịa lý dưới hai dạng thức vector và raster

- Dữ liệu kiểu Vector

Dữ liệu kiểu vector thể hiện các ñặc tính ñịa lý giống như cách thể hiện