ứng dụng ảnh phân giải cao spot để nghiên cứu biến động sử dụng đất huyện thường tín giai đoạn 2000 – 2011 và đưa ra dự báo tốc độ phát triển năm 2015

Với bản đồ biến động được thực hiện bằng phương pháp viễn thám đạt độ chính xác cao, ta có thể tiến hành dự đoán các loại hình sử dụng đất trong những năm tiếp theo để các nhà quy hoạch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN TÂN DUY

ỨNG DỤNG ẢNH PHÂN GIẢI CAO SPOT ĐỂ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN THƯỜNG TÍN GIAI ĐOẠN

2000 – 2011 VÀ ĐƯA RA DỰ BÁO TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN NĂM

2015

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN TÂN DUY

ỨNG DỤNG ẢNH PHÂN GIẢI CAO SPOT ĐỂ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN THƯỜNG TÍN GIAI ĐOẠN

2000 – 2011 VÀ ĐƯA RA DỰ BÁO TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN NĂM

2015

Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý

Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN XUÂN LÂM

Hà Nội - 2013

bè, đồng nghiệp đã cổ vũ động viên tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Tuy đã có những cố gắng nhất định nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên chắc chắn luận văn này còn nhiều thiếu sót và hạn chế nhất định Kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2014

Học viên

Nguyễn Tân Duy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu của riêng cá nhân tôi Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2014

Học viên

Nguyễn Tân Duy

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: Tổng quan về cơ sở của công nghệ viễn thám 12

1.1 Những khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám 12

1.1.1 Khái niệm về hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám 12

1.1.2 Cơ sở phương pháp viễn thám 13

1.1.3 Bức xạ điện từ 15

1.1.4 Đặc tính phản xạ phổ của một số nhóm đối tượng tự nhiên 18

1.1.5 Một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của ảnh viễn thám 27

1.2 Thông số kỹ thuật của tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT 29

1.3 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất đô thị 31

1.3.1 Những vấn đề chung về bản đồ hiện trạng sử dụng đất 31

1.3.2 Những vấn đề chung về nghiên cứu biến động sử dụng đất 32

CHƯƠNG 2: Khả năng giải đoán ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất 35

2.1 Phân loại đối tượng sử dụng đất trong bản đồ hiện trạng sử dụng đất theo luật đất đai năm 2003 35

2.2 Khả năng thông tin của ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất 36

2.3 Phương pháp phân loại đối tượng sử dụng đất 40

2.3.1 Phương pháp giải đoán ảnh 40

2.3.2 Phương pháp phân loại ảnh 46

2.3.3 Lẫy mẫu đối tượng sử dụng đất trên ảnh và kiểm tra ngoài thực địa 52

CHƯƠNG 3: Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng ảnh vệ tinh SPOT thành lập bản đồ biến động các loại hình sử dụng đất khu vực huyện Thường Tín giai đoạn 2001 – 2011 và dự báo tốc độ phát triển các loại hình sử dụng đất năm 2015 55

3.1 Giới thiệu về khu vực nghiên cứu 55

3.1.1 Vị trí địa lý 55

3.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội 56

3.1.3 Tình hình sử dụng đất đai của huyện Thường Tín 58

3.2 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất huyện

Thường Tín 59

3.2.1.Các phương pháp nghiên cứu biến động bằng ảnh viễn thám 59

3.2.2 Sơ đồ công nghệ 64

3.2.3 Mô tả các bước quy trình công nghệ 64

3.3 Kết quả phân loại ảnh SPOT và bản đồ biến động sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn 2001 - 2011 67

3.4 Ứng dụng hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu phân tích biến động diện tích các loại hình sử dụng đất huyện Thường Tín 68

3.5 Phân tích đánh giá sơ bộ nguyên nhân biến động của các đối tượng sử dụng đất 72

3.6 Dự báo tốc độ phát triển các loại hình sử dụng đất huyện Thường Tín năm 2015 bằng mô hình dự báo MARKOV 74

KẾT LUẬN 80

Tài liệu tham khảo 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường trái đất 13

Hình 1.2: Khái niệm chung về viễn thám 14

Hình 1.3: Đường cong phổ phản xạ 17

Hình 1.4: Phân loại sóng điện từ 18

Hình 1.5: Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 20

Hình 1.6: Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nước 21

Hình 1.7: Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào độ ẩm 22

Hình 1.8: Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 22

Hình 1.9: Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm 23

Hình 1.10: Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước 25

Hình 1.11: Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước 26

Hình 1.12: Mô hình trộn màu cơ bản 29

Hình 2.1: Mẫu ảnh của đất trồng lúa 38

Hình 2.2: Mẫu ảnh của sông Hồng và hồ, ao 39

Hình 2.3: Mẫu ảnh của đất ở và đất trụ sở cơ quan nhà nước 39

Hình 2.4: Mẫu ảnh của đất khu công nghiệp 39

Hình 2.5: Mẫu ảnh của đất trống khi không có lớp phủ 40

Hình 3.1: Sơ đồ nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng phương pháp so sánh sau phân loại 59

Hình 3.2: Sơ đồ nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 60

Hình 3.3: Vectơ thay đổi phổ 61

Hình 3.4: Thuật toán phân tích thay đổi phổ 62

Hình 3.5: Sơ đồ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất 64

Hình 3.6: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn 2001 – 2011 (km2) 69

Hình 3.7: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn 2001 – 2011 (ha) 69

Hình 3.8: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất trồng lúa từ năm 2011-2011 (6,26 km2) 71

Hình 3.9: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất trồng cây hàng năm khác từ năm 2011-2011 (3,42 km2) 71Hình 3.10: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất ở từ năm 2011-2011 (3,94

km2) 72Hình 3.11: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất khu công nghiệp từ năm 2011-2011 (2,75 km2) 72Hình 3.12: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất sông hồ ao từ năm 2011-

2011 (1,85 km2) 72Hình 3.13: Mô hình MARKOV để dự báo khả năng thay đổi các loại hình sử dụng đất 74Hình 3.14: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn

2001 – 2011 và dự báo tới năm 2015 (km2) 78Hình 3.15: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn

2001 – 2011 và dự báo tới năm 2015 (ha) 79

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Cơ chế tương tác giữa khí quyển và sóng điện từ 16

Bảng 1.2: Mối quan hệ giữa bước sóng và độ thấu quang của nước 26

Bảng 1.3: Đặc tính cơ bản của ảnh SPOT 1 - 4 30

Bảng 1.4: Đặc tính cơ bản của ảnh SPOT 5 31

Bảng 2.1: Ví dụ về mô tả khả năng thông tin của các kênh đa phổ 44

Bảng 2.2: Bảng lấy mẫu đối tượng sử dụng đất từ ảnh SPOT 5 52

Bảng 3.1: Diện tích các loại hình sử dụng đất năm 2001 và 2011 68

Bảng 3.2: Bảng phân tích tình hình tăng giảm diện tích đất theo mục đích sử dụng (km2 ) 70

Bảng 3.3: Ma trận tỷ lệ biến động giữa các loại hình sử dụng đất giai đoạn 2001 – 2011 75

Bảng 3.4: Diện tích các loại hình sử dụng đất năm 2001, 2011 và 2015 77

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai từ lâu vẫn luôn luôn đóng vai trò quan trọng đối với sự sinh tồn và phát triển của con người Nó là tư liệu sản suất đặc biệt cho sự phát triển kinh tế xã hội, an ninh và quốc phòng Nhưng đất đai chỉ có thể phát huy tiềm năng vốn có dưới sự tác động tích cực của con người một cách thường xuyên

Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay ở nước ta, sự chuyển dịch kinh tế từ Nông nghiệp – Công nghiệp – Dịch vụ sang Công nghiệp – Dịch vụ

- Nông nghiệp đã và đang gây sức ép lớn về đất đai Sức ép về dân số, tốc độ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã kéo theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng trong khi quỹ đất lại có hạn Đất đai đã thực sự trở thành “Tấc đất tấc vàng” Trong quá trình

sử dụng đất, thường nảy sinh nhu cầu sử dụng đất vào các mục đích khác nhau của con người Do đó luôn có sự biến động đất đai về sử dụng đất Để phục vụ cho công tác quản lý của Nhà nước thì cần làm rõ biến động sử dụng đất Chính vì vậy cần phải có một phương pháp quản lý hợp lý về tình hình sử dụng đất ở các đô thị Hiện nay, nhiều vệ tinh nhân tạo đã được phóng lên quỹ đạo với các mục đích khác nhau

để theo dõi diễn biến các hiện tượng trên bề mặt trái đất, trong đó có mục đích theo dõi lớp phủ bề mặt trái đất Đây là một phương pháp với công nghệ mới giúp làm nhanh và hiệu quả hơn so với các công nghệ trước đây Ngày nay có thể tiến hành thành lập bản đồ biến động sử dụng đất đô thị một cách nhanh hơn trước nhờ vào việc sử dụng ảnh vệ tinh với độ phân giải cao thay vì trước đây phải thực hiện các công tác thực địa phức tạp làm tăng thời gian hoàn thành công việc

Với bản đồ biến động được thực hiện bằng phương pháp viễn thám đạt độ chính xác cao, ta có thể tiến hành dự đoán các loại hình sử dụng đất trong những năm tiếp theo để các nhà quy hoạch có thể hoạch định các loại hình sử dụng đất một cách phù hợp hơn Có nhiều cách để dự báo tình hình sử dụng đất dựa trên các hàm toán học, chuỗi MARKOV là một trong các hàm dự báo phổ biến trong các mô hình

dự báo và được chọn để sử dụng trong luận văn

Huyện Thường Tín là một trong những huyện nằm trong phạm vi mở rộng của thành phố Hà Nội (từ ngày 1 tháng 8 năm 2008) Trong những năm qua, do yêu cầu của phát triển kinh tế - xã hội và quá trình phát triển đô thị hóa nên tình hình sử dụng đất của huyện có nhiều biến đổi Xuất phát từ thực tế đó, em đã chọn

đề tài: “Ứng dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT để nghiên cứu biến động sử dụng đất khu vực huyện Thường Tín – thành phố Hà Nội giai đoạn 2000 – 2011

và đưa ra dự báo tốc độ phát triển các loại hình sử dung đất năm 2015”

2 Mục tiêu của đề tài

- Khảo sát khả năng sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao cho việc theo dõi biến

động một số loại hình sử dụng đất

- Đề xuất quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất, trong đó có kết hợp sử dụng hệ thông tin địa lý để lập bản đồ và đánh giá biến động

- Sử dụng mô hình dự báo MARKOV để dự báo các loại hình sử dụng đất

- Tiến hành thực nghiệm tại khu vực huyện Thường Tín, thành phố Hà Nội

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám

Bao gồm những khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám như: Khái niệm

về hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám, bức xạ điện từ, đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên và một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của ảnh viễn thám

- Nghiên cứu khả năng thông tin của ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT cho mục đích nghiên cứu biến động sử dụng đất huyện Thường Tín

Dựa trên ảnh SPOT độ phân giải cao để nghiên cứu khu vực cần thành lập bản đồ rồi từ đó tiến hành xác định và phân loại đối tượng nghiên cứu, biến động được xác định thông qua việc thay đổi sự dụng đất vào mục đích cụ thể qua các năm

- Nghiên cứu các phương pháp phân loại và phần mềm phân loại ảnh để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất

Phân loại bằng phương pháp giải đoán là phương pháp khoanh định các vật thể cũng như xác định trạng thái của chúng nhờ phân biệt các đặc tính yếu tố ảnh (độ sáng, kiến trúc, kiễu mẫu, hình dạng, kích thước, vị trí, màu) và các mối quan

hệ của đối tượng này với các đối tượng khác Kết quả giải đoán phụ thuộc vào kinh nghiệm người giải đoán, tuy nhiên bị hạn chế do khả năng phân biệt phổ của mắt người hạn chế

Sau khi thực hiện công tác giải đoán ảnh, ta sẽ tiến hành thực địa và kiểm chứng kết quả phân loại với các mẫu giải đoán

- Tiến hành nghiên cứu biến động sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn 2000 -

2011 bằng hệ thông tin địa lý (GIS) và đưa ra dự báo trong các năm kế tiếp bằng

mô hình dự báo MARKOV

Dữ liệu GIS về hiện trạng sử dụng đất qua các năm được phân tích bằng phương pháp chồng ghép dữ liệu, một phương pháp thông dụng trong GIS Kết quả thu được từ việc chồng ghép sẽ là tình hình biến động một số loại hình sử dụng đất qua các năm đã chọn

Theo các kết quả tính toán được từ bản đồ biến động sử dụng đất, ta sử dụng

mô hình dự báo MARKOV để tính toán các loại hình sử dụng đất trong các năm tiếp theo

4 Phương pháp nghiên cứu

- Để giải quyết mục đích của đề tài luận văn, ta tiến hành thu thập tài liệu, thông tin, nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ viễn thám, đặc tính kỹ thuật của ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT, nghiên cứu khả năng thông tin của ảnh viễn thám độ phân giải cao SPOT cho mục đích theo dõi biến động đất ở khu vực nghiên cứu

- Lựa chọn các phương pháp phân loại và phần mềm phân loại để giải đoán lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Thường Tín Qua việc theo dõi sử dụng đất của một khu vực trong một khoảng thời gian kết hợp với việc phân loại các mẫu rồi

từ đó rút ra nhận xét, so sánh tình hình biến động giai đoạn 2000 – 2011 Việc xác định các loại hình sử dụng đất qua ảnh SPOT bao gồm dấu hiệu gián tiếp về quy luật, đặc điểm, sự phân bố và mối quan hệ giữa các đối tượng Việc xác định yếu tố

sử dụng đất ở trên ảnh có thể đưa ra hiện trạng sử dụng đất của khu vực nghiên cứu

Quá trình điều tra thực địa chủ yếu nhằm mục đích giải đoán chính xác các điểm lấy mẫu và xác minh các điểm chưa rõ ràng trên ảnh

- Trên cơ sở giải đoán phân loại, ta tiến hành ứng dụng hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu phân tích biến động các loại hình sử dụng đất khu vực nghiên cứu Kết quả của đề tài là bản đồ biến động sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn

2000 – 2011

- Từ đó phân tích đánh giá sơ bộ nguyên nhân biến động và dự báo biến động trong năm 2015 bằng phương pháp dự báo chuỗi của MARKOV

Luận văn có kết cấu gồm 3 chương, cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về cơ sở của công nghệ viễn thám

Chương 2: Khả năng giải đoán ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên cứu

hiện trạng sử dụng đất huyện Thường Tín

Chương 3: Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng ảnh vệ tinh SPOT thành

lập bản đồ biến động các loại hình sử dụng đất khu vực huyện Thường Tín giai đoạn 2000 – 2011 và dự báo biến động tới năm 2015

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ CỦA CÔNG NGHỆ

VIỄN THÁM

1.1 Những khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám

1.1.1 Khái niệm về hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám

Năng lượng điện từ của ảnh sáng sau khi truyền qua các cửa sổ khí quyển tương tác với các đối tượng trên bề mặt trái đất và phản xạ lại để các thiết bị thu của viễn thám có thể ghi nhận các tín hiệu đó Trên cơ sở các tín hiệu đó có thể tách chiết các thông tin về đối tượng Quá trình đó được thể hiện bằng các công đoạn chính: phát hiện, ghi, phân tích các tín hiệu

 Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bước rất quan trọng Phát hiện về dải sóng, về cường độ và tính chất khác của nguồn năng lượng điện từ

 Ghi tín hiệu: các tín hiệu phát hiện được có thể ghi dưới dạng hình ảnh hoặc các tín hiệu điện từ Khi xử lý các tín hiệu dạng hình ảnh, một số kiểu phim ảnh có phủ các lớp nhạy cảm ánh sáng để phát hiện sự khác nhau của nguồn năng lượng điện từ tạo nên hình ảnh không gian, không đắt và cung cấp nhiều chi tiết trong không gian và có thể hiệu chỉnh hình học dễ dàng Năng lượng điện từ có thể được ghi dưới dạng các tín hiệu, biểu đồ phổ hoặc dưới hình ảnh số giống như hình ảnh nền của mành hình máy tính, tài liệu số thường có giá đắt hơn tư liệu ảnh, song lại có nhiều ưu điểm về độ phân giải phổ, khả năng truyền thông tin Các tín hiệu điện từ có thể ghi nhận ở dạng phim, băng từ hoặc đĩa từ và có thể hiện thị dễ dàng

 Phân tích các tín hiệu phổ: có thể thực hiện được bằng hai phương thức: phân tích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính

Phân tích bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh Đây là công việc đã rất phổ biến trong viễn thám, phân tích ảnh bằng mắt có sự kết hợp rất nhuần nhuyễn các kiến thức chuyên môn của người phân tích để từ đó khai thác

vào khả năng của người phân tích Tất nhiên, hạn chế của giải đoán bằng mắt là không phân biệt được hết các đặc tính phổ của đối tượng, nguyên nhân là do khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế (tối đa 12 – 14 mức)

Xử lý số là phương pháp xử lý phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh số chứ không phải dạng ảnh tương tự (analoge hay pictorial) Ưu thế của phương pháp

xử lý số là có thể phân tích các tín hiệu phổ một cách chi tiết (256 mức hoặc hơn) Với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng, có thể tách chiết rất nhiều thông tin phổ của đối tượng, từ đó có thể nhận biết các đối tượng một cách tự động Tất nhiên quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức chuyên môn của người phân tích hoặc người lập các chương trình tính toán

1.1.2 Cơ sở phương pháp viễn thám

Viễn thám được định nghĩa là sự thu nhận thông tin về đối tượng mà không

có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể Công nghệ viễn thám phát triển dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật cũng như công nghệ vũ trụ, công nghệ tin học … Với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan nhất

Hình 1.1: Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường trái đất

Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ viễn thám phát triển mạnh bởi những cải tiến về vệ tinh chụp ảnh, thiết bị chụp ảnh

và các phương pháp chụp

Những thông tin thu thập được từ công nghệ viễn thám được sử dụng vào rất nhiều mục đích như:

 Nghiên cứu về biến đổi khí hậu

 Nghiên cứu về biến động tầng ôzôn

 Dự báo thời tiết

 Ứng dụng trong nông nghiệp và lâm nghiệp

 Điều tra tài nguyên thiên nhiên

 Theo dõi giảm nhẹ thiên tai

 Ứng dụng trong quản lý đới bờ

 Các ứng dụng trong hải dương học

Viễn thám là phương pháp xử lý và phân tích các thông tin của những đối tượng phân bố trên bề mặt Trái Đất và được thu thập từ ba tầng không gian:

Hình 1.2: Khái niệm chung về viễn thám

Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lý trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản

xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng Từ đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ

các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ cảm hoặc bằng các máy chụp ảnh

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám Các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hay các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ

1.1.3 Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ có 4 thông số cơ bản: tần số, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực Các thông số này có thể sử dụng trong việc khai thác thông tin ảnh Ví dụ: tần số có thể được ding để xác định vận tốc chuyển động của vật thể dựa trên hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phát hiện các cấu trúc của đối tượng Biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể và được sử dụng như những phần tử giải đoán ảnh cơ bản, mặt phân cực được sử dụng để xác định hình dạng của vật thể - ánh sáng phản xạ trên các bề mặt tương tự nhau sẽ cho các chùm tia có mặt phẳng phân cực giống nhau

Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO2 …

mà độ truyền dẫn của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng Tại những vùng

đó, bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất – đồng nghĩa với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin Ở những vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ đạt tới bộ cảm Những vùng bước sóng đó được gọi là cửa sổ khí quyển, chỉ trong các vùng bước sóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho bộ cảm Năng lượng sóng điện

từ khi qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ ở nhiều mức độ khác nhau tùy thuộc vào bước sóng cụ thể Các bước sóng ngắn hơn 0,3 m hầu hết bị hấp thụ bởi tầng ôzôn, vùng ánh sáng khả kiến ít bị hấp thụ bởi khí quyển Bức xạ nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng 10 m trong vùng cửa sổ khí quyển và sóng vô tuyến cao tần lớn hơn 1 mm cũng ít bị hấp thụ bởi khí quyển Do

đó thông tin ảnh viễn thám thu nhận được thường dựa vào sự đo lường năng lượng

phản xạ, phản xạ sóng điện từ trong vùng khả kiến và hồng ngoại nhiệt (ảnh quang học), vùng sóng siêu cao tần (rada) Trong viễn thám người ta thường chú ý đến khả năng lan truyền sóng điện từ trong khí quyển Vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển sẽ có những tác động mạnh đến thông tin được bộ cảm thu nhận Khí quyển có sự tương tác khác nhau với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau Trong quá trình lan truyền nguồn năng lượng mặt trời xuống mặt đất và quá trình lan truyền nguồn năng lượng mặt trời xuống mặt đất và quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị hấp thu, tán xạ, khác xạ bởi Oxy, Nitơ, Cacbonic, Ozon và hơi nước có trong khí quyển trước khi đi đến bộ cảm biến Để thấy được

cơ chế tương tác giữa khí quyển và sóng điện từ ta xem bảng dưới đây:

Bảng 1.1: Cơ chế tương tác giữa khí quyển và sóng điện từ

m

Hồng ngoại nhiệt 3 – 22 m

Một số vùng bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước, dải sóng này giữ vai trò quan trọng

núi lửa (3 – 5 m) Bức xạ nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng

10 m

Vô tuyến Rada 1 mm – 100 cm

Khí quyển không hấp thụ năng lượng bước sóng lớn hơn 2 cm, cho phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm, không ảnh hưởng bởi mây, sương mù hay mưa Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Đặc trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận ra đối tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng

Về nguyên tắc, vệ tinh “nhìn” được tất cả các đối tượng trên bề mặt Trái Đất bao gồm: đất, nước, thực vật Đặc trưng phổ của các đối tượng này có thể được biểu diễn như hình dưới đây:

Hång ngo¹i gÇn Hång ngo¹i trung

Hình 1.3: Đường cong phổ phản xạ

Hình 1.4: Phân loại sóng điện từ

Thông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng, người ta thiết kế thiết bị thu nhận sao cho tại khoảng bước sóng đó các đối tượng có độ phản

xạ phổ là dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng này sự hấp thụ của khí quyển là nhỏ nhất

Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3m – 0,4m), vùng ánh sáng nhìn thấy (0,4m – 0,7m), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Trong tất cả các tài liệu về cơ sở viễn thám, theo bước sóng sử dụng, công nghệ viễn thám có thể chia làm 3 nhóm chính:

1 Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

2 Viễn thám hồng ngoại nhiệt

3 Viễn thám siêu cao tần

Các loại sóng điện từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Ví dụ như: Tia Gamma – Y tế và hạt nhân; Vùng nhìn thấy – Cho các phân tích bằng mắt; Hồng ngoại – Phân biệt thảm thực vật; Nhiệt – Lửa cháy, nhiệt độ mặt nước; Sóng ngắn – Mặt đất, mặt nước

1.1.4 Đặc tính phản xạ phổ của một số nhóm đối tượng tự nhiên

Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông số

Er (λ) Năng lượng của bước sóng λ phản xạ từ đối tượng

P (λ) = - = - x 100%

E0 (λ) Năng lượng của bước sóng λ rơi vào đối tượng

Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu các tính chất quang học (chủ yếu là đặc trưng phản xạ phổ) của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng đối với việc ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám Phần lớn các phương pháp ứng dụng viễn thám được sử dụng đến nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với việc nghiên cứu các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng hay nhóm đối tượng nghiên cứu Các thiết bị ghi nhận, các loại phim chuyên dụng với độ nhạy cảm phổ phù hợp đã được chế tạo dựa trên kết quả nghiên cứu về quy luật phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

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

* Đặc tính phổ phản xạ của thực vật

Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước sóng Trên đồ thị thể thiện được đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng phản xạ phổ chính

Trong vùng sóng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin trong lá cây, ngoài ra còn một số chất sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật

Theo đồ thị trên hình 1.5 thì sắc tố hấp thụ bức xạ vùng sóng ảnh sáng nhìn thấy và ở vùng cận hồng ngoại, do trong lá cây có nước nên hấp thụ bức xạ vùng hồng ngoại Cũng từ đồ thị trên ta có thể thấy khả năng phản xạ phổ của lá xanh ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ

phổ này tương ứng với hai dải sóng bị clorophin hấp thụ Ở hai dải sóng này, clorophin hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy năng lượng phản xạ của lá cây không lớn Vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất tương ứng với sóng 0,54 m, tức

là vùng sóng ánh sáng lục Do đó lá cây tươi được mắt ta cảm nhận có màu lục Khi

lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophin trong lá giảm đi, lúc đó khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị thay đổi và lá cây sẽ có màu vàng đỏ

Hình 1.5 : Đặc tính phản xạ phổ của thực vật

Ở vùng hồng ngoại ảnh hưởng chủ yếu lên khả năng phản xạ phổ của lá cây

là hàm lượng nước trong lá Khả năng hấp thụ năng lượng

(r λ), mạnh nhất ở các bước sóng 1,4 m; 1,9 m và 2,7 m Bước sóng 2,7 m hấp thụ mạnh nhất gọi là dải sóng cộng hưởng hấp thụ, ở đây sự hấp thụ mạnh diễn ra đối với sóng trong khoảng từ 2,66 – 2,73 m

Hình 1.6: Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nước

Trên hình 1.6 cho thấy ở dải hồng ngoại khả năng phản xạ phổ của lá mạnh nhất ở bước sóng 1,6 m và 2,2 m – tương ứng với vùng ít hấp thụ của nước

Tóm lại: Khả năng phản xạ phổ của mỗi loài thực vật là khác nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:

- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản

xạ phổ khác biệt rõ rệt

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

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

là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm lá cao, năng lượng hấp thụ cực đại Ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ là không lớn bằng hàm lượng nước trong lá

Khi hàm lượng nước trong lá giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên đáng kể (hình 1.7)

Hình 1.7: Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào độ ẩm

* Đặc tính phổ phản xạ của thổ nhƣỡng

Đường đặc trưng phản xạ phổ của đa số thổ nhưỡng không phức tạp như

thực vật Hình 1.8 thể hiện khả năng phản xạ phổ của ba loại đất ở trạng thái khô

Hình 1.8: Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhƣỡng

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 đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ

Cấu trúc của đất phụ thuộc vào tỷ lệ sét, bụi, cát Sét là hạt mịn đường kính nhở hơn 0,002 mm, bụi có đường kính 0,002 – 0,05 mm, cát có đường kính 0,05 – 2

mm Tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần của ba loại đất cơ bản trên mà tạo ra các loại đất có tên khác nhau

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

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

Hình 1.9: Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm

Khi độ ẩm đất tăng, khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị giảm (hình 1.9) Do vậy khi hạt nước rơi vào cát khô ta sẽ thấy cát bị thẫm hơn, đó là do sự chênh lệch

rõ rệt giữa các đường đặc trưng 1, 2, 3 Tuy nhiên nếu cát đã ẩm mà có thêm nước cũng sẽ không thẫm màu đi mấy (do sự chênh lệch ít giữa đường 2 và đường 3)

Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ trong đất Với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5 – 5,0 % thì đất có màu nâu xẫm Nếu hàm lượng chất hữu cơ thấp hơn đất sẽ có màu sáng

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

xạ phổ tăng khi hàm lượng ôxit sắt trong đất giảm xuống, nhất là vùng phổ nhìn thấy (có thể làm giảm tới 40% khả năng phản xạ phổ khi hàm lượng ôxit sắt tăng lên)

Khi bỏ ôxit sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 0,5 – 1,1 m nhưng với bước sóng lớn hơn 1,0 m thì hầu như không có tác dụng

Như đã nói ở trên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất, tuy nhiên chúng có liên hệ chặt chẽ với nhau Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn bề mặt, hàm lượng chất hữu cơ và ôxit 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 tính chất của đất

Một điểm quan trọng nữa 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

* Đặc tính phổ phản xạ của 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

Hình 1.10: Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước

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 1.10), 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 Viết phương trình cân bằng năng lượng và nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng nhìn thấy:

E (λ) = E P (λ) + E H (λ) + E T (λ)

E (λ) = E P (λ) + E α (λ) + E

Như hình 1.11, nước cất bị hấp thụ ít năng lượng ở dải sóng nhỏ hơn 0,6 m

và thấu quang nhiều năng lượng ở dải sóng ngắn Nước biển, nước ngọt và nước cất

có chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên độ thấu quang của nước đục giảm rõ rệt và bước sóng càng dài có độ thấu quang càng lớn

Hình 1.11: Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước

Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ít ở dải sóng nhìn thấy, chứng tỏ rằng đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong thì hình ảnh viễn thám ghi nhận được

ở dải sóng nhìn thấy là nhờ năng lượng phản xạ của chất đáy: cát, đá, …

Tuy nhiên trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như nước cất Thông thường trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ, vì vậy khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Các nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là những dải sóng dài Người ta xác định rằng với độ sâu tối thiểu là 30 mét, nồng độ tạp chất gây đục là 10mb/lít, thì khả năng phản xạ phổ lúc đó là hàm số của thành phần nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất đáy

Bảng 1.2: Mối quan hệ giữa bước sóng và độ thấu quang của nước

Người ta đã chứng minh khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất nhiều vào độ đục của nước, ở dải sóng 0,6 – 0,7 m, người ta phát hiện rằng giữa độ đục của nước và khả năng phản xạ phổ có một mối liên hệ tuyến tính

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

Ngoài ra còn một số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn tới khả năng phản xạ phổ của nước, nhưng cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể hiện được rõ qua sự khác biệt của phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khí mêtan, ôxi, nitơ, cacbonic … trong nước

1.1.5 Một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của ảnh viễn thám

* Khuôn dạng dữ liệu

Ảnh số là một dạng tư liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim, nó được chia thành nhiều phần tử nhỏ gọi là pixel Các bức ảnh có cấp độ sáng hoặc màu sắc thay đổi liên tục lưu trên phim hoặc trên giấy ảnh được gọi là ảnh tương tự

Tư liệu ảnh số được đặc trưng bởi một số thông số cơ bản về hình học, bức

xạ … bao gồm: giái trị pixel, bề rộng tuyến bay, độ phân giải … Vì tư liệu ảnh số được ghi lại theo những giải phổ khác nhau nên người ta gọi là tư liệu đa phổ, đa kênh hoặc nhiều band Nhìn chung tư liệu đa phổ được tạo nên nhờ nhiều đầu dò trong bộ cảm Do các đầu dò được đặt ở các vị trí khác nhau cho nên các pixel của các kênh khác nhau không thực sự có vị trí hình học trùng nhau Quá trình hiệu chỉnh để cho các pixel có cùng tọa độ ảnh trên các kênh có cùng tọa độ không gian được gọi là kiểm định hình học

Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ dò được chuyển thành tín hiệu điện và sau khi được lượng tử hóa trở thành tư liệu số Trong toàn bộ dải sóng tương tự thu được chỉ có phần biến đổi tuyến tính được lượng tử hóa

Thông tin ảnh được lưu theo đơn vị Bit Thông thường các tư liệu viễn thám

số được ghi theo 6,7 hoặc 8 bit Riêng tư liệu vệ tinh NOAA được ghi theo 10 bit Trong xử lý số, đơn vị xử lý thường là byte (1 byte = 8 bit) Do vậy, đối với tư liệu

được mã với số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì được lưu ở dạng 1 byte (byte type) và

tư liệu có số bit lớn hơn 8 được lưu ở dạng 2 byte hay trong một từ (word type) Trong 1 byte có thể lưu dược 256 (tương đương 2) cấp độ xám còn trong một từ có thể lưu được 65536 (tương đương 2) cấp độ xám Khối lượng tư liệu lưu trữ được xác định như sau:

A (byte) = số hàng x số cột x số kênh x số byte

Tư liệu số được ghi lại và tổ chức theo những trật tự nhất định gọi là khuôn dạng (format): Khuôn dạng phổ biến là BSQ (Band Sequence), BIL (Band Interleaved by Line), BIP (Band Interleaved by Pixel)

* Độ phân giải của ảnh vệ tinh

- Phân giải không gian (mặt đất): Là khả năng phân biệt đối tượng có kích thước nhỏ nhất trên mặt đất

Theo độ phân giải không gian chia ra: Ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp (NOAA AVHRR, SPOT VEGETATION), ảnh vệ tinh có độ phân giải trung bình (MODIS, LANDSAT MSS, ENVISAT MERIS), ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (LANDSAT TM + ETM, SPOT, RADASAT 1, ASTER …), ảnh vệ tinh có độ phân giải siêu cao (IKONOS, QUICKBIRD, KVR – Nga)

- Phân giải phổ: Độ phân giải phổ của ảnh được thể hiện bằng số lượng các kênh phổ được thu nhận được bởi đầu thu Ví dụ: LANDSAT 7 + ETM có 8 kênh phổ, NOAA AVHRR có 5 kênh phổ, SPOT 5 có 4 kênh phổ …

Đặc biệt hiện nay có một số loại ảnh siêu phổ (hyperspectral) có hàng trăm kênh phổ như CASSI, AVIRIS …

- Phân giải lượng tử hóa: Là độ mã hóa hình ảnh, khả năng thể hiện mức chi tiết về độ xám và màu sắc của hình ảnh

- Phân giải thời gian: Là khoảng thời gian đầu thu vệ tinh quay lại chụp cùng một số vị trí trên bề mặt đất: LANDSAT – 16 ngày; SPOT – 26 ngày; ASTER – 16 ngày

Tuy nhiên một số hệ thống vệ tinh có khả năng nghiêng đầu thu nên có thể

* Thể hiện hình ảnh tƣ liệu viễn thám

Đối với các hệ xử lý ảnh, việc quan trọng đầu tiên là thể hiện tư liệu viễn thám dưới dạng hình ảnh Các màu trong tự nhiên đều được tạo bởi 3 màu cơ bản (Red – Green – Blue) theo phương pháp cộng hoặc trừ màu Vì vậy đối với tư liệu viễn thám đa phổ, ta có thể sử dụng 3 kênh phổ gán vào 3 màu cơ bản và như vậy sẽ được một ảnh tổ hợp màu

Hình 1.12: Mô hình trộn màu cơ bản

Trong phương pháp cộng màu các màu tự nhiên được tạo bởi việc trộn các màu cơ bản (R – G – B) với nhau Hệ thống cộng màu thường được sử dụng để thể hiện ảnh trên màn hình máy tính Ngược lại, mô hình trừ màu được áp dụng chủ yếu cho việc in ảnh Các màu tự nhiên được tạo bởi việc lấy màu trắng trừ dần đi các màu cơ bản (C – Y – M) Với tư liệu đa phổ có kênh phổ nhiều hơn 3 thì việc hiện ảnh tổ hợp màu chỉ có thể được thực hiện tuần tự cho từng tổ hợp 3 kênh một

Trong máy tính có hai hệ thống hiện màu đó là hệ thống RGB và hệ thống

mã màu Trong hệ thống đầu số lượng màu được thể hiện là không hạn chế trong khi đó hệ thống thứ hai chỉ cho phép hiển thị được một số hữu hạn các màu

1.2 Thông số kỹ thuật của tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT

SPOT do trung tâm nghiên cứu không gian của Pháp (CNES) thực hiện, có

sự tham gia của Bỉ và Thụy Điển Với các vệ tinh SPOT 1 – 6 được phóng từ năm

1986 – 2012

Bảng 1.3: Đặc tính cơ bản của ảnh SPOT 1 – 4

Năm

phóng

Hệ thống thu ảnh

Tên band phổ

Dải phổ (m)

Độ phân giải

Độ cao vệ tinh (km)

Độ phủ mặt đất (km)

Thời gian thu ảnh 21/2/1986

21/1/1990

29/9/1993

SPOT 1 SPOT 2 SPOT 3

1

2

3 PAN

0,5 – 0,59 0,61 – 0,68 0,79 – 0,89 0,51 – 0,73

PAN

0,50 – 0,59 0,61 – 0,68 0,78 – 0,89 1,58 – 1,75

có độ rộng lớn và độ nét cao Spot 5 là công cụ không thể thiếu được cho các nhà quy hoạch cũng như để đánh giám cảnh báo các hiểm họa thiên nhiên như cháy rừng, lũ lụt, tuyết lở, động đất … Spot 5 cung cấp các hình ảnh có độ phân giải cao

mà vẫn đảm bảo được diện tích phủ ảnh rộng 60x60 km

Các đặc tính kỹ thuật của SPOT – 5

 Hai đầu thu HRG (độ phân giải cao) cho phép thu ảnh toàn sắc 2,5m

 Đầu thu HRS độ phân giải cao để chụp ảnh lập thể gần như đồng thời cho phép tối ưu hóa việc lập DEM

 Thiết bị định hướng theo sao và thiết bị định vị DORIS giúp tăng độ chính xác xác định vị trí lên tới 50m

Bảng 1.4: Đặc tính cơ bản của ảnh SPOT 5

1.3 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất đô thị

1.3.1 Những vấn đề chung về bản đồ hiện trạng sử dụng đất

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất (HTSDĐ) là loại bản đồ thể hiện trạng thái lớp phủ bề mặt đất bao gồm lớp phủ tự nhiên và nhân tạo, phản ánh trạng thái sử dụng quỹ đất thông qua các loại hình sử dụng đất tại thời điểm nghiên cứu HTSDĐ luôn thay đổi dưới tác động của các quy luật tự nhiên và những hoạt động kinh tế xã hội của con người Sự thay đổi này đặc biệt lớn ở các nước chưa phổ cập hiểu biết về các quy luật tự nhiên, cân bằng sinh thái, con người thiếu tính toàn, nghiên cứu khi khai thác tự nhiên, thiếu quan tâm bảo vệ môi trường Điều tra nghiên cứu HTSDĐ

có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hết sức to lớn vì các kết quả điều tra nghiên cứu HTSDĐ làm rõ cơ cấu và tình trạng sử dụng quỹ đất, tạo cơ sở cho việc kiểm kê, xây dựng các phương án quy hoạch trên các lãnh thổ địa lý cụ thể nhằm sử dụng tối

ưu tiềm năng tự nhiên và bảo vệ môi trường

Bản đồ HTSDĐ cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Thể hiện được HTSDĐ của một đơn vị hành chính ở thời điểm yêu cầu

- Đạt được độ chính xác cao phù hợp với tỷ lệ, mục đích của bản đồ cần thành lập

- Đáp ứng đồng bộ và hiệu quả các yêu cầu cấp bách của công tác kiểm kê đất đai

và quy hoạch sử dụng đất

Bản đồ HTSDĐ được lập ra nhằm mục đích:

- Thể hiện kết quả thống kê, kiểm kê đất

- Xây dựng tài liệu cơ bản phục vụ quản lý lãnh thổ, quản lý đất đai

- Là tài liệu phục vụ xây dựng quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất và kiểm tra thực hiện quy hoạch đất đã được phê duyệt của các địa phương và các ngành kinh tế

Trong những năm qua, việc kiểm kê đất đai và xây dựng bản đồ hiện trạng

sử dụng đất của các tỉnh, thành phố nói chung được thực hiện đúng định kỳ 5 năm một lần và đã đạt được những kết quả tốt Tuy nhiên, trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá, việc đầu tư hạ tầng kỹ thuật, phát triển công nghiệp, xây dựng

và dịch vụ, phát triển các khu kinh tế, khu dân cư nông thôn, mở mang hệ thống giao thông, hệ thống thuỷ lợi làm cho quỹ đất không ngừng biến động

Mặt khác, do nhu cầu quản lý địa giới hành chính cấp xã, huyện có những thay đổi cho phù hợp với điều kiện hiện tại trong cuộc sống Để phân tích đánh giá đúng tình hình hiện trạng sử dụng quỹ đất của từng đơn vị hành chính, làm cơ

sở cho việc hoàn thiện chính sách đất đai phù hợp với luật đất đai năm 2003 Thực hiện lập quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất đáp ứng cho yêu cầu xây dựng kế hoạch phát triển kinh tế- xã hội- an ninh - quốc phòng của các ngành, các cấp để xây dựng phương án, lập kế hoạch tổ chức thực hiện kiểm kê đất đai xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất là rất cần thiết

1.3.2 Những vấn đề chung về nghiên cứu biến động sử dụng đất

Biến động là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạng thái khác của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như trong môi trường xã hội

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

Để nghiên cứu biến động sử dụng đất, người ta có thể sử dụng nhiều phương

dù có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng nhược điểm của chúng là tốn kém thời gian và kinh phí, đồng thời chúng không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất gì sang loại đất gì và diễn ra ở khu vực nào (vị trí không gian của sự thay đổi)

Phương pháp thành lập nghiên cứu biến động sử dụng đất từ tư liệu viễn thám đa thời gian sẽ khắc phục được các nhược điểm đó

Bản đồ biến động sử dụng đất là bản đồ chuyên đề phản ánh tình hình biến động sử dụng đất theo những nội dung và tỷ lệ khác nhau

Bản đồ biến động sử dụng đất ngoài các yếu tố nội dung cơ bản của các bản

đồ chuyên đề như địa hình, địa vật, giao thông, thủy văn … phải thể hiện được sự biến động về sử dụng đất theo thời gian

Các thông tin về tình hình sử dụng đất, biến động sử dụng đất kết hợp với các thông tin liên quan là một yếu tố quan trọng để tính toán hàng loạt các chỉ tiêu phân tích phục vụ công tác quy hoạch, kế hoạch và quản lý đất đai để đảm bảo sử dụng đất bền vững, hiệu quả, thân thiện môi trường và quan trọng nhất là đảm bảo

an ninh lương thực

Các số liệu điều tra về tình hình biến động sử dụng đất có thể đã được phân tích và thống kê tổng hợp dưới dạng biểu nhưng chưa phân tích hay trình bày số liệu này dưới dạng không gian địa lý hoặc làm chúng dễ tiếp cận hơn đối với các nhà nghiên cứu hoặc các nhà hoạch định chính sách Tiềm năng của hệ thống thông tin địa lý hiện đại trong việc phân tích dữ liệu không gian để thành lập bản đồ vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi Việc thể hiện sự biến động của số liệu theo không gian địa lý làm tăng giá trị của số liệu lên rất nhiều đặc biệt đối với nước ta, một nước có lãnh thổ trải dài trên 3000 km, hai vùng đồng bằng châu thổ rộng lớn tương phản với các vùng miền núi bao la Sự đa dạng về đặc điểm kinh tế xã hội và nông nghiệp được đánh giá rõ hơn ở dưới dạng bản đồ

Ưu điểm của bản đồ biến động sử dụng đất là thể hiện được rõ sự biến động theo không gian và theo thời gian Diện tích biến động được thể hiện rõ ràng trên bản đồ, đồng thời cho chúng ta biết có biến động hay không biến động, hay biến

động từ loại đất nào sang loại đất nào Nó có thể được kết hợp với nhiều nguồn dữ liệu tham chiếu khác để phục vụ có hiệu quả cho rất nhiều mục đích khác nhau như quản lý tài nguyên, môi trường, điều tra về nông nghiệp nông thôn …

Về cơ bản, bản đồ biến động sử dụng đất được thành lập trên cơ sở hai bản

đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm nghiên cứu vì vậy độ chính xác của bản

đồ này phụ thuộc vào độ chính xác của các bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm nghiên cứu

Tiêu đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động là những thay đổi lớp phủ trên bề mặt đất phải đưa đến sự thay đổi về bức xạ lớn hơn so với những thay đổi về bức xạ do các yếu tố khác như: sự khác biệt về điều kiện khí quyển, sự khác biệt về góc chiếu tia mặt trời, sự khác biệt về độ ẩm của đất Ảnh hưởng của các yếu tố này có thể được giảm từng phần bằng cách chọn dữ liệu thích hợp

Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động rất quan trọng Trước tiên, chúng ta phải xác định được phương pháp phân loại ảnh mà ta sử dụng Sau đó cần xác định rõ yêu cầu nghiên cứu có cần biết chính xác thông tin về nguồn gốc của sự biến động hay không Từ đó có sự lựa chọn phương pháp thích hợp Tuy nhiên, tất

cả các nghiên cứu đều cho thấy rằng, các kết quả về biến động đều phải được thể hiện trên bản đồ biến động và bảng tổng hợp Các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau sẽ cho những bản đồ biến động khác nhau

Trong lĩnh vực nghiên cứu biến động sử dụng đất đến nay vẫn chưa có một quy phạm chuẩn để thực hiện một cách đồng bộ cho mọi đề tài Chính vì vậy trong mỗi đề tài, các loại hình biến động sử dụng đất được biểu hiện ít hoặc chi tiết tùy vào mục đích của người thành lập bản đồ biến động đó

CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG GIẢI ĐOÁN ẢNH VỆ TINH SPOT ĐỐI VỚI VIỆC NGHIÊN

1 Nhóm đất nông nghiệp bao gồm các loại đất:

a) Đất trồng cây hàng năm gồm đất trồng lúa, đất đồng cỏ dùng vào chăn nuôi, đất trồng cây hàng năm khác

b) Đất trồng cây lâu năm

h) Đất nông nghiệp khác theo quy định của Chính phủ;

2 Nhóm đất phi nông nghiệp bao gồm các loại đất:

a) Đất ở gồm đất ở tại nông thôn, đất ở tại đô thị

b) Đất xây dựng trụ sở cơ quan, xây dựng công trình sự nghiệp

c) Đất sử dụng vào mục đích quốc phòng, an ninh

d) Đất sản xuất, kinh doanh phi nông nghiệp gồm đất xây dựng khu công nghiệp; đất làm mặt bằng xây dựng cơ sở sản xuất, kinh doanh; đất sử dụng cho hoạt động khoáng sản; đất sản xuất vật liệu xây dựng, làm đồ gốm

đ) Đất sử dụng vào mục đích công cộng gồm đất giao thông, thuỷ lợi; đất xây dựng các công trình văn hoá, y tế, giáo dục và đào tạo, thể dục thể thao phục vụ lợi ích công cộng; đất có di tích lịch sử - văn hoá, danh lam thắng cảnh; đất xây dựng các công trình công cộng khác theo quy định của Chính phủ

e) Đất do các cơ sở tôn giáo sử dụng

g) Đất có công trình là đình, đền, miếu, am, từ đường, nhà thờ họ

h) Đất làm nghĩa trang, nghĩa địa

i) Đất sông, ngòi, kênh, rạch, suối và mặt nước chuyên dùng

k) Đất phi nông nghiệp khác theo quy định của Chính phủ

3 Nhóm đất chưa sử dụng bao gồm các loại đất chưa xác định mục đích sử dụng

2.2 Khả năng thông tin của ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất khu vực nghiên cứu

Phương pháp viễn thám được ứng dụng rất có hiệu quả cho việc nghiên cứu

- Phân tích ảnh nhanh hơn và rẻ hơn rất nhiều so với quan sát thực địa

- Ảnh cung cấp các thông tin mà trong khi quan sát thực địa có thể bỏ sót

- Các ảnh có thể cung cấp một tập hợp các thông tin để đối chiếu so sánh các hiện tượng có sự thay đổi lớn

Tuy nhiên, phân tích ảnh viễn thám có một số thiếu sót là:

- Một số loại hình sử dụng đất khác nhau có thể không được phân biệt trên ảnh

- Nhiều thông tin theo chiều nằm ngang bị mất đi hoặc không rõ nét trên ảnh viễn thám, những thông tin này thường rất có giá trị để phân loại những đối tượng sử dụng đất

- Đối với một vùng nhỏ thì chi phí cho sự nghiên cứu viễn thám trở nên đắt hơn các phương pháp truyền thống, vì vậy sẽ không kinh tế

- Sự phân tích viễn thám cần phải được kiểm tra bằng các thông tin mặt đất tại các

Ảnh SPOT với độ phân giải cao và độ phủ trên một diện tích lớn phù hợp để nghiên cứu hiện trạng và biến động sử dụng đất ở cấp huyện và cấp tỉnh Huyện Thường Tín qua tư liệu ảnh SPOT có thể nhận biết được nhiều đối tượng thông qua các dấu hiệu

- Tông ảnh: là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ từ bề mặt đối tượng, là dấu hiệu hết sức quan trọng để xác định đối tượng Ví dụ: đường giao thông với chất lượng nhựa và bê tông phản xạ mạnh nên có màu xám hoặc trắng sáng rõ ràng trên ảnh Các khu đất trống với bề mặt là đất khô phản xạ khá mạnh vì bề mặt thô cứng Sông Hồng với màu hồng đặc trưng bởi chứa nhiều phù sa trong nước

- Cấu trúc ảnh: được hiểu là tần số lập lại của sự thay đổi tông ảnh, gây ra bởi tập hợp của nhiều đặc tính rất rõ ràng của nhiều cá thể riêng biệt Ví dụ: như ruộng lúa với cấu trúc ô thửa đặc thù, khu dân cư với cấu trúc lổn nhổn …

- Hình dạng: là hỉnh ảnh bên ngoài của đối tượng, thông thường đó là hình ảnh 2 chiều Đối với ảnh lập thể nhìn thấy cả chiều cao của đối tượng Hình dáng là yếu tố đầu tiên giúp người phân tích có thể phân biệt các đối tượng khác nhau

- Kích thước: là thông số về độ lớn, độ dài, độ rộng của đối tượng Kích thước liên quan đến tỷ lệ ảnh Về hình dạng có thể giống nhau nhưng kích thước khác nhau thì

có thể là hai đối tượng khác nhau.Ví dụ: đường giao thông với hình dạng tuyến thẳng với kích thước dài, sông hồ cũng có hình dạng tuyến nhưng không thẳng như đường giao thông mà có nhiều góc cua và kích thước rất lớn, dân cư với hình dáng không xác định nhưng đặc trưng bởi màu tạo bởi mái tôn

- Mẫu: là sự sắp xếp trong không gian của các đối tượng Một dạng địa hình đặc trưng sẽ bao gồm sự sắp xếp theo một quy luật đặc trưng của các đối tượng tự nhiên, là hợp phần của dạng địa hình đó Ví dụ: Khu đô thị là tập trung của nhà xây, đường phố, cây xanh tạo nên một mẫu đặc trưng của cấu trúc đô thị Ruộng trồng lúa có hình mẫu ô thửa đặc trưng khác với vườn cây ăn quả, có cấu trúc dạng đốm

- Vị trí: vị trí của đối tượng trong không gian địa lý của vùng nghiên cứu là thông số rất quan trọng giúp người giải đoán có thể phân biệt đối tượng Rất nhiều trường hợp cùng một dấu hiệu ảnh, song ở vị trí khác nhau lại là các đối tượng khác nhau

(đặc biệt là khi giải đoán bằng mắt, mắt người không phân biệt được rõ các mức khác nhau của yếu tố ảnh) Ví dụ: bãi bồi không thể có ở sườn núi mặc dù vài đặc điểm trên ảnh trông rất giống dấu hiệu của nó Các bãi bồi ở hai bên sông suối, có màu sáng, còn ở bên sườn núi, các mảng sáng lại là các nón phóng vật, các đới trượt

lở hoặc vùng canh tác nương rẫy

- Màu: màu của đối tượng trên ảnh tổ hợp màu thật giúp cho người giải đoán có thể phân biệt được nhiều đối tượng có đặc điểm tông ảnh tương tự nhau Ví dụ như thực vật có màu xanh lục từ nhạt đến sẫm …

Thực vật phản xạ trên ảnh thông qua màu xanh lục, bao gồm các loại đất nông nghiệp (chủ yếu là đất lúa và đất hoa màu) Ta có thể phân biệt loại đất nông nghiệp với các loại đất khác thông qua hình dáng bên ngoài với đặc điểm phân bố trên không gian rộng với cấu trúc lưới ô vuông hoặc chữ nhật Mặt khác, phổ phản

xạ mỗi đối tượng khác nhau, chính vì thế ta có thể sử dụng phương pháp chỉ số thực vật có trong viễn thám để xác định xem đó là loại thực vật nào Tuy nhiên thời gian chụp ảnh của vệ tinh cũng là yếu tố quan trọng để dựa vào đó xác định đó là đất trống hay đất nông nghiệp vì một số được trồng theo mùa, vì thế sau khi thu hoạch

sẽ để lại đất trống, vì vậy phải phân biệt rõ để tránh nhầm lẫn

Hình 2.1: Mẫu ảnh của đất trồng lúa (thời điểm trước và sau khi thu hoạch)

Ngoài đối tượng là đất nông nghiệp, trên ảnh có thể thấy rõ đối tượng thủy văn Ở phía Đông huyện Thường Tín có thể thấy rõ sông Hồng với phổ phản xạ màu hồng khá riêng biệt so với các hồ ao ở trong nội thành Nguyên nhân có màu như vậy là do sông Hồng chứa phù sa Còn hồ ao khác với phổ phản xạ màu đen sẫm , nguyên nhân có thể do chất thải các khu dân cư xung quanh và chất thải của