Phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất đô thị ở Hà Nội bằng dữ liệu Terra ASTER

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu: ♦ Tim hiểu khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám vệ tinh và hộ thông tin địa lý trong nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ đất ở khu vực Hà Nội, mộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

PHÂN LOẠI SỬ DỤNG ĐÃT VÀ LỚP PHỦ ĐẤT ĐÔ THỊ

Ở HÀ NỘI BẰNG D ữ LIỆU TERRA ASTER

Ma sô: QT-08-44 Chủ trì đề tài: TS Nguyễn Đình Minh Các cán bộ tham gia: CN Nguvển Văn Pha

HÀ NỘI - 2009

b Chù trì đề tài: TS Nguyễn Đình Minh

c Các cán bộ tham gia: CN Nguyễn Vãn Pha

d Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu:

♦ Tim hiểu khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám vệ tinh và hộ thông tin địa lý trong nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ đất ở khu vực Hà Nội, một trong hai đỏ thị lớn nhất ờ Việt Nam;

♦ Góp phần đẩy mạnh công tác đào tạo và nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong lĩnh vực tài nguyên và môi trường ỞĐHKHTN, ĐHQGHN.Nội dung:

1) Tổng quan tài liệu về sử dụng đất, lớp phủ đất và dữ liệu Terra ASTER

2) Thu thập dữ liệu ảnh số vệ tinh Terra ASTER và dữ liệu đối chiếu liên quan đến

sử dụng đất và lớp phù đất ở khu vực Hà Nội;

3) Tiến hành phân loại sử dụng đất và lớp phù đất ở Hà Nội từ ảnh vệ tinh Terra ASTER đã thu thập bằng phương pháp xử lý ảnh số và GIS; và

4) Đánh giá kết quả phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực Hà Nội bâng ảnh

vệ tinh Terra ASTER, phương pháp xử lý ảnh sô vệ tinh và GIS

e Các kết quả đạt được

1 Một báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu với các hình và biểu bảng minh họa kết quả phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất ờ Hà Nội bằng dữ liệu Terra ASTER, phương pháp xử lý ảnh số và GIS

2 Một bài báo đã được đăng trong tuyển tạp các báo cáo khoa học và được trinh bày tại Hội thảo quốc tế vể Bien đổi khí hậu và Phát triển bền vững, Hà Nội, năm 2008

3 Kết quả khai thác thông tin sử dụng đất và lớp phủ đất đò thị từ dữ liệu Terra ASTER bằnơ phần mểm viẻn thám và GIS là nhỡn” tài liêu quy có thế áp dụng

cho các nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quy hoạch và quản lý tài nguyên và môi trường ở thủ đô Hà Nội theo hướng phát triển bền vững.

4 Đề tài đã góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học của cán bộ khoa Địa

lý, ĐHKHTN, ĐHQGHN

5 Để tài đã góp phần nâng cao chất lượng dạy và học các môn viễn thám và GIS,

và giúp sinh viên làm khoá luận tốt nghiệp tại ĐHKHTN, ĐHQGHN

f Tinh hình kinh phí của đề tài

Đã thực hiện chi các khoản mục theo dự toán

NGUYỄN ĐÌNH MINH

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG

Prió míu THƯỚNG

SUM MARY REPORT

a Research Title:

C L A SSIFY IN G TH E U R BA N LA N D USE A N D LAND C O V ER

IN HA N O I USIN G TERRA A STER DATACode: QT-08-44

b Principal Investigator: Nguyen Dinh Minh, Faculty of Geography, Hanoi Univ ofScience

c Participating Members: BS Nguyen Van Pha

d Research Objectives and Contents

Contents:

1) To overview materials on [and use, land cover and Terra ASTER data;

2) To collect digital Terra ASTER satellite imagery and reference data concerning land use and land cover in the Hanoi area

3) To classify the collected satellite imagery using digial image processing and GIS techniques; and

4) To examine the results of land use and land cover classifications in the Hanoi area using Terra ASTER data, digital image processing and GIS

e Results

1 A final report with illustrative figures, tables and charts on the results of classifying land use and land cover in Hanoi using Terra ASTER data, digital image processing and GIS

2 A research paper was published in the proceedings and presented at the International Symposium on Climate Change and Sustainability, Hanoi, 2008

3 The research project provides valuable reference materials for further studies related to plannins and management of natural resources and environment in Hanoi capital for sustainable development

4 Contribution to improved research capacity of the Faculty of Geography, HUS, VNƯ.

5 Contribution to enhanced teaching and learning remote sensing and GIS courses

at HUS, VNU

M ỤC LỤC

TrangDanh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các hình

Danh mục các bảng

2 TỔNG QUAN VỂ PHÂN LOẠI s ử DỤNG ĐÂT, LỚP PHỦ ĐẤT 3

VÀ D ữ LIỆU TERRA ASTER

3 PHÂN LOẠI S Ử DỤNG ĐẤT VÀ LỚP PHỦ ĐẤT ĐÔ THỊ Ở HÀ 14

NỘ I BẰNG ẢNH VỆ TINH TERRA ASTER

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIÊT TẮT

DANH M ỤC CÁC H ÌN H

hồng ngoại nhiệt băng 10 (phải), Hà Nội, 16/11/01

Nội

16/11/01

Nội, 16/11/01

sông Hồng, 11/2002

Hà Nội

16/11/01

1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Sử dụng đất và lớp phủ đất là các hiện tượng, các quá trình địa lý đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại và phát triển của con người Thông tin sử dụng đất và lớp phủ đất là đầu vào không thể thiếu trong các quyết định quy hoạch, quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên và bảo vệ môi trường ở mọi quốc gia trên.thế giới Do vậy, việc nghiên cứu khai thác thông tin sử dụng đất và lớp phủ đất sao cho hiệu quả từ ảnh vệ tinh các loại nhằm khắc phục các nhược điểm của các phương pháp truyền thống đã trở thành mối quan tâm lớn của các nhà khoa học và quản lý ở trong và ngoài nước (Eastm an, 1997, 2001; H aư is, 1987; Lillesand and Kiefer, 1994; Lunetta and Elvidge, 1998; Lyon et al, 1998; Rouse et al., 1973 )-

Từ 1972 đến nay, viễn thám vệ tinh đã tạo ra một lượng lớn dữ liệu cho các ứng dụng kinh tế, xã hội và môi trường Nhiều loại ảnh vệ tinh mới như Landsat ETM +,

T e ư a M ODIS, ASTER đã tiếp tục được thu nhận để hiểu rõ hơn tài nguyên và môi trường trái đất Theo hướng đó, sử dụng đất và lớp phủ đất ở các đô thị đã trở thành các đề tài nghiên cứu đầy thách thức và lý thú (D ousset and G ourm elon, 2003; Voogt and O ke, 2003; N etzband et al 2007; Yow, 2007)

Hà Nội là thủ đô của Việt Nam, m ột nước đang phát triển có tốc độ đô thị hoá nhanh Đ ể thông tin tốt hơn về sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực Hà Nội phục vụ phát triển kinh tế xã hội ở thủ đô cần phải tiếp tục thực hiện các đề tài nghiên cứu

sử dụng nguồn dữ liệu mới và các phương pháp phàn tích hiện đại như ảnh vệ tinh, phương pháp xử lý ảnh số và GIS đã và đang được ứng dụng thành công ở nhiều nước trên th ế giới

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài m ang mã số Q T-08-44 “Phán loại sử dụn% đất

và lớp ph ủ đất đô thị ở Hà N ộ i bằng d ữ liệu Terra A STE R ” đã được hình thành,

chấp thuận và hoàn thành tại khoa Đ ịa lý, Truơng Đại học KHTN, Đại học Quốc gia Hà Nội

1.2 M ục tiêu nghiên cứu

M ục tiêu chính của đề tài là:

♦ Tim hiểu khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám vệ tinh, cụ thể là ảnh Terra ASTER, phương pháp xử lý ảnh số và hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất ở Hà Nội, một trong hai đô thị lớn nhất ở Việt Nam;

♦ G óp phần đẩy m ạnh công tác đào tạo và nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong lĩnh vực tài nguyên và môi trường ở ĐHKHTN, ĐHQGHN

1.3 Nội dung nghiên cứu

1) Tổng quan về sử dụng đất, lớp phủ đất và dữ liệu vệ tinh T e ư a ASTER;

2) Thu thập dữ liệu ảnh số vệ tinh Terra ASTER, bản đồ, báo cáo, ảnh m ặt đất và các dữ liệu bổ trợ khác liên quan đến sử dụng đất và lớp phủ đất ở Hà Nội;

3) T iến hành phân loại ảnh, lập bản đồ và phân tích thống kê sử dụng đất và lớp phủ đất ở H à Nội từ ảnh ASTER đã thu thập bằng phương pháp xử lý ảnh số và GIS; và

4) Đ ánh giá kết quả phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất ở Hà Nội từ dữ liệu Terra ASTER bằng phương pháp xử lý ảnh sô' vệ tinh và GIS

Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu của đề tài trong thời gian m ột năm 2008-2009 N hân dịp này, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Bộ m ôn Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý, Ban chủ nhiệm khoa Đ ịa lý, Phòng Khoa học Công nghệ, Đ H K H TN và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện đề tài

2 TỔNG QUAN VỀ s ử DỤNG ĐẤT, LÓP P H Ỉ ĐẤT VÀ DỮ LIỆU TERRA ASTER

2.1 Các định nghĩa

Sử dụng đất và lớp phủ đất

Đất đai là tài nguyên môi trường quý giá của m ỗi quốc gia Theo FAO, đấtđai (Land) bao gồm không chỉ chất đất m à cả các tính ‘chất địa chất, địa hình, khí hậu, thuỷ văn, lớp thực vật che phủ, động vật và vi sinh vật trên mảnh đất đó

Sử dụng đất và lớp phủ đất là hai khái niệm khác nhau về đất đai Sử dụng đất phản ánh hoạt động của con người hay chức năng kinh tế, xã hội và môi trường gắn với một m ảnh đất cụ thể như đất nông nghiệp, đất ở, đất chuyên dùng, rừng phòng

hộ, rừng sản xuất, rừng đặc dụng v.v Nói cách khác, sử dụng đất đề cập đến cách đất đai được sử dụng bời con người V í dụ, đất đai được dùng vì mục đích thương mại (cửa hàng, vãn phòng, cân hộ, v.v) hay vì mục đích công nghiệp (nhà máy, xưởng lắp ráp) hay đất đai được dùng vì mục đích giải trí hay nông nghiệp Mặt khác, lớp phủ đất đề cập đến thực vật, công trình, hay các đối tượng khác bao phủ đất đai V í dụ, đất đai bị bao phủ bởi cỏ, cây, nước, hay các tòa nhà lớn có thảm cỏ xung quanh Nói cách khác, lớp phủ đất là biểu hiện tự nhiên của bề m ặt trái đất liên quan đen các kiểu đối tượng hay các vật liệu có m ặt trên nó Đất, nưóc và thảm thực vật là các lớp phủ đất đai chính trên trái đất Hai thửa đất có thể có cùng kiểu lớp phủ đất, nhưng có kiểu sử dụng đất khác nhau Chẳng hạn, một nhà m áy công nghiệp lắp ráp các bộ phận điện tử có thể trông, từ bên ngoài rất giống một tòa nhà văn phòng có nhà kho phân phối Cái thứ nhất là m ột ví dụ về sử dụng công nghiệp, cái sau là m ột ví dụ về sử dụng thương mại Hai thửa đất có sử dụng đất giống nhau

có thể có lớp phủ đất khác nhau Một sân gôn và một tòa nhà văn phòng cả hai là sử dựng đất thương mại Cái thứ nhất có thể có lớp phủ đất là cỏ, trong khi cái sau có ihẻ được coi là đất đã xây dựng

A nderson et al (1976) định nghĩa SDĐ là những hoạt động của con người trên đất và trực tiếp liên quan đến đất", còn LPĐ là các cấu trúc thực vật và nhân tạo bao phủ lên m ặt đất Theo FAO (Gregorio, 1996), LPĐ là lớp phủ tự nhiên quan sát được, nhìn thấy được từ m ặt đất hay bằng viễn thám , kể cả thực vật (tự nhiên hay trồng trọt) và công trình nhân tạo (nhà, đường xá ) phủ trên bề mật trái đất SDĐ có thể được xác định như hàng loạt các hoạt động được thực hiện nhằm tạo ra một hay nhiều sản phẩm hoặc dịch vụ Theo định nghĩa này một đơn vị SDĐ có thể xuất hiện ở m ột hoặc nhiều noi, ngược lại m ột m ảnh đất có thể có một vài loại hình

sử dụng đất khác nhau trên chính m ảnh đất đó

Theo Cơ sở lớp phủ đất toàn cầu (GLCF), LPĐ là các đối tượng thực vật, địa chất, thủy văn hay nhân sinh có thể cảm nhận được trên bề mạt đất đai của hành tinh Các đối tượng đó, như rừng, đô thị, đất trồng trọt và đụn cát, có thể đo lường

và xếp hạng hay phân loại bằng ảnh vệ tinh

Tóm lại, LPĐ là khái niệm được dùng để chi các đối tượng tự nhiên hay nhân tạo bao phủ bề m ặt trái đất, còn SDĐ là khái niệm được dùng để chi mực đích sử dụng đất.của con người Sử dụng đất và lớp phủ đất ảnh hưởng đến biẽn đổi khí hậu

và ngược lại Do vậy, việc nghiên cứu SDĐ và LPĐ là hết sức cần thiết trong bối cảnh toàn cầu hóa và biến đổi khí hậu

Đó thị

Theo Bách khoa toàn thư mở W ikipedia, đô thị được định nghĩa khác nhau tại các quốc gia trên th ế giới Thông thường mật độ dân số tối thiểu cần thiết để được gọi là m ột đô thị phải là 400 người trên m ột cây sô' vuông hay 1000 người trên một dặm vuông Anh Các quốc gia châu Âu định nghĩa đô thị dựa trên cơ bàn việc

hơn 200 m ét Dùng không ảnh chụp từ vệ tinh thay vì dùng thống kẽ từng khu phố

đè quyết định ranh giới của đô thị Tại các quốc gia kém phát triển, ngoài việc sử

dụng đất và m ật độ dân sô nhất định nào đó, m ột điều kiện nữa là phần đông dàn só thường là 75% trở lên, không có hành nghề nông nghiệp hay đánh cá.

Tại Úc, các đô thị thưòng được định nghĩa như là những khu dân cư chen chúc

có từ 1000 người trở lên và m ật độ dân cư phải tối thiểu là 200 người trên một cây

số vuông Tại Trung Q uốc, một đô thị là m ột khu thành thị, thành phố và thị trấn có mật độ dân số hơn 1.500 người trên một cây sô' vuông Đối với các khu thành thị có mật độ dân số ít hơn 1.500 người trên một cây số vuông thì chỉ dân số sống trong các đường phố, nơi có dân cư đông đúc, các làng lân cận nhau được tính là dân số thành thị Tại Pháp, m ột đô thị là m ột khu vực bao gồm một vùng phát triển do xây cất (gọi là m ột "đơn vị thành thị" (unité urbaine) - gần gi^Mg như cách định nghĩa của đô thị Bắc Mỹ và các vùng vành đai ngoại ô (couronne périurbaine) Mặc dù cách dịch chính thức thuật từ aire urbaine của INSEE là "urban area" trong tiếng Anh, đa số người Bắc M ỹ sẽ nhận thấy rằng nó tương tự với định nghĩa về vùng đô thị của m inh.Tại Nhật Bản, các đô thị được định nghĩa như là các vùng cận kề nhau gồm các khu dân cư đông đúc Điểu kiện cần thiết là đô thị phải có mật độ dân số trên 4.000 người trên m ột cây số vuông Cục thống kê Tân Tây Lan định nghĩa đô thị Tân Tày Lan cho các mục đích thống kê Chúng là các khu định cư có dân số trên 1000 người Tại Ba Lan, định nghĩa chính thức về "đô thị" đơn giản là ám chỉ đến các địa phương có danh xưng là thị trấn, thành phố Vùng "nông thôn" là những vùng nằm ngoài ranh giới của các thị trấn này Sự phân biệt đơn giản này có thể gây lầm lẫn trong m ột số trường hợp vì m ột số địa phương có danh xưng làng xã có thể

có dân số đông hơn các thị trấn nhỏ Tại Hoa Kỳ, có hai loại khu đô thị Thuật từ urbanized area dùng để chỉ m ột khu đô thị có từ 50.000 dân trở lên Các khu đô thị dưới 50.000 dân được gọi là urban cluster Cụm từ U rbanized areas được sử dụng lần đầu tiên tại Hoa Kỳ trong cuộc điểu tra dân số nãm 1950 trong khi cụm từ urban cluster được thêm vào trong cuộc điều tra dân số năm 2000 Có khoảng 1371 khu

đò thị trên 10.000 người tại Hoa Kỳ Cục điều tra dãn sô Hoa Kỳ định n sh ĩa một khu đô thị như "những cụm thống kê cốt lõi có mật độ dân số ít nhất là 1.000 người

trên m ột dặm vuông A nh hay 386 người trên một cây số vuông và những cụm thống

kê xung quanh nó có tổng m ật độ dân số ít nhất là 500 người trên một dặm vuông hay 193 người trên m ột cây số vuông." Khái niệm về khu đô thị được Cực điều tra dân số Hoa Kỳ định nghĩa thường được dùng như thước đo chính xác hơn diện tích của một thành phô' vì trong các thành phố khác nhau cũng như tiểu bang khác nhau, đường phân giới giữa các ranh giới thành, phố và khu đô thị của thành phô' đó thường không như nhau T hí dụ, thành phố G reenville, South Carolina có dân số thành phố dưới 60.000 nhưng khu đô thị có trên 300.000 người trong khi đó Greensboro, North Carolina có dân số thành phố trên 200.000 nhưng dân số khu đô thị khoảng 270.000 Điều đó có nghĩa là Greenville thật sự "lớn hơn" theo m ột số ý nghĩa và m ục đích nào đó nhưng không phải theo m ột số ý nghĩa và mục đích khác, thí dụ như thuế, bẩu cử địa phương Khoảng 70% dân số Hoa Kỳ sống bên trong ranh giới của các khu đô thị (210 trong số 300 triệu người) Tổng cộng thì các khu

đô thị này chiếm khoảng 2% diện tích Hoa Kỳ Phần lớn cư dân đô thị là những người sống ở ngoại ô Cư dân sống trong thành phô' trung tâm cốt lõi chiếm khoảng 30% dân số khu đô thị (khoảng bO trong 210 triệu người)

Tại V iệt Nam theo nghị định số 72/2001/N Đ -C P ngày 5 tháng 10 nãm 2001 của Chính phủ Việt Nam vể việc phân loại đô thị và cấp quản lý đô thị, đô thị là khu dân cư tập trung có những đặc điểm sau:

1) Về cấp quản lý, đô thị là thành phố, thị xã, thị trấn được cơ quan nhà nước có thẩm quyền quyết định thành lập;

2) Về trình độ phát triển, đô thị phải đạt được những tiêu chuẩn sau:

• Là trung tâm tổng hợp hoặc trung tâm chuyên ngành, có vai trò thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội cùa cả nước hoặc m ột vùng lãnh thổ như: vùng liên tỉnh, vùng tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương hoặc vùng trong tỉnh, trong thành phố trực thuộc Trung ương; vùng huyện hoặc tiểu vùng trong huyện

• Đối với khu vực nội thành phố, nội thị xã, thị trấn tỷ lệ lao động phi nông nghiệp tối thiểu phải đạt 65% tổng số lao đ ộ ns; cơ sớ ha tánc phục vụ các

hoạt động của dân cư tối thiểu phải đạt 70% mức tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết

k ế quy hoạch xây dựng quy định cho từng loại đô thị, quy mô dân số ít nhất

là 4000 người và m ật độ dân số tối thiểu phải đạt 2000 người/km 2

Các loại đô thị ở V iệt Nam bao gồm:

• Đô thị loại đặc biệt (2 thành phố): Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh

• Đ ô thị loại 1 (4 thành phố): Hải Phòng; Đà Nẵng; Huế; Vinh

• Đ ô thị loại 2 (14 thành phô’): Cần Thơ; Nha Trang; Biên Hoà; Việt Trì; Thái

N guyên; Hạ Long; Nam Định; Thanh Hoá; Quy Nhem; Buôn Ma Thuột; Đà

• Đô thị loại 3 (38 thành phố, thị xã): Các thành phố còn lại, các #thị xã: Thủ Dầu M ột; Châu Đốc; Tân An; Đông Hà; Kon Turn; Bà Rịa; Bạc Liêu; Hưng Yên; Sa Đéc; Bến Tre

• Đô thị loại 4: Các thị xã còn lại

• Đô thị loại 5: Các thị trấn

H iện nay, V iệt Nam đã có 743 đô thị các loại, dãn số đô thị đạt gần 30% so với dân số toàn quốc Theo định hướng phát triển đô thị Việt Nam đến nãm 2020 tỷ lệ

đô thị hoá của Việt Nam sẽ đạt tới 45% tổng dân số toàn quốc Ngày 8/11 hàng

“Ngày đô thị hoá thế giới” đã được tổ chức hàng năm để công nhận, tôn vinh vai tròcủa công tác quy hoạch

Sử dụng đất và lớp phủ đất đô thị được hiểu trong nghiên cứu này là sử dụng đất

và lớp phủ đất ở các đô thị Như vậy, sử dụng đất và lớp phủ đất ở Hà Nội là một ví

dụ cụ thể Trong các đô thị ở Việt Nam, Hà Nội đóng vai trò của m ột thành phố đa chức năng, thủ đô của một quốc gia đang phát triển với trên 80 triệu dân Từ I/8/2008 Hà Nội trở thành đô thị lớn nhất cả nước với diện tích trên 3000 km2 Việc quy hoạch và quàn lý sử dụng đất và lớp phú đất ớ Hà Nội theo hướng phát triển bền vững đã trờ thành một công tác cấp bách đầy khó khăn, thách thức đòi hỏi

sử dụng hiệu qủa các công nghệ thông tin không gian như viễn thám, GIS và GPS Nghiên cứu này là m ột nỗ lực theo hướng đó.

ra nhiều chú giải từ m ột hệ thống phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất

Có hai nguồn dữ liệu chính để phân loại và lập bản đồ sử dụng dụng đất và lớp phủ đất là dữ liệu m ặt đất và dữ liệu viễn thám Sự ra đời và phát triển của công nghệ viễn thám , đặc biệt là viễn thám vệ tinh đã tạo cơ hội tốt cho việc cung cấp thông tin về sử dụng đất và lớp phủ đất Thông tin về lớp phủ đát được coi là thông tin bậc m ột hay thông tin có thể dẫn xuất trực tiếp từ ảnh viễn thám trong khi thông tin sử dụng đất được coi là thông tin bậc hai có thể dẫn xuất được từ ảnh viễn thám

Để khai thác các thông tin đó, một loạt hệ thống phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất bằng dữ liệu viễn thám đã được xây dựng và áp đụng Hệ thống phân loại lớp phù đất cấp châu lục do Chương trình CO RIN E (CCE, 1993) đưa ra bao gồm ba mức M ức thứ nhất bao gồm lãnh thổ nhân tạo, nông nghiệp, rừng, vùng ẩm ướt và mặt nước Chương trình Địa quyển-Sinh quyển quốc tế (IGBP, 1996) đã đưa ra phân loại lớp phủ đất cấp lục địa cho Bắc Mỹ sử dụng dữ liệu NOAA có độ phân giải không gian lk m và kiểm chứng bằng ảnh phân giải cao Ba tiêu chuẩn phân loại được sử dụng là sinh khối trên mặt đất (thực vật lưu niên hay thường niên), tuổi thọ cùa lá (thường xanh hay rụng lá) và kiểu lá (lá kim, lá rộng và cỏ) Hệ thống phân loại của IGBP bao gồm 17 lớp: 11 lớp thực vật tự nhiên, 3 lớp đất đã phát triển và

khảm và 3 lớp không có thực vât Gần đây, hê thống phân loại này đã được áp dụng vào lập bản đồ lớp phủ đất toàn cầu bằng ảnh MODIS.

Tại M ỹ, hệ thống phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất của Cục địa chất Mỹ

để dùng với dữ liệu viễn thám còn gọi là hệ thống phân loại Anderson được sử dụng rộng rãi (A nderson et al 1976; Lillesand and Kiefer, 1994) Đó là hệ thõng phân loại động có cấu trúc phân cấp có thể tinh chỉnh với dữ liệu mới có độ phân giải cao hơn Hệ thống phân loại Anderson có 4 cấp hay mức phân loại Cấp phân loại đầu tiên bao gồm 9 hạng là đất đô thị và xây dựng, đất nông nghiệp, đất chăn thả tự nhiên, đất rừng, nước, đất ướt, đất cằn, đất lạnh, tuyết và băng quanh năm Các hạng

có thể được chia thành phụ hạng Ví dụ, hạng 1 ở cấp I (đất đô thị) có thể được chia thành các phụ hạng cấp II như 11 Đ ất ở m ật độ thấp, 12 Đất ở mật độ trung bình,

13 Đ ất ở m ật độ cao, 14 Thương mại, 15 Công nghiệp, 16 Cơ quan, 17 Đ ất khai thác, 18 Đất đô thị mở, kể cả công viên và sân gôn Trong hệ thống phân loại này, đất dô thị hay xây dựng được định nghĩa là đất được che phủ bởi các công trình, ví

dụ thành phố, thị xã, làng, các đường quốc lộ, cơ sở giao thông, năng lượng, liên lạc

và các vùng chiếm bởi các nhà máy, trung tâm thương mại, công nghiệp Nhóm đất này được ưu tiên trong phân loại so với các nhóm khác khi nhiều tiêu chuẩn được thoả m ãn V í dụ, đất ở có đủ lớp phủ cây đáp ứng tiêu chuẩn đất rừng phải được xếp trong nhóm đất đô thị hay xây dựng Các loại ảnh đại diện cho các cấp hay mức phân loại thay đổi từ ảnh vệ tinh phân giải thô đến ảnh m áy bay tỷ lệ lớn (Bảng 1 )■Bảng 1 Loại ảnh đại diện cho cấp phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất

Nguồn: Lillesand and Kiefer, 1994

Tại V iệt Nam , lớp phủ thực vật rừng được chia thành 14 kiểu khác nhau dựa vào quần hệ lớn, độ tán che m ặt đất, hình thái và chất lá hoặc là nhịp m ùa của tán

lá, thích nghi vói thời gian và độ gay gắt của m ùa khô hạn (Thái Văn Trừng, 1999)

Hệ thống phân loại, lập bản đồ sử dụng đất phục vụ tổng kiểm kê đất đai 5 năm m ột lần ở Việt Nam , m ột nước nông nghiệp được thực hiện ở 4 cấp theo nguyên tắc từ dưới lên, cụ thể là xã (tỷ lệ 1:5000-1:10000), huyện (tỷ lệ 1:10000­1:25000), tỉnh (tỷ lệ 1:50000-1:100000) và toàn quốc (tỷ lệ 1:250000-1:1000000)

Có năm hạng sử dụng đất với 71 đơn vị sử dụng đất được kiểm kê là đất nông nghiệp (27 đơn vị SDĐ), đất lâm nghiệp (6 đơn vị SDĐ), đất chuyên dùng (20 đơn

vị SDĐ), đất ở (2 đơn vị SDĐ)và đất chưa sử dụng (16 đơn vị SDĐ) Trong hệ thống phân loại này, theo quy định của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đất có rừng tự nhiên là rừng có trữ lượng gỗ bình quân từ 25 m3 trên 1 ha trở lên hay rừng

có độ tán che > 0,3 (tổng diện tích tán cây > 30% diện tích đất có rừng đó) Đất khu dân cư nông thôn là đất dược xác định chủ yếu để xây dựng nhà ờ và các công trình phục vụ sinh hoạt ở nông thôn (thuộc phạm vi các xã) Quy ước thống kê đất khu dân cư nông thôn gồm các loại đất nằm trong các điểm dân cư nông thôn đã thực tế hình thành từ trước tới nay, kể cả các nhà ở riêng lẻ Phạm vi ranh giới khư dân cư nông thôn để thống kê lấy theo ranh giới khuôn viên thổ cư của các hộ nằm sát mép ngoài của khu dân cư đó Đ ất đô thị là đất nội thành phố, nội thị xã, thị trấn được sử dụng để xây nhà ở, trụ sở các cơ quan tổ chức, các cơ sở sản xuất kinh doanh, cơ sở

họ tầng phục vụ lợi ích công cộng, quốc phòng, an ninh và các mục đích khác Quy ước thống kê đất đô thị là toàn bộ diện tích các loại đất nằm trong địa giới hành chính của các phường, thị trail đã được nhà nước chính thức ký quyết định thành lạp Hệ thống phân loại sử dụng đất do Tổng cục Đ ịa chính ban hành đã được các địa phương trong cả nước thực hiện nhằm m ục đích thống kê, kiểm kê và quản lý đất đai toàn quốc Tuy nhiên, hệ thống này vẫn còn nhiều điểm chưa hợp lý và chưa phài là hệ thống đè dùng với dữ liệu viễn thám

Tóm lại, sử dụng đất và lớp phủ đất là hai khái niệm khác nhau được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu tài nguyên và môi trường Trong nghiên cứu phân loại

sử dụng đất và lớp phủ đất ở Việt Nam bằng phương pháp viễn thám và GIS cần tham khảo các hệ thống phân loại sẵn có trên thế giới và trong nước để xây dựng hệ thống chú giải sao cho phù hợp với dữ liệu sử dụng, m ục đích và vùng nghiên cứu

2.3 Đ ặc điểm của ảnh vệ tinh Terra ASTER

T e ư a ASTER (Advanced Spacebome Thermal Emission and Reflection Radiom eter) là bộ cảm đa phổ nâng cao được phát triển bởi NASA và Bộ Công thương N hật Bản và được phóng lên quỹ đạo trẽn vệ tinh Terra vào tháng 12 năm

1999 Dữ liệu ASTER đã được thu thập từ tháng 2 năm 2000 ASTER bao phủ một vùng phổ rộng với 14 băng từ nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt với độ phân giải bức

xạ, phổ và không gian cao M ột băng cận hồng ngoại nhìn lại cung cấp diện phủ lập thể Độ phân giải không gian thay đổi với bước sóng: 15 m ở nhìn thấy và cận hồng ngoại (V N IR ), 30 m ở cận hồng ngoại sóng ngắn (SW IR), và 90 m ở hồng ngoại nhiệt (TIR) M ỗi cảnh ASTER bao phủ m ột diện tích 60 X 60 km (Bảng 2)

Đ iểm độc đáo của bộ cảm ASTER là khả nãng quan sát lập thể, hồng ngoại

nhiệt đa ph Ị, dải phổ rộng, độ phân giải không gian cao và khả năng thu thập dữ

liệu theo yêu cầu Do vậy, dữ liệu ASTER được dùng để tạo bản đồ về nhiệt độ mặt đất độ phát xạ, phản xạ và độ cao, đóng góp vào m ột loạt các ứng dụng liên quan đến biến đổi toàn cầu bao gồm thực vật, động thái hệ sinh thai, giám sát tai biến, địa chất thổ nhưỡng, thủy văn, và biến động lớp phủ đất (Abram s and Hook, 2001; NASA, 2001)

Dữ liệu ASTER được xử lý và cung cấp ở các mức khác nhau như 1 A, 1B, 2 (ví dụ AST04 brightness tem perature), 3 (ví dụ AST14DEM ) Hiện tại, có thể thu thập dữ liệu ASTER ớ các mức khác nhau dươi d ạn s dữ liệu lưu trữ hay đặt mới từ các cơ quan như Cơ quan không gian (NASA), Cục địa chất (USGS), Cơ sở lớp phú

đất toàn cẩu (GLCF) ở Hoa Kỳ, Trung tâm phân tích dữ liệu tài nguyên trái đất (ERSDAC) ở N hật Bản và cả từ các cơ quan hay công ty ở V iệt Nam.

Tóm lại, Terra ASTER là dữ liệu bộ cảm vệ tinh mới, giá thành hạ với nhiều

kỳ vọng ứng dụng trong nghiên cứu tài nguyên và môi trường trái đất Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có nhiếu công trình nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng loại

dữ liệu này nhằm , nâng cao hiệu quả thành lập bản đồ sử dụng đất và lớp phủ đất ở

Hà Nội, nơi có tốc độ đô thị hoá cao ở V iệt Nam Do vậy, việc thực hiện đề tài nghiên cứu này là hết sức cần thiết về m ặt khoa học và thực tiễn

Hình 1 Các băng ảnh ASTER và Landsat ETM+

3 PHÂN LOẠI SỬ DỤNG ĐẤT VÀ LỚP PHỦ ĐẤT ĐÔ THỊ Ở HÀ NỘI BẰNG ẢNH VỆ TINH TERRA ASTER

3.1 Khu vực nghiên cứu

Hà Nội là m ột trong các tỉnh dọc sông Hồng, V iệt Nam, cách biển Đông hơn

100 km về phía tây và được xác định bởi 20°53'44" - 2 1 ° 23'24" vĩ độ Bắc và 105°42'00" - 106°2'24" kinh độ Đông (Hình 2)

Địa hình Hà Nội chủ yếu là đồng bằng thấp với độ cao trung bình từ 5m đến 20m so với m ực nước biển Xen giữa các bãi bồi là các vùng trũng với các hồ đầm như những vết tích còn sót lại của các lòng sông cổ Đ ê sông Hồng tạo ra sự tương phản địa hình giữa trong và ngoài đê.

Về địa chất, các trầm tích hộ Độ tứ khu vực Hà Nội thuộc hai thống Pleistoxen và H oloxen Các trầm tích Đệ tứ kể trên được xếp vào các tầng Lệ Chi,

Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng và Thái Bình

Về khí hậu, Hà Nội có khí hậu nhiệt đới gió mùa M ột năm có hai mùa chính: m ột m ùa lạnh, khô, và m ột m ùa nóng, ẩm M ùa khô thường kéo dài từ tháng

từ tháng năm đến tháng mười Lượng mưa trung bình năm là hơn 1500mm

Về thuỷ văn, Hà Nội có nhiều sông chảy qua như sông Hồng, sông Đáy, sông Đuống, sông Cầu, sông Cà Lồ, và các sông nhỏ hơn như sông Nhuệ, sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ và sông Set

Tóm lại, về mặt tự nhiên khu vực Hà Nội được đặc trưng bởi khí hậu nhiệt đới gió m ùa, địa hình đồng bằng thấp, nguồn nước dồi dào, đất đai mầu m ỡ tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của thực vật tự nhiên và canh tác trên cạn cũng như dưới nước và các hoạt động kinh tế xã hội diễn ra trong khu vực

Về điều kiện kinh tế-xã hội, Hà Nội là thủ đô của V iệt Nam, m ột quốc gia với trên 70 triệu dân Nơi đây tập trung nhiều nhà m áy xí nghiệp, công sở, trường học và bệnh viện, v é hành chính, thành phố có 9 quận nội thành là Ba Đình, Đống

Đa, Hoàn K iếm , Hai Bà Trưng, Hoàng M ai, Thanh X uân, Cầu Giấy, Tây Hồ, Long Biên và 5 huyện ngoại thành là Từ Liêm, Thanh Trì, G ia Lâm, Đông Anh, và Sóc Sơn

Từ 1/8/2008 ranh giới hành chính của Hà Nội lại đựợc m ở rộng bao gồm toàn

bộ tỉnh Hà Tày, huyện Mê Linh, tỉnh VTnh Phúc và bốn xã của huyện Lươns Sơn lính Hòa Bình Với lấn điều chỉnh địa giới này, Hà Nội đã trở thành đỏ thị lớn nhất Việt Nam , một trong những thủ đô lớn nhất thế giới về diện tích và dân số

Các hoạt động kinh tế chủ yếu của Hà Nội là công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, xây dựng, thương mại và dịch vụ thu hút m ột lực lượng lao động lớn tại chỗ và từ các địa phương khác đổ về Các khu công nghiệp nằm rải rác ở nội và ngoại thành như khu công nghiệp Hạ Đình, Vĩnh Tay, Giáp Bát, Láng, Chèm, Cầu Diễn, Văn Đ iển, G ia Lâm Trong những năm gần đây m ột sô khu công nghiệp mới tập trung đã m ọc lên như khu công nghiệp Sài Đồng, Bắc Thăng Long và khu chế xuất Nội Bài.

Về giao thông liên lạc, Hà Nội là đầu mối của hệ thống đường xá, m ạng lưới viễn thông dẫn đến tất cả các địa phương khác trong cả nước Mổi liên lạc giao lưu giữa Hà nội với thế giới được thực hiện qua sân bay quốc tế Nội Bài và đường sắt quốc tê nối H à Nội với Bắc Kinh

Theo số liệu tổng điều tra dân số gần đây nhất của Tổng cục thõng kê năm

1999, Hà Nội có diện tích 921 km, dân số 2,67 triệu người, tỷ lệ dân thành thị gần 60% , và m ật độ dân số 2867 người trên lkm 2 Trong 10 năm từ 1995 đến 2005 sổ dân thành thị ở Hà Nội đã tăng từ 1274,9 lên 2056,8 nghìn người (Hình 3) Dân sô'

Hà Nội phân b ố không đều giữa các quận, huyện Các khu vực đông dân cư nhất của Hà Nội là khu phô' cổ 36 phố phường và một số phường khác của quận Hoàn Kiếm, Đ ống Đ a và Hai Bà Trưng

Hình 3 Sự tâng dân số đô thị ở H à Nội

Từ 1986 đến nay, Hà Nội là m ột trong những địa bàn có tốc độ đô thị hoá nhanh nhất ở V iệt Nam kéo theo những biến động lớn vẻ tài nguyên và môi trường Trận lụt lịch sử tại Hà Nội tháng 11, 2008, ba tháng sau khi mở rộng địa giới, đã cho thấy rõ nhiều bất cập, yếu kém trong quy hoạch và quản lý sử dụng đất va lớp phủ đất Do đó, việc nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ đất ở Hà Nội bằng phương pháp viễn thám vệ tinh và GIS thực sự là một đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp phán cung cấp thông hữu ích cho quy hoạch và quản lý đô thị theo hướng phát triển bển vững

ký liình học theo W GS84 và vùng UTM chung cho tất cá các kênh (A bram s and

17

Hook, 2001) Năm bang ASTER TIR (được đánh sô 10 đến 14) có trung tâm xung quanh 8.28, 8.63, 9.07, 10.65 và 11.28 ụm.

Hình 4 Toàn cảnh ASTER cận hồng ngoại băng 3N (trái) và hồng ngoại nhiệt băng

10 (phải), Hà Nội, 16/11/01

Đ ộ phân uiái khổng giun - SWIR 30 m

Đ ể trợ giúp xử lý và phân tích ảnh, dữ liệu bổ trợ đã được thu thập và sử dụng bao gồm bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề (tỷ lệ 1:100,000; 1:50,000, 1:10,000),

dữ liệu GIS như lớp ranh giới hành chính từ cấp thành phô đến phường xã, lớp thuỷ

26/10/1995, IKON OS ngày 30/03/2000 Ảnh vệ tinh phân giải không gian rất cao IKON OS do hãng Space Im aging cung cấp Đó là ảnh tổ hợp màu thật phân giải lm kết hợp nội dung không gian của ảnh toàn sắc và nội dung màu của ảnh đa phỗ Dữ liệu được thu vào thời điểm m ùa xuân năm 2000 ờ Hà Nội

2331000m N Khu vực nghiên cứu rộng 8840 ha bao gồm cả các quận và huyện ở

Hà Nội (H ình 6)

D ữ liệu ả n h sổ

vệ tin h T erra

A S T E R

X ử lý ả n h số (nhập ảnh, hiệu chình, hiền thị, chọn bâng, tạo cửa sổ, tạo ảnh tỳ số, ánh lổ hợp màu, phân loại ảnh)

Hình 5 Các bước xử lý và phân tích ảnh vệ tinh Terra ASTER trong nghiên cứu sử

dụng đất và lớp phủ đất khu vực Hà Nội

Hình 6 VỊ trí cửa sổ ảnh nghiên cứu

Đê phân loại, lập bản đồ và phân tích lớp phủ nước, đăc điểm phản xạ của nước ở băng lục và hấp thụ ở băng cận hồng ngoại được khai thác trong khi tính chỉ

số nước N D W I theo công thức:

NDW I = (kênh 1-kênh 3N)/(kênh 1+kênh 3N)

nước và không phải nước ở khu vực nghiên cứu

Để phân loại, lập bản đồ và phân tích lốp phủ thực vật, chỉ số thực vật chuẩn hóa (NDVI) đã được tính từ các kênh 2 và 3N ảnh ASTER sử dụng công thức:

ND VI = (kênh 3N -kênh 2)/(kênh 3N+kênh 2)

Kết quả tính chỉ số thực vật đã được dùng để phân loại nhị phân kiểu lớp phủ thực vật và không phải thực vật ở khu vực nghiên cứu

Các băng ảnh ASTER 1, 2 và 3N ở độ phân giải không gian 15m đã được sử dụng để tạo ảnh tổ hợp mầu Tổ hợp m àu tạo ra đã được dùng đê phân loại và lập bản đổ sử dụng đất và lớp phủ đất Các thuật toán phân loại không có hướng dẫn và

có hướng dẫn đã được áp dụng (Jensen, 1996; Eastm an, 2001) Hệ thống phân loại gồm 7 lớp sử dụng đất và lớp phủ đất đã được xây dựng để dùng với dữ liệuASTER vói mức chi tiết tương ứng với các lớp mức II theo USGS (Anderson, 1976)

Để tìm hiểu sự hữu ích của ảnh ASTER hồng ngoại nhiệt trong nghiên cứu sử dụng đất, lớp phủ đất và khí hậu địa phương, kênh ASTER TIR 10 đã được sử dụng Các tập dữ liệu VN IR và TIR đã được hiển thị cạnh nhau và được đánh giá bằng thị giác để xem xét quan hệ giữa nhiệt độ bề m ặt và cấu trúc đô thị

Kết quả phân loại được kiểm tra đánh giá bằng m ắt dựa trên hiểu biét sẩn có, quan sát thực địa và dữ liệu đối chiếu khác về sử dụng đất và lớp phủ đất ở Hà Nội Đồng thời, việc đánh giá độ chính xác của phân loại ảnh được thực hiện định lượng bằng phương pháp phân tích m a trận sai số

Đ ê tạo ra thông tin định lượng về sủ dụng đất và lớp phủ đất trong khu vực,

cá c phương pháp phân tích bằng GIS như phân tích hình h ọ c , phân tích thống kẽ đã