Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám nghiên cứu và dự báo xu thế biến động lớp phủ mặt đất huyện từ liêm, thành phố hà nôi

Trong ba thập kỷ gần đây, công nghệ và phương pháp viễn thám phát triển hết sức nhanh chóng với sự xuất hiện của các đầu thu phát đời mới, nhờ đó ảnh thu được có độ phủ rộng ở các tỷ lệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài 8

2 Mục tiêu của đề tài 10

3 Nhiệm vụ của đề tài 10

4 Phạm vi nghiên cứu 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11

7 Cấu trúc của luận văn 11

Chương 1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 12

1.1 Khái niệm và một số hệ phân loại lớp phủ mặt đất 12

1.1.1 Khái niệm về lớp phủ mặt đất 12

1.1.2 Hệ phân loại lớp phủ mặt đất 13

1.2 Các phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 16

1.2.1 Biến động lớp phủ mặt đất 16

1.2.2 Các nguyên nhân gây ra biến động 16

1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 18

1.2.3.1 Phương pháp so sánh sau phân loại 18

1.2.3.2 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 19

1.2.3.3 Phương pháp phân tích vector thay đổi phổ 20

1.2.3.4 Phương pháp số học 21

1.3 Cơ sở phương pháp luận xác định biến động lớp phủ mặt đất ứng dụng công nghệ viễn thám 22

1.4 Tổng quan các công trình ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 23

1.4.1 Tình hình nghiên cứu lớp phủ trên thế giới 23

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 23

Chương 2 CƠ SỞ SỬ DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM 26

TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 26

2.1 Công nghệ viễn thám và ảnh vệ tinh độ phân giải cao 26

2.1.1 Công nghệ viễn thám 26

2.1.2 Ảnh vệ tinh độ phân giải cao 28

2.2 Đặc trưng phản xạ phổ của các đôi tượng tự nhiên 31

2.2.1 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 32

2.2.3 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 33

2.3 Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám vào nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 33

Chương 3 THỰC NGHIỆM - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ 38

VIỄN THÁM VÀ GIS VÀO NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ 38

KHU VỰC HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI 38

3.1 Khái quát về khu vực nghiên cứu 38

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 38

3.1.2 Điều kiện xã hội 38

3.2 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 1995 - 2009 40

3.2.1 Tư liệu sử dụng 40

3.2.2 Chiết tách thông tin trên ảnh viễn thám 40

3.2.3 Xây dựng quy trình thành lập bản đồ biến động lớp phủ mặt đất 46

3.2.4 Thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm giai đoạn 1995 - 2009 48

3.3 Phân tích, thành lập bản đồ biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm giai đoạn 1995 - 2002 – 2009 63

Chương 4 ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 68

4.1 Tầm quan trọng của công tác đánh giá biến động lớp phủ mặt đất 68

4.2 Đánh giá biến động các đối tượng 68

4.2.1 Đất ở và xây dựng 68

4.2.2 Đất nông nghiệp 69

4.2.3 Mặt nước 70

4.2.4 Đất trống 71

4.3 Nhận xét về vấn đề đô thị hóa 72

4.4 Ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov và mạng tự động dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất 73

4.4.1 Quy trình các bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2023 73 4.4.2 Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov 80

4.4.3 Mô hình hóa sự biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm dựa vào bài toán CA_Markov 80

KẾT LUẬN 87

KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FAO Tổ chức Nông lương Thế giới GIS Hệ thống thông tin địa lý GLCN Global Land Cover Network GPS Global Positioning System HTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất LCCS Land Cover Classification System MaDCAT Mapping Device – Change Analysis Tool UNEP Chương trình Môi trường Liên hợp quốc U.S.G.S United State Geological Survey

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất 14

Hình 1.2: Phương pháp so sánh sau phân loại 19

Hình 1.3: Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 20

Hình 1.4: Phương pháp phân tích vector thay đổi phổ 20

Hình 2.1: Ảnh vệ tinh IKONOS 29

Hình 2.2: Đặc điểm phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên chính 32

Hình 3.1: Khu vực nghiên cứu 38

Hình 3.2: Quy trình thành lập bản đồ biến động lớp phủ mặt đất 47

Hình 3.3: Ảnh SPOT huyện Từ Liêm năm 1995, 2002 và 2009 48

Hình 3.4: Giao diện phần mềm MaDCAT 52

Hình 3.5: Ảnh mở bằng công cụ Raster manager 53

Hình 3.6: Lựa chọn thông số cho phân tách ảnh segmentation 54

Hình 3.7: Kết quả phân tách ảnh thành các vùng 55

Hình 3.8: Hệ thống phân loại lớp phủ ( LCCS) 55

Hình 3.9: Công cụ Automatic Clustering 56

Hình 3.10: Tạo vùng mẫu 57

Hình 3.11: Công cụ chọn vùng mẫu 57

Hình 3.12: Bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 1995 59

Hình 3.13: Bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2002 60

Hình 3.14: Bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2009 61

(Thu nhỏ từ bản đồ tỷ lệ 1: 65 000) 61

Hình 3.15: Cơ cấu lớp phủ thời điểm 1995 62

Hình 3.16: Cơ cấu lớp phủ thời điểm 2002 62

Hình 3.17: Cơ cấu lớp phủ thời điểm 2009 62

Hình 3.18: Chồng xếp kết quả phân loại thời điểm 1995 và 2002 63

Hình 3.19: Biểu tượng cho các đối tượng phục vụ biên tập các bản đồ biến động 63

Hình 3.20: Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 1995 – 2002 64

Hình 3.21: Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2002 – 2009 65

Hình 3.22: Biểu đồ diện tích các loại lớp phủ các thời điểm 67

Hình 4.1 Đồ thị thay đổi diện tích đất ở và xây dựng(ha) 69

Hình 4.2 Đồ thị thay đổi diện tích đất nông nghiệp (ha) 70

Hình 4.3 Đồ thị thay đổi diện tích mặt nước (ha) 71

Hình 4.4 Đồ thị thay đổi diện tích đất trống(ha) 72

Hình 4.5: Quy trình dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu 74

Hình 4.6: Quy trình các bước phân cấp thích hợp 75

Hình 4.7: Ảnh phân cấp thích hợp cho dân cư và xây dựng 78

Hình 4.8: Ảnh phân cấp thích hợp cho đất trống 78

Hình 4.9: Ảnh phân cấp thích hợp cho nông nghiệp 79

Hình 4.10: Ảnh phân cấp thích hợp cho mặt nước 79

Hình 4.11: Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov trong Idrisi Andes 15.0 80

Hình 4.12: Mô hình hóa biến đổi đất đô thị dựa vào CA_Markov 81

Hình 4.13: Kết quả mô hình hóa biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm đến 2009 81

Hình 4.14: Kiểm chứng kết quả mô hình hóa và ảnh phân loại thực tế năm 2009 82

Hình 4.15: Kết quả kiểm chứng giữa ảnh mô hình hóa và ảnh phân loại năm 2009 82

Hình 4.16: Mô hình hóa dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2016 dựa vào CA_Markov 83

Hình 4.17: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2016 83

Hình 4.18: Mô hình hóa dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2023 dựa vào CA_Markov 84 Hình 4.19: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2023 84

Hình 4.20: Đồ thị biến động diện tích lớp phủ mặt đất xác định bằng phân loại ảnh và dự báo bằng mô hình giai đoạn 1995 - 2023 85

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật ảnh IKONOS 29

Bảng 2.2: Một số thông số của ảnh QuickBird 30

Bảng 2.3: Đặc điểm hệ thống SPOT 31

Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học cơ bản 35

Bảng 3.1: Một số dấu hiệu giải đoán trên ảnh tổ hợp màu giả chuẩn 41

Bảng 3.2 Hệ thống chú giải của ảnh lớp phủ mặt đất trong khu vực nghiên cứu 48

Bảng 3.3: Hệ thống mẫu giải đoán ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu 50

Bảng 3.4: Các đối tượng cần phân loại 56

Bảng 3.5: Mẫu phân loại các đối tượng 58

Bảng 4.1: Bảng kết quả biến động diện tích lớp phủ mặt đất xác định bằng phân loại ảnh và dự báo bằng mô hình giai đoạn 1995 - 2023 85

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình đô thị hóa mạnh mẽ cùng với sự gia tăng dân số đã dẫn tới sự thay đổi lớn trong hiện trạng sử dụng đất ở hầu hết các tỉnh thành ở Việt Nam, đặc biệt là thủ

đô Hà Nội_trung tâm văn hóa, chính trị, kinh tế, xã hội của cả nước Trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa ở thành phố Hà Nội diễn ra rất nhanh Đất nông nghiệp nhanh chóng bị thu hẹp để nhường chỗ cho các loại hình khác như các khu dân cư, các khu công nghiệp, các công trình công cộng khác Việc nghiên cứu biến động trên diện rộng và thời gian dài là vấn đề cần thiết cho các cơ quan quản lý của thành phố, vì vùng ven đô sẽ là cầu nối giữa các vùng nông thôn, các thành phố vệ tinh với Hà Nội Ví dụ: ở nơi tiếp giáp nông thôn và đô thị, trong một khoảng thời gian ngắn, một vùng đất nông nghiệp bị biến thành đất cây xanh trong khu đô thị Sự thay đổi này gây khó khăn cho các nhà hoạch định chính sách trong việc thay đổi các chính sách trong vùng đó bởi vì việc điều tra tiến hành 5 năm một lần ở nước ta Trong ba thập kỷ gần đây, công nghệ và phương pháp viễn thám phát triển hết sức nhanh chóng với sự xuất hiện của các đầu thu phát đời mới, nhờ đó ảnh thu được

có độ phủ rộng ở các tỷ lệ và độ phân giải ngày càng lớn, góp phần hữu ích phục vụ cho quản lý và giám sát trong công tác quản lý và dự báo lớp phủ mặt đất

So với các tư liệu viễn thám trước đây, bằng công nghệ mới cho phép chúng ta cập nhật thông tin, tiến hành nghiên cứu một cách nhanh chóng, hiệu quả, tiết kiệm được thời gian và công sức, các tư liệu hiện nay đi đôi với việc giảm giá giá thành là tăng độ phân giải Sự phát triển công nghệ viên thám tạo ra ảnh hưởng tích cực đến các tổ chức điều phối và giám sát mặt đất bao gồm giám sát sự biến động lớp phủ mặt đất và cả đất sử dụng với sự biến đổi đa tỷ lệ không gian Công nghệ hiện nay còn cho phép lựa chọn và phân tích dữ liệu bởi hiệu chỉnh tán xạ mặt đất, khí quyển, quỹ đạo vệ tinh, và việc kết hợp dữ liệu GPS, các lớp dữ liệu và chức năng GIS, và môt số

mô hình khác, càng tăng thêm tính xác thực của kết quả Vì vậy, tư liệu viễn thám là một nguồn số liệu hết sức có giá trị để chiết tách các thông tin lớp phủ bề mặt Với nhu cầu tăng số lượng và chất lượng thông tin, công nghệ viễn thám còn hữu ích cho

cả tương lai trong chuyên ngành này Vì vậy, mục tiêu sử dụng tư liệu viễn thám và các công cụ khác trong giám sát sự biến đổi lớp phủ là hết sức cần thiết, đúng đắn và hữu ích Các cơ quan hoạch định kế hoạch và giám sát lớp phủ có nhiều trách nhiệm

và nghĩa vụ trong công việc này nhưng khả năng của họ trong việc thực hiện nhiệm

vụ này bị hạn chế bởi thông tin mới về loại hình và tốc độ biến đổi lớp phủ, thậm chí hạn chế cả thông tin về các cấu thành như nguyên nhân, phân bố, tốc độ biến động lớp phủ

Từ Liêm là một huyện ngoại thành Hà Nội, nơi có quá trình đô thị hóa nhanh

Để quản lý, phát triển bền vững, một trong những nhiệm vụ đặt ra là cần đánh giá biến động lớp phủ mặt đất

Từ trước đến nay ở nước ta, ứng dụng của viễn thám trong điều tra sự biến động

là hết sức cần thiết nhưng chưa có một quy trình chuẩn (rất đơn giản hay các kết quả

đạt được chiết tách các ảnh vệ tinh trước đây như: Ứng dụng công nghệ viễn thám

trong nghiên cứu biến động sử dụng đất thành phố Đà Nẵng; Ứng dụng viễn thám theo dõi biến động đất đô thị của thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An; Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động lớp phủ thực vật rừng huyện Ngọc Hiển

và Năm Căn, Cà Mau ) hay giao trách nhiệm cho một tổ chức cụ thể ở các từng địa phương, từng vùng; và kể cả chính phủ cũng đang rất cần các thông tin chiết tách từ ảnh viễn thám để hoạch định điều chỉnh chính sách của địa phương, vùng hay cả nước dựa vào xu thế và dự báo biến động

Viễn thám (sử dụng tư liệu độ phân giải cao) kết hợp GIS tạo ra các bản đồ hay quy trình thứ cấp còn hỗ trợ đưa ra các quyết định trên cơ sở độ chính xác cao, nhanh chóng và giá thành rẻ Tuy nhiên, sự phát triển, nghiên cứu và ứng dụng viễn thám và GIS cũng rất cần đến kinh nghiệm và sự hiểu biết trong các chuyên sâu

Trong tương lai gần, với các dự án và đầu tư về số lượng và các loại hình vệ tinh, việc sử dụng kết quả dự báo xu thế hay hiện trạng tức thời của lớp phủ sẽ ngày càng dễ dàng và chính xác hơn

Tại nước ta hiện nay, với nguồn lực và việc đầu tư mới một số trạm thu nhận ảnh vệ tinh độ phân giải ngày càng cao, chúng tác giả khẳng định hướng đi này là hết sức đúng đắn, cần thiết

Đặc biệt, với việc sử dụng cả ảnh SPOT 5 trong Đề tài, tác giả hy vọng sẽ tạo được cơ sở dữ liệu thực nghiệm có độ chính xác cao hơn hẳn trước đây, khi mà các ứng dụng theo hướng này còn sơ sài và chỉ sử dụng các ảnh viễn thám độ phân giải thấp và trung bình, trong thời kỳ đô thị hoá chưa nhanh như hiện nay tại vùng nghiên cứu thử nghiệm

Chính vì các lý do trên, tác giả chọn đề tài: “Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám nghiên cứu và dự báo xu thế biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm, Thành phố Hà Nội”

Đề tài sẽ đi sâu vào các nôi dung chính sau: (1) Nghiên cứu tổng quan về tư liệu viễn thám độ phân giải cao, dữ liệu và các phương pháp lịch sử, (2) chứng minh tính đúng đắn và đưa ra quy trình tiêu chuẩn có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, và (3) nghiên cứu, đưa ra xu thế biến động vùng nghiên cứu và đề xuất ứng dụng mô hình trong sản xuất

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nâng cao vai trò của tư liệu viễn thám nói chung và ảnh viễn thám độ phân giải cao nói riêng trong việc nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất Các mục tiêu của đề tài là:

- Nghiên cứu hiện trạng lớp phủ mặt đất khu vực có sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh

độ phân giải cao

- Đưa ra xu thế biến động một số yếu tố lớp phủ bề mặt như: đất nông nghiệp, đất ở và xây dựng, đất bằng chưa sử dụng, mặt nước

3 Nhiệm vụ của đề tài

Để đạt được những mục tiêu đề ra, đề tài sẽ thực hiện các nhiệm vụ chính như sau:

- Tìm hiểu tình hình ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu lớp phủ ở Việt Nam và Hà Nội nói riêng

- Xử lý ảnh vệ tinh của khu vực huyện Từ Liêm thu thập được

Khu nghiên cứu thuộc huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện, đề tài sử dụng hệ phân loại LCCS và phần mềm MadCat Bên cạnh đó là các phương pháp:

- Phương pháp viễn thám: bao gồm xử lý, phân loại, chiết tách các thông tin lớp phủ từ ảnh vệ tinh, … đặc biệt là ảnh SPOT5

- Phương pháp điều tra thực địa: Thu thập dữ liệu, điều tra, kiểm chứng các kết quả

- Phương pháp bản đồ: thực hiện các công tác biên tập, chỉnh sửa, trình bày kết quả…

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Các kết quả đạt được của luận văn:

- Đã xây dựng được các bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất ở 3 thời điểm 1995,

2002, 2009, từ đó xây dựng các bản đồ biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 1995 –

2002, 2002 – 2009 bằng phương pháp viễn thám và GIS

- Đánh giá biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 1995 - 2009 và dự báo biến động lớp phủ mặt đất đến 2023 cho khu vực nghiên cứu

Với kết quả đạt được trong đề tài , một lần nữa nhấn mạnh và góp phần nâng cao vai trò của tư liệu viễn thám trong các khía cạnh xã hội khác Các kết quả thu được góp phần cập nhật thông tin về lớp phủ mặt đất khu vực huyện Từ Liêm, nó giúp cho các nhà quản lý đưa ra được các quyết định và xây dựng kế hoạch phát triển lâu dài một cách hợp lý hơn Bên cạnh đó, việc đưa ra các dự đoán về lớp phủ trong khu vực góp phần quan trọng trong chiến lược phát triển của khu vực

Đề tài cũng góp phần vào việc nghiên cứu các phần mềm chuyên dụng cho lớp phủ mặt đất với hệ thống phân loại đối tượng khá đầy đủ, và mô hình dự báo biến động lớp phủ mặt đất

7 Cấu trúc của luận văn

Bên cạnh phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 4 chương như sau:

Chương 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT;

Chương 2 CƠ SỞ SỬ DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT;

Chương 3 THỰC NGHIỆM - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ KHU VỰC HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI; Chương 4 ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU

Chương 1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Lớp phủ mặt đất là những đối tượng vật chất quan sát được trên bề mặt trái đất

Khi nghiên cứu lớp phủ mặt đất một cách thuần túy và chính xác thì lớp phủ mặt đất thể hiện trạng thái của thực vật và các hoạt động của con người[10] Do đó, các khu vực mà bề mặt là đá trọc hay đất trống thường giữ nguyên tên thay vì coi đó

là lớp phủ mặt đất Ngoài ra, còn có những tranh cãi mặc dù mặt nước thật sự là lớp phủ mặt đất Tuy vậy, trong thực tế các nhà khoa học thường mô tả các khía cạnh thuộc các thành phần của lớp phủ mặt đất[2]

Một khái niệm khác, lớp phủ mặt đất là trạng thái vật chất của bề mặt trái đất Lớp phủ bề mặt là sự kết hợp của nhiều thành phần như: thực phủ, thỗ nhưỡng, đá gốc và mặt nước chịu sự tác động của các nhân tố tự nhiên như nắng, gió, mưa bão và các hoạt động nhân tạo như khai thác đất để trồng trọt, xây dựng công trình phục vụ đời sống con người

Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng của chúng lại có sự tương quan mật thiết Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử dụng đất và các hoạt động kinh tế-xã hội xảy ra trên mặt đất, những hoạt động này là sự tác động trực tiếp lên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụng đất cũng là đối tượng của lớp phủ mặt đất, ví dụ như đất đô thị và đất nông nghiệp Một số loại hình sử dụng đất khác như công viên, sân gôn theo góc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ, rừng cây hay các công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ phân loại lớp phủ mặt đất hiện hành đều phải xét đến khía cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hình lớp phủ nhân tạo có thực phủ

Trên thực tế mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớp phủ mặt đất đặc trưng và mỗi một đối tượng đều chịu sự tác động của tự nhiên và con người với mức độ mạnh, yếu khác nhau Sự tác động này đã làm cho lớp phủ mặt đất luôn biến

đổi Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngược lại cũng có những ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của con người, như diện tích rừng suy giảm đã gây ra lũ lụt; sự gia tăng của các khu công nghiệp và các hoạt động nông nghiệp như tăng vụ lúa, nuôi trồng thuỷ sản không hợp lý là một trong những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu

Như vậy có thể nói lớp phủ mặt đất có quan hệ mật thiết với các hoạt động kinh tế

xã hội, tài nguyên thiên nhiên và môi trường sống của con người

1.1.2 Hệ phân loại lớp phủ mặt đất

Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các lớp thông tin lớp phủ mặt đất và đảm bảo tính thống nhất về nội dung thông tin, người ta xây dựng các

hệ phân loại lớp phủ mặt đất[2]

Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựa trên nguyên tắc sau:

- Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tượng bề mặt thành các nhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tượng như mặt nước, mặt đất, lớp phủ thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo

- Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm các loại ảnh vệ tinh như Spot, Landsat, ảnh hàng không…

- Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đối tượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau

- Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn

- Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợp với việc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu cầu thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau

Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với điều kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực Cụ thể:

- Hệ phân loại FAOLCC vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa chi tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảo sát ngoại nghiệp Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính:

Cấp 1 (Level1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ

thực vật của bề mặt đất

Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1

theo đặc điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất

Nước

lục địa

Đất không có thực phủ

Bề mặt trái đất

Đại dương Biển

Thường xuyên

Thay đổi theo mùa

Đất có thực phủ

Tự nhiên (đất trống, bãi đá, cồn- bãi cát…)

Sông, suối

Kênh, mương

Hồ, ao đầm…

Tự nhiên (Rừng tự nhiên)

Tự nhiên (Trảng cỏ…)

Nhân tạo (Cây lâu năm…)

Nhân tạo (Lúa, màu…)

Nhân tạo (các công trình xây dựng…)

Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2

theo tính chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất Từ cấp 3 trở đi các đối tượng được phân chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu và mức độ chi tiết của bản đồ cần thành lập

- Hệ phân loại U.S.G.S, CORINE dựa vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC

và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của Mỹ và Châu Âu Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp:

Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của trái đất

là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt, mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu

Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật, phù

hợp với bản đồ tỷ lệ 1: 500 000 và 1: 1 000 000

Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối

tượng cũng như khu vực nghiên cứu, phù hợp với bản đồ tỷ lệ 1: 1 000 000

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất (nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE)

Ở nước ta trong những năm gần đây đã quan tâm đến việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất, nhưng chưa có một công trình nào chuyên nghiên cứu về hệ phân loại của bản đồ để đưa ra một hệ phân loại chung áp dụng cho cả nước như hệ phân loại của bản đồ hiện trạng sử dụng đất Các bản đồ lớp phủ mặt đất đã thành lập đều phục

vụ một mục đích cụ thể hoặc chỉ là một lớp thông tin của lớp phủ mặt đất như lớp phủ

Theo luật số 13/2003/QH11 của quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam về đất đai; Căn cứ vào mục đích sử dụng, đất đai được phân loại như sau:

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 Trong phạm vi đề tài này, tác giả chỉ tập trung vào các đối tượng: đất nông nghiệp, đất ở và xây dựng, mặt nước và đất bằng chưa sử dụng

1.2 Các phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất

1.2.1 Biến động lớp phủ mặt đất

Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái (diện tích, hình thái) này sang trạng thái khác của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như xã hội

Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạng thái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại những thời điểm khác nhau Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất là rất quan trọng Hiện nay có nhiều phương pháp nghiên cứu biến động, nhưng hầu hết các kết quả nghiên cứu biến động đều được thể hiện trên bản đồ biến động và các bảng tổng hợp kết quả Các phương pháp nghiên cứu khác nhau sẽ cho các bản đồ khác nhau

Để nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất có nhiều phương pháp khác nhau với nhiều nguồn tài liệu khác nhau như: từ các số liệu thống kê hàng năm, số liệu kiểm

kê, hay từ các cuộc điều tra Các phương pháp này thường tốn nhiều thời gian, kinh phí và không thể hiện được sự thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của lớp phủ mặt đất, và vị trí không gian của sự thay đổi đó Phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám đã khắc phục được những nhược điểm đó

Việc sử dụng tư liệu viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất là giám sát thay đổi lớp phủ mặt đất đưa đến sự thay đổi về giá trị bức xạ và những thay đổi về giá trị bức xạ do thay đổi lớp phủ mặt đất phải lớn hơn sự thay đổi về bức xạ gây ra bởi các yếu tố khác Những yếu tố khác này bao gồm sự thay đổi về điều kiện khí quyển, độ ẩm mặt đất, góc chiếu của mặt trời Tuy nhiên, có thể giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này bằng việc lựa chọn dữ liệu thích hợp

1.2.2 Các nguyên nhân gây ra biến động

Biến động của lớp phủ mặt đất bao giờ cũng bao gồm nhiều yếu tố tương tác lẫn nhau như: sự kết hợp của mục đích sử dụng đất tùy theo thời gian, không gian cụ thể tùy vào mục đích , môi trường và điều kiện của con người Các quá trình tự nhiên diễn ra trên bề mặt đất như: hạn hán, xói mòn, … cũng quan trọng như các tác động của con người( phụ thuộc vào chính sách, điều kiện kinh tế, …)[10]

Các nguyên nhân chính dẫn đến biến động lớp phủ mặt đất gồm:

- Sự thay đổi đa dạng của tự nhiên: Sự thay đổi của môi trường tự nhiên tương

kiện sinh thái khác nhau do biến đổi về khí hậu đòi hỏi những thay đổi tài nguyên đất, đặc biệt là trong điều kiện khan hiếm tài nguyên, như khô để phù hợp điều kiện khí hậu ẩm ướt Thông qua những thay đổi riêng lẻ về tự nhiên và kinh tế xã hội, điều kiện tự nhiên cũng có thể dẫn đến phát triển không bền vững, ví dụ: điều kiện ẩm ướt bất thường có thể dẫn đến nguy cơ hạn hán Khi thời tiết trở nên khô hơn cũng là nguyên nhân gây ra suy thoái đất Biến động lớp phủ mặt đất, chẳng hạn như việc mở rộng đất trồng trọt ở vùng đất khô hạn cũng có thể làm tổn thương tới mối quan hệ giữa con người và môi trường_khí hậu, từ đó có thể dẫn đến suy thoái đất

- Vấn đề con người: Việc tăng hay giảm dân số trong bất kỳ khu vực đều có ảnh

hưởng đến lớp phủ mặt đất tại đó Sự thay đổi không chỉ đơn thuần là tỷ lệ sinh tử và

nó còn bao gồm cả sự thay đổi trong cấu trúc gia đình tính sẵn sàng lao động, di cư,

đô thị hóa, sự tan vỡ gia đình để tạo thành nhiều gia đình hạt nhân Di cư là yếu tố quan trọng nhất gây ra sự thay đổi nhanh chóng lớp phủ mặt đất Sự phát triển của các đô thị, phân bố dân cư nông thôn - thành thị là những yếu tố quan trọng gây ra sự thay đổi lớp phủ tại khu vực

- Vấn đề chính sách, thể chế: Biến động lớp phủ bị ảnh hưởng trực tiếp của các

chính sách kinh tế, các thể chế pháp lý, truyền thống Tiếp cận đất đai, lao động, vốn,

… được xây dựng trên chính sách của địa phương, quốc gia và các tổ chức, bao gồm: quyền sở hữu, chính sách môi trường, hệ thống quản lý tài nguyên, mạng xã hội liên quan, …Kiểm soát thể chế về sử dụng đất đai đang ngày càng chuyển dịch từ địa phương đến cấp khu vực và toàn cầu như là một kết quả của sự liên kết lẫn nhau ngày càng tăng của thị trường, sự gia tăng các công ước quốc tế về môi trường Việc xác định chính sách và thực thi thể chế kém làm suy yếu chiến lược thích hợp của địa phương có thể dẫn đến việc thay đổi theo chiều hướng tiêu cực, mất cân đối trong việc sử dụng đất Điều quan trọng là các tổ chức có ảnh hưởng đến những quyết định

về quản lý và sử dụng đất đai cần được xây dựng xung quanh sự tham gia của các nhà quản lý đất đai địa phương và quan tâm đến môi trường

- Vấn đề kinh tế và công nghệ: Nhân tố kinh tế và các chính sách ảnh hưởng đến

quyết định mục đích sử dụng mặt đất để làm gì thông qua sự thay đổi giá cả, thuế, trợ cấp đầu vào sử dụng đất và các sản phẩm, thay đổi chi phí sản xuất, vận chuyển và sự thay đổi nguồn vốn đầu tư, tiếp cận tín dụng thương mại, công nghệ Sự phân bố không đồng đều tài sản của các hộ gia đình, quốc gia, khu vực cũng ảnh hưởng đến

sử dụng đất, ví dụ như việc áp dụng cơ giới hóa nông nghiệp quy mô lớn để đem lại lợi nhuận cao hơn, đồng thời áp dụng công nghệ mới và cách quản lý đất đai một cách khoa học hơn Việc người nông dân ngày càng được tiếp xúc tốt hơn với tín dụng, thương mại, công nghệ, đã khuyến khích sự chuyển đổi mục đích sử dụng đất như từ rừng sang đất trồng trọt Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào công nghệ mới ảnh hưởng như thế nào đến thị trường lao động và di cư, cây trồng bản địa làm thế nào để có lợi nhuận khi đem đến khu vực khác, tùy thuộc vào cường độ vốn và lao động của công nghệ mới

- Vấn đề văn hóa: Các ký ức, lịch sử, niềm tin, và nhận thức cá nhân của người

quản lý đất đai thường ảnh hưởng đến các quyết định, đôi khi rất sâu sắc Những dự định, hay kết quả khó có thể lường trước được trong việc quyết định sử dụng đất phụ thuộc vào kiến thức, thông tin, kỹ năng của người quản lý đất đai “Phông” văn hóa của các nhà quản lý đất đai sẽ giúp giải thích quản lý tài nguyên, các chiến lược thích ứng, phù hợp với chính sách, và khả năng phục hồi về mặt xã hội khi có sự biến động

- Vấn đề toàn cầu hóa: Quá trình toàn cầu hóa có thể góp phần tích cực hay tiêu

cực vào sự biến động đất đai bằng cách dỡ bỏ rào cản ranh giới để tạo ra thay đổi, làm suy yếu kết nối quốc gia, làm tăng sự phụ thuộc lẫn nhau giữa con người và giữa các quốc gia Mặc dù những tác động môi trường của các chính sách kinh tế vĩ mô và

tự do thương mại hóa đặc biệt quan trọng ở những nước có hệ sinh thái dễ bị tổn thương; các hình thức khác của toàn cầu hóa cũng có thể cải thiện môi trường thông qua các phương tiện truyền thông gây ra áp lực quốc tế về suy giảm tài nguyên, môi trường, cung cấp các cơ hội giáo dục và việc làm tốt hơn Các tổ chức quốc tế xây dựng sự đông thuận và thúc đẩy tài trợ các chương trình góp phần quản lý đất đai bền vững

1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất

1.2.3.1 Phương pháp so sánh sau phân loại

Bản chất của phương pháp này là từ kết quả phân loại bởi sử dụng các phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng của hai thời điểm khác nhau, thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại hai thời điểm Sau đó, chồng ghép bản đồ lớp phủ để tính toán, thành lập bản đồ biến động sử dụng công nghệ GIS

Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, dễ hiểu và được sử dụng rộng rãi Sau khi ảnh tại hai thời điểm sẽ được phân loại riêng rẽ, thành lập hai bản đồ lớp phủ Hai bản đồ này được so sánh bằng cách so sánh pixel tạo thành ma trận biến động

Hình 1.2: Phương pháp so sánh sau phân loại

Ưu điểm của phương pháp này là cho biết sự thay đổi hình thái lớp phủ từ đối tượng này sang đối tượng khác, hơn nữa chúng ta cũng có thể sử dụng các bản đồ lớp phủ đã được thành lập trong quá trình thành lập bản đồ biến động

Nhược điểm của phương pháp này là phải phân loại độc lập từng ảnh, nên độ chính xác phụ thuộc vào phương pháp phân loại, thông thường thì độ chính xác không cao vì sai sót trong quá trình phân loại vẫn được giữ trong kết quả bản đồ biến động

1.2.3.2 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Phương pháp này thực chất là chồng xếp các ảnh đa thời gian của một khu vực, tạo thành ảnh biến động sử dụng phần mềm xử lý ảnh Sau đó tiến hành phân loại trên ảnh biến động và thành lập bản đồ biến động

Ưu điểm của phương pháp này là không phải phân loại ảnh của từng thời điểm

Hình 1.3: Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Nhược điểm của phương pháp này là phân loại ảnh biến động không đơn giản, đặc biệt là đối với các vùng mẫu biến động và cách lựa chọn mẫu Ảnh có được nếu rơi vào các mùa khác nhau thì khó xác định biến động, và ảnh hưởng của khí quyển vào các mùa khác nhau cũng khó loại trừ Do đó, độ chính xác của phương pháp là không cao Bản đồ biến động được thành lập theo phương pháp này chỉ cho ta biết vùng biến động, không cung cấp thông tin về xu hướng biến động

1.2.3.3 Phương pháp phân tích vector thay đổi phổ

Khi có sự biến động tại một điểm nào đó, sự thay đổi đó được thể hiện bằng sự khác biệt về giá trị phổ giữa hai thời điểm

Hình 1.4: Phương pháp phân tích vector thay đổi phổ

Ảnh biến động

Giả sử xác định được giá trị phổ trên 2 kênh X, Y tại hai thời điểm 1 và 2 Vector 1-2 chính là vector thay đổi phổ, được biểu thị bởi giá trị tuyệt đối (khoảng cách từ 1 đến 2) và góc thay đổi θ

Thông tin về sự thay đổi sẽ được thể hiện bằng màu sắc của các pixel tương ứng với các mã đã quy định Trên ảnh đa phổ, sự thay đổi này bao gồm cả hướng và giá trị của vector thay đổi phổ Sự thay đổi có hay không được quyết định bởi việc quy định ngưỡng của vector thay đổi phổ Giá trị ngưỡng được xác định từ kết quả thực nghiệm dựa vào các mẫu biến động và không biến động[9]

Phương pháp phân tích vector thay đổi phổ được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu biến động rừng, nhất là đối với rừng ngập mặn Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là việc xác định ngưỡng của sự biến động

1.2.3.4 Phương pháp số học

Đây là phương pháp nghiên cứu đơn giản Để xác định biến động giữa hai thời điểm sử dụng tỉ số giữa các ảnh trên cùng một kênh hoặc sự khác nhau trên cùng một kênh của các thời điểm ảnh Sử dụng các phép biến đổi số học để thành lập bản đồ biến động, các phép tính được sử dụng ở đây là phép trừ và phép chia Nếu ảnh thay đổi là kết quả của phép trừ thì khi đó giá trị độ xám của các pixel trên ảnh là dãy số

âm và dương Các kết quả âm và dương biểu thị mức độ biến đổi của các vùng, giá trị

0 biểu thị sự không biến động Với giá trị độ xám từ 0 đến 255 thì giá trị pixel thay đổi trong khoảng từ -255 đến +255 Thông thường để tránh kết quả giá trị âm thì thường cộng thêm một hằng số không đổi

Ảnh thay đổi được tạo ra bằng cách tổ hợp giá trị độ xám theo luật phân bố chuẩn Gauss Vị trí nào có pixel không thay đổi, độ xám biểu diễn xung quanh giá trị trung bình, vị trí nào có pixel thay đổi được biểu diễn bên phần biên của đường phân bố

Tương tự như trên, nếu ảnh được tạo ra từ phép chia thì giá trị các pixel được tạo ra trên ảnh mới là một tỷ số chứng tỏ sự thay đổi ở đó, nếu giá trị tỷ số là 1 thì không có sự thay đổi

Giá trị giới hạn thay đổi ( đối với ảnh tạo bởi phép trừ) và ảnh tỷ số kênh sẽ quyết định ngưỡng ranh giới giữa sự thay đổi và không đổi, và được biểu thị bằng biểu đồ độ xám của ảnh biến động

Thông thường độ lệch chuẩn được lựa chọn và kiểm tra theo kinh nghiệm Nhưng ngược lại, hầu hết các nhà phân tích đều sử dụng phương pháp thử nghiệm nhiều hơn là phương pháp kinh nghiệm Giá trị ngưỡng thay đổi sẽ được xác định khi gặp giá trị thay đổi trên thực tế

Vì vậy, để xác định được ta cần phải hiểu rõ về khu vực nghiên cứu, thậm chí phải lựa chọn một số vùng biến động và ghi lại để hiển thị trên vùng nghiên cứu Tuy nhiên, phương pháp này có thể kết hợp với các phương pháp khác để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động có hiệu quả

1.3 Cơ sở phương pháp luận xác định biến động lớp phủ mặt đất ứng dụng công

nghệ viễn thám

Thực tế cho thấy, sự biến động lớp phủ mặt đất tại các vùng ven biển diễn ra khá phức tạp và không đồng nhất dọc theo dải ven biển Việt Nam bởi ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên, mô hình khai thác sử dụng và quản lý của con người Chính vì vậy, phương thức hoạch định sử dụng và quản lý sử dụng đất cần phải có kế hoạch dựa trên việc đánh giá các biến động đế đám bảo phát triển bền vững Việc ứng dụng công nghệ viễn thám nói chung và sử dụng tư liệu vệ tinh độ phân giải cao nói riêng

là một hướng nghiên cứu hết sức hợp lý, từ đó, có thể giám sát, đánh giá một cách nhanh chóng và khách quan về sự biến động của đối tượng này

Cơ sở tư liệu viễn thám là phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, có thể phân tích và thể hiện, đặc biệt có thể chia tách các vùng của các đối tượng trong lớp phủ mặt đất với các diện tích vùng riêng biệt Dựa trên đặc trưng phản xạ phổ của các lớp đối tượng, bằng các mô hình, phần mềm chuyên dụng, tư liệu viễn thám được xử lý

để xác định và chia tách với từng đối tượng Tư liệu viễn thám đa thời gian cho phép xác định nhanh biến động lớp phủ mặt đất trong các khoảng thời gian giữa các thời điểm thu ảnh Các thông tin về các đối tượng lớp phủ sau khi chiết tách, có thê tạo ra các bản đồ hiện trạng và tính toán cụ thể diện tích tại từng thời điểm cũng như tổng hợp phân tích kết quả về phân bố và biến động

Trong khuôn khổ nghiên cứu này, quy trình chiết tách và thể hiên biến động các đối tượng thuộc lớp phủ đã được xây dựng Dựa vào nghiên cứu, khảo sát hiện trạng, theo dõi biến động và tác động của những quá trình biến đổi, các nhà quản lý có thể đưa ra các đề xuất giải pháp quản lý, quy hoạch bảo vệ phục vụ phát triển bền vững

1.4 Tổng quan các công trình ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động

lớp phủ mặt đất

Ngày nay với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học công nghệ, tư liệu vệ tinh

đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường đặc biệt là trong việc theo dõi diễn biến lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất

1.4.1 Tình hình nghiên cứu lớp phủ trên thế giới

Hiện nay trên thế giới viễn thám đã và đang trở thành một phương pháp nghiên cứu rất có hiệu quả bởi nhũng ưu thế vốn có của nó mà những nguồn tư liệu và các phương pháp khác không có được Bên cạnh đó, sự phát triển của khoa học địa lý cho phép mở ra những hướng ứng dụng mới cho viễn thám, đặc biệt trong hướng địa lý ứng dụng và càng ngày càng thể hiện tính hiệu quả trong các lĩnh vực khác nhau của địa lý như: đánh giá các loại tài nguyên, nghiên cứu môi trường, các hệ sinh thái, … Một trong những ứng dụng hiệu quả nhất mà viễn thám đem lại cho khoa học địa lý

đó là nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lớp phủ, sử dụng các loại tư liệu khác nhau với nhiều độ phân giải mặt đất cũng như độ phân giải phổ khác nhau, có thể kể ra một số công trình như:

- Zang Xia, Sun Rui, Zang Bing, Tong Quingxi, 2008, Phân loại lớp phủ khu

vực Bắc Trung Quốc sử dụng ảnh MODIS đa thời gian

- Jan Feranec, Gerard Hazeu, Susan Christensen, Gabriel Jaffrain, 2006, Biến

động lớp phủ mặt đất ở châu Âu (khu vực nghiên cứu: Hà Lan và Slovakia)

- Fei Yuan, Kali.E.Sawaya, Brian.C.Loeffeholz, Marvin E.Bauer, 2005, Phân

loại lớp phủ mặt đất và phân tích biến động lớp phủ khu vực thành phố Twin(Minnoseta), sử dụng ảnh Landsat đa thời gian

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất là một trong những lĩnh vực quan trọng

và khó khăn trong điều tra, giám sát môi trường, trong đó ảnh vệ tinh đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu Nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, điều tra cơ bản, giáo dục ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công nghệ viễn thám để thực hiện nhiệm vụ này như Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý, Nghiên cứu biển thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Liên đoàn Bản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông

nghiệp, Viện Điều tra Quy hoạch Rừng thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) , đã tiến hành nhiều thử nghiệm dưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án và đã thu được những kết quả ban đầu quan trọng

Trong chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường, Trung tâm Viễn thám quốc gia

- Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số cơ quan khác đã sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để khảo sát biến động của bờ biển, lòng sông, biến động rừng ngập mặn, diễn biến rừng, biến động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một số vùng) thành lập các bản đồ rừng ngập mặn tỷ lệ 1: 100 000 phủ trùm toàn dải ven biển và tỷ lệ lớn hơn cho từng vùng, bản đồ đất ngập nước toàn quốc tỷ lệ 1: 250.000 Tuy mới là bước đầu, nhưng cũng đã có một số công trình sử dụng tư liệu viễn thám vào nghiên cứu biến động lớp phủ/sử dụng đất Nhóm nghiên cứu của Viện Quy hoạch và Thiết

kế Nông nghiệp đã “Ứng dụng tư liệu viễn thám và hệ thông tin địa lý trong đánh giá biến động lớp phủ và sử dụng đất ở lưu vực Srepok, Tây Nguyên, Việt Nam” Kết quả nghiên cứu cho thấy chặt phá rừng để mở rộng đất canh tác nông nghiệp là xu hướng chính trong biến động sử dụng đất ở khu vực này Trong “Áp dụng viễn thám

và GIS để nghiên cứu hiện trạng và biến động môi trường tỉnh Ninh Thuận” (TS Nguyễn Ngọc Thạch và nnk, Hà Nội - 1999) ảnh vệ tinh đa thời gian là nguồn tư liệu

để phân tích sự thay đổi về vị trí và diện tích các đơn vị môi trường, sự biến đổi thảm thực vật, biến đổi hình thức sử dụng đất, biến đổi về diện tích và vị trí các loại tai biến Đồng thời, với mục đích mở rộng ứng dụng công nghệ viễn thám, Viện Địa lý

và Cục Bảo vệ Môi trường đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thử nghiệm sử dụng tư liệu viễn thám độ phân giải trung bình phục vụ giám sát, quản lý môi trường và tài nguyên” (Hà Nội 2002) Trong đó các tác giả đã thử nghiệm sử dụng ảnh MODIS để thành lập bản đồ lớp phủ bề mặt và sử dụng đất, bản đồ phân bố rừng và thảm thực vật tỷ lệ 1: 500 000 vùng Tây Nguyên và Đông Nam Bộ và một số bản đồ khác Bản

đồ sử dụng đất và biến động sử dụng đất do Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp thành lập từ xử lý và phân loại tự động dữ liệu ảnh vệ tinh (SPOT 3, 4, 5 và Landsat ETM) phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng của đô thị hoá ở các thành phố cấp 2: Hải Dương và Vĩnh Yên tới sự thay đổi về sử dụng đất vùng ven đô theo thời gian (1988-2003) Trần Trọng Đức (Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh) đã nghiên cứu biến động rừng ngập mặn theo thời gian bằng cách sử dụng phương pháp phân tích

biến động sau phân loại cho khu vực huyện Cần Giờ với độ chính xác xấp xỉ gần 80% So sánh bản đồ rừng ngập mặn ở 2 thời điểm cho thấy có sự suy giảm diện tích rừng ngập mặn từ khoảng 39.000 ha năm 1993 xuống còn dưới 36.000 ha năm 2003 Như vậy, trong những năm qua nhiều tổ chức của nước ta đã tiếp cận với công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra, giám sát môi trường, nói chung, nghiên cứu biến động lớp phủmặt đất, nói riêng Tuy nhiên, những kết quả thu được còn mang tính đơn lẻ, tản mạn và được thực hiện trong khuôn khổ của các đề tài, các dự án với các mục tiêu khác nhau, rất khó áp dụng trên diện rộng Các công trình nghiên cứu chủ yếu mới chỉ khai thác thế mạnh của viễn thám trong lập bản đồ

Bên cạnh đó có thể kể ra một số các công trình đã được thực hiện và công bố như sau:

- Trần Anh Tuấn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà

Nội, 2011, Ứng dụng mô hình Markov và Cellular Automata trong nghiên cứu dự báo

biến đổi lớp phủ bề mặt

- Nguyễn Đình Minh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà

Nội, 2009, Phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất đô thị ở Hà Nội bằng dữ liệu Terra

ASTER

- Chu Hải Tùng và nnk, Trung tâm Viễn thám Quốc gia, 2008, Nghiên cứu khả

năng ứng dụng kết hợp ảnh vệ tinh radar và quang học để thành lập một số thông tin

về lớp phủ mặt đất

- Trương Quang Tuấn, Trần Văn No, Đỗ thị Việt Hương, trường đại học Khoa

học, Đại học Huế, 2008, Ứng dụng GIS và viễn thám trong việc thành lập bản đồ

hiện trạng thảm thực vật năm 2008 tỷ lệ 1:50000, huyện Kỳ Anh, tỉnh Hà Tĩnh

- Nguyễn Văn Sinh, Trung tâm Viễn thám Quốc gia, 2008, Nghiên cứu sự biến

động lớp phủ thực vật bằng ảnh đa thời gian và ảnh hưởng của nó tới đa dạng sinh học ở các khu vực bảo tồn thiên nhiên ở Nam Bộ

Chương 2 CƠ SỞ SỬ DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM

TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT

2.1 Công nghệ viễn thám và ảnh vệ tinh độ phân giải cao

2.1.1 Công nghệ viễn thám

Viễn thám được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hay một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng cách phương tiện những phương tiện này không có sự tiếp xúc với đối tượng cần nghiên cứu[1]

Như vậy có thể hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng

Viễn thám có hai nội dung chính cần nghiên cứu đó là:

- Sử dụng các thiết bị cảm biến để thu nhận từ xa những tư liệu về đối tượng cần nghiên cứu

- Phân tích tư liệu để thu nhận thông tin về đối tượng cần nghiên cứu

Các thông số đặc trưng của một ảnh vệ tinh đó là: độ phân giải không gian, độ phân giải phổ, độ phân giải thời gian và độ phân giải bức xạ

+ Độ phân giải không gian: là khoảng cách tối thiểu để phân biệt hai đối tượng khác nhau trên ảnh (về bản chất khoảng cách đó là độ lớn tối thiểu của một đối tượng trên mặt đất mà có thể phân biệt được trên ảnh)

+ Độ phân giải phổ: là độ rộng hẹp của khoảng bước sóng mà vệ tinh thu nhận sóng phản xạ từ đối tượng

+ Độ phân giải thời gian: là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần vệ tinh chụp một vùng

+ Độ phân giải bức xạ: là mức lượng tử hóa của mỗi bức ảnh

Ưu điểm cơ bản của công nghệ viễn thám đó là:

+ Ảnh viễn thám có tầm bao quát rộng, có thể tiếp cận những vùng sâu, vùng

xa, khó hoặc không tiếp cận được Thông tin trên toàn vùng thu nhận được sẽ đồng nhất về thời gian nên có thể phân tích, so sánh được với nhau

+ Có khả năng giám sát sự biến đổi tài nguyên, môi trường do khả năng chụp lặp

+ Sử dụng các dải phổ khác nhau để quan sát các đối tượng nên có thể dùng tư liệu viễn thám cho nhiều mục đích khác nhau

+ Ảnh vệ tinh phản ánh trực quan bề mặt đất với mối quan hệ và tác động qua lại giữa các hợp phần tự nhiên cũng như giữa tự nhiên và con người

+ Bản chất của ảnh vệ tinh rất gần với bản đồ Do đó, nó là nguồn tư liệu quý về các loại hình thảm thực vật, lớp phủ mặt đất Điều này rất có ý nghĩa và tiện lợi đối với những vùng chưa có bản đồ lớp phủ hay hiện trạng sử dụng đất

Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu nhận được về các đối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ có thể phân tích và nhận diện các đối tượng trên bề mặt Thông tin phổ phản xạ là thông tin đầu tiên và là tiền đề cho các phương pháp xử lý, phân tích trong viễn thám

Kỹ thuật viễn thám được tiến hành đồng thời với việc sử dụng các tài liệu tham khảo Các tài liệu đó có thể ở dạng nào đó và có thể được thu thập từ nhiều nguồn ( ví dụ: nguồn nghiên cứu về đất, nước, thực vật hay các nguồn tư liệu ảnh khác)[1] Các tài liệu kiểm tra ngoài thực địa cũng giúp ích trong kỹ thuật viễn thám như: tình trạng đất, mùa màng, các loại thực phủ, vấn đề ô nhiễm, … Tư liệu thực địa bao gồm các

số liệu về tính chất cơ học hay hóa học của đối tượng Các số liệu xác định về vị trí đối tượng trên bản đồ cũng được xác định dựa trên hệ thống GPS hay đo đạc thực địa Tài liệu thực tế trên bề mặt đất chỉ có thể nói lên một cách tương đối về đặc điểm của đối tượng trên tư liệu viễn thám Tài liệu thực tế mặt đất được sử dụng rộng rãi với mục đích: định hướng cho việc phân tích xử lý tư liệu viễn thám và hiệu chỉnh thiết bị thu nhận

Việc lựa chọn các tài liệu thực tế tùy thuộc vào mục tiêu và tính chất của đối tượng nghiên cứu thời điểm thu thập tư liệu rất quan trọng trong trường hợp nghiên cứu đối tượng có nhiều biến động

Các tài liệu về giá trị phổ bề mặt đối tượng cũng cần được thu thập bằng cách

đo đạc ngoài thực địa Các giá trị phổ đo được ngoài thực địa hoặc trong phòng thí nghiệm là tiền đề cần thiết cho việc nghiên cứu các đối tượng

Những thành công trong việc ứng dụng viễn thám là sự tổng hợp của 2 yếu tố là: nguồn tài liệu đa dạng, có sự liên kết với nhau và quá trình phân tích xử lý tài liệu đó

Trong thực tế, không có nguồn tài liệu riêng lẻ nào có thể cung cấp đầy đủ

của mình, viễn thám cũng đã giải quyết nhiều vấn đề mà trước đây chưa được thực hiện triệt để như: tính cập nhật, diện tích lớn, … tuy nhiên để giải quyết được hết vấn

đề thì đòi hỏi kết hợp thêm nhiều loại tài liệu khác nhau[1]

Muốn cho việc dùng viễn thám đáp ứng được các yêu cầu đặt ra thì nguồn tư liệu viễn thám cần đảm bảo đầy đủ các yêu cầu:

- Tư liệu đa phổ: các tín hiệu về phổ của đối tượng phải được ghi nhận dưới dạng đa phổ, nhiều band phổ sẽ cung cấp nhiều thông tin về đối tượng

- Tư liệu đa thời gian: tư liệu được thu nhận ở nhiều thời điểm khác nhau (nhiều thời điểm trong một năm, hoặc trong nhiều năm)

- Tư liệu nhiều tầng: có nhiều tư liệu khác nhau được ghi từ các độ cao khác nhau: vệ tinh, máy bay tầm cao, máy bay tầm thấp, đa phổ mặt đất

Tính chất đa thời gian của tư liệu viễn thám cung cấp nhiều thông tin về đối tượng đặc biệt là tính biến động Bên cạnh đó tư liệu có thể phục vụ cho nhiều mục tiêu nghiên cứu khác nhau Để viễn thám trở thành một công cụ hữu hiệu thì nó cần được kết hợp chặt chẽ với các nguồn tư liệu khác

2.1.2 Ảnh vệ tinh độ phân giải cao

Độ phân giải không gian có ý nghĩa rất quan trọng trong số các đặc điểm kỹ thuật của ảnh vệ tinh, bởi lẽ chất lượng và tỷ lệ các bản đồ được thành lập từ ảnh vệ tinh phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố này Nhìn chung, dựa trên độ phân giải không gian, ảnh vệ tinh có thể được chia thành[8]:

- Độ phân giải thấp: > 100m

- Độ phân giải trung bình: 10 - 100m

- Độ phân giải cao: < 10m

Trên thế giới hiện nay, ảnh vệ tinh độ phân giải cao được sử dụng không chỉ trong đo vẽ, cập nhật bản đồ lớp phủ và sử dụng đất, quản lý cơ sở hạ tầng, giao thông mà còn phục vụ công tác thống kê và quản lý đất đai, theo dõi mùa màng, giám sát thiên tai

Trong những năm gần đây, công nghệ thu nhận ảnh viễn thám đã đạt được những bước tiến đáng kể Ảnh vệ tinh thu được có được độ phân giải ngày càng cao, đạt được từ 5m đến 1m Với độ phân giải ngày càng cao, ảnh vệ tinh hoàn toàn có thể thay thế ảnh hàng không trong việc cập nhật bản đồ hiện trạng, xây dựng bản đồ chuyên đề Ngoài ra ảnh vệ tinh độ phân giải cao còn có một số ưu điểm nổi trội hơn

phú, … Một số loại vệ tinh độ phân giải cao như: Ikonos, QuickBird, Orbview, SPOT…

a Vệ tinh Ikonos

- Vệ tinh Ikonos được phóng lên quỹ đạo cận cực ngày 24 tháng 9 năm 1999 tại

độ cao 682 km, cắt xích đạo vào lúc 10h30’ sáng

- Thời gian quỹ đạo lặp lại là 11 ngày

- Góc quét 450 theo đường quét dọc và ngang

- Tạo ảnh bằng cách quét liên tục theo chiều ngang và quét lặp lại trước sau theo chiều dọc; - Dữ liệu số có cấu trúc 11 bit

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật ảnh IKONOS

Về mặt yêu cầu kỹ thuật, ảnh vệ tinh Ikonos hoàn toàn có thể thay thế cho ảnh máy bay trong lĩnh vực cập nhật bản đồ hiện trạng, quản lý cơ sở hạ tầng, giao thông, quy hoạch, … Xét về mặt kinh tế, phương pháp dùng ảnh vệ tinh Ikonos có giá thành thấp hơn phương pháp dùng ảnh máy bay, thời gian thu thập và xử lý dữ liệu lại ngắn hơn

Hình 2.1: Ảnh vệ tinh IKONOS

Khả năng lưu trữ trên vệ tinh và độ rộng của đường quét lớn Khoảng hẹp nhất của nó là 64 km2 và rộng nhất là 10000km2

Loại ảnh Toàn sắc Đa phổ

Bảng 2.2: Một số thông số của ảnh QuickBird

c, Vệ tinh Orbitview (Orbview)

Vệ tinh Orbview 1 được phóng vào ngày 03 tháng 04 năm 1995 trên độ cao 470km Đây là vệ tinh cho phép phân biệt vùng có mây và không mây, nó phục vụ chủ yếu cho việc nghiên cứu khí quyển và dự báo khí hậu

Vệ tinh Orbview 2 được phóng lên quỹ đạo năm 1997, cung cấp ảnh cho 14 trạm thu ảnh mặt đất Orbview 2 được trang bị các bộ cảm đa phổ nghiên cứu mặt đất

và biển Đây là vệ tinh chuyên nghiên cứu màu của đại dương nằm trong dự án NASA SeaWiFS

Hiện nay cơ quan OrbImage và tập đoàn khoa học về quỹ đạo ( Orbital Sciences Corporarion) xây dựng các vệ tinh Orbview 3 và Orbview 4 có độ phân giải cao Orbview 4 cho ảnh có độ phân giải là 1m đối với ảnh toàn sắc, 4 m đối với đa phổ trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại Ngoài ra nó còn được trang bị bộ cảm siêu phổ (200 kênh) với độ phân giải 8m trong dải sóng từ 0.4-2.5μm chuyên để nghiên cứu đặc điểm thành phần vật chất trên bề mặt đất Orbview 4 sẽ cho ảnh phục vụ nghiên cứu nông nghiệp, rừng, khai khoáng và kiểm tra môi trường Bên cạnh đó, với

độ chụp lặp là 3 ngày, các ảnh của Orbview 4 cũng sẽ phục vụ mục đích thương

mại và an ninh Độ phân giải 1m cho phép phát hiện nhà rõ nét, 4 m cho phép xác định chính xác các đối tượng không gian như: nông thôn, thành thị và các vùng đang phát triển

d, Vệ tinh SPOT

Ảnh vệ tinh SPOT được chụp bởi vệ tinh SPOT SPOT là chương trình viễn thám do các nước Pháp, Thụy Điển, Bỉ hơp tác SPOT 1 được phóng lên quỹ đạo tháng 2 năm 1986, SPOT 2 được đưa lên quỹ đạo ngày 22/1/1990, SPOT 3 là tháng 4 năm 1993, SPOT 4 là tháng 4 năm 1998 và SPOT 5 là vào tháng 7 năm 2002

Vệ tinh SPOT có quỹ đạo tròn cận cực đồng bộ mặt trời với độ cao bay chụp là

830 km và góc nghiên so với mặt phẳng quỹ đạo là 98.70 Thời điểm bay qua xích đạo là 10h30’ sáng Chu kỳ lặp lại tại một điểm trên mặt đất là 26 ngày trong chế độ quan sát bình thường Vệ tinh SPOT được trang bị một bộ quét đa phổ HRV gồm 2 máy HRV-1, HRV-2

2.2 Đặc trưng phản xạ phổ của các đôi tượng tự nhiên

Đồ thị phổ phản xạ được xây dựng với chức năng là một hàm số của bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ

Hình 2.2: Đặc điểm phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên chính

Hình dáng của đường cong phổ phản xạ cho biêt một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của một đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà thiết bị viễn thám có thể thu nhận được tín hiệu[1] Hình dáng của đường cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tượng Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng khác nhau, của một nhóm đối tượng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chũng dao động xung quanh giá trị trung bình

2.2.1 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật

Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước sóng Thực

vâ ̣t khỏe ma ̣nh chứa nhiều diê ̣p lu ̣c , phản xạ mạnh ánh sáng có bước sóng từ 0,45 – 0,7 m, do đó nó có màu lu ̣c Khi diê ̣p lu ̣c giảm đi, thực vâ ̣t chuyển sang có khả nă ng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn , lá cây sẽ có màu vang đỏ Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến các tính phản xạ phổ của nó

Thực vật khỏe mạnh, chất diệp lục hấp thụ mạnh ánh sáng có bước sóng từ 0,45 - 0,67 m ( tương ứng với dải sóng màu lục - Green) vì vậy ra nhìn thấy chúng

có màu xanh lục Khi chất diệp lục giảm đi, thực vật chuyển sang có khả năng hấp thụ ánh sáng màu đỏ trội hơn Kết quả là lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green

và Red) hoặc màu đỏ hẳn ( rừng ở khí hậu lạnh, hiện tượng này khá phổ biến khi mùa đông đến), ở vùng hồng ngoại phản xạ ( từ 0,7 - 1,3 m) thực vật có khả năng phản

xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và sóng cực ngắn (microwave) một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong

lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên như rừng rậm nhiệt đới

2.2.2 Đặc tính phản xạ phổ của nước

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 nước còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước Trên kênh hồng ngoa ̣i và câ ̣n hồng ngoa ̣i đường bờ nước được phát hiê ̣n rất dễ dàng Nước trong chỉ phản xa ̣ ma ̣nh ở vùng sóng của tia blue và yếu dần khi sang tia green , triệt tiêu ở cuối dải sóng red Khi nước bị đục khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng Sự thay đổi tính chất nước đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng

2.2.3 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng

Đường cong phản xạ phổ của thổ nhưỡng tương đối đơn giản , ít có những cực

đa ̣i và cực tiểu mô ̣t cách rõ ràng Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phản xạ phổ của đất là : lươ ̣ng ẩm, cấu trúc của đất , đô ̣ nhám bề mă ̣t , sự có mă ̣t của các loại oxit kim loa ̣i, hàm lượng vật chất hữu cơ … các yếu tố đó làm cho đường cong phản xạ phổ biến đô ̣ng rất nhiều quanh đường cong có giá tri ̣ trung bình Tuy nhiên , giá trị phổ phản xa ̣ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài

2.3 Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám vào nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất

Phương pháp Viễn thám cho phép thu thập thông tin về đối tượng trên mặt đất thông qua hình ảnh của đối tượng mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp ngoài thực địa Các loại tư liệu ảnh viễn thám có thể được chụp từ máy bay (ảnh hàng không) nhưng thông dụng nhất là được chụp từ ảnh vệ tinh

Tư liệu viễn thám có hai loại chính là ảnh quang học và ảnh radar Ảnh quang học chụp bề mặt trái đất nhờ năng lượng mặt trời và các thiết bị chụp ảnh sử dụng thấu kính quang học, hệ thống chụp ảnh này được gọi là hệ thống thụ động Loại thứ hai là ảnh radar được chụp nhờ các thiết bị thu, phát sóng radar đặt trên vệ tinh Hệ thống này được gọi là hệ thống chụp ảnh chủ động hay tích cực

Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tượng lớp phủ mặt đất trên ảnh vệ tinh

là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ

Những ưu thế cơ bản của ảnh vệ tinh có thể kể ra là:

- Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (Landsat 180km x180km, SPOT, ASTER 60km x 60 km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc

- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau

- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau đo đó cho phép nghiên cứu

bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau Ví dụ như các loại ảnh độ phân giải siêu cao như SPOT 5, IKONOS, QuickBird để nghiên cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu vực

- Khả năng chụp lặp lại hay còn gọi là độ phân giải thời gian Do đặc điểm quĩ đạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại được vị trí trên mặt đất Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tượng diễn ra trên mặt đất, ví dụ như quá trình sinh trưởng của cây trồng, lúa, màu

- Các dữ liệu được thu nhận ở dạng số nên tận dụng được sức mạnh xử lý của máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin như hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Do những đặc tính hết sức ưu việt kể trên ảnh vệ tinh đã trở thành một công cụ không thể thiếu được trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường nói chung và việc chiết tách các thông tin lớp phủ nói riêng, nhất là ở những vùng khó tiếp cận như các vùng núi cao, biên giới, hải đảo

Phương pháp viễn thám cho phép thu thập phần lớn các thông tin ở trong phòng nhưng kết quả giải đoán cần được kiểm chứng ở ngoài thực địa do đó công tác thực địa là một phần không thể thiếu trong công nghệ Viễn thám

Ảnh vệ tinh quang học với nhiều ưu điểm như hình ảnh quen thuộc với con người, dễ giải đoán, kỹ thuật tương đối dễ phát triển trên nền các công nghệ chụp ảnh hiện hành nên đã nhanh chóng được chấp nhận và ứng dụng rộng rãi Các loại ảnh quang học như Landsat, SPOT, Aster, IKONOS, QuickBird đã trở nên quen thuộc và phổ biến trên toàn thế giới Trong công tác thành lập các loại bản đồ lớp phủ bằng công nghệ Viễn thám sử dụng ảnh quang học đã được đưa vào các qui trình qui phạm tương đối hoàn chỉnh Bảng dưới đây liệt kê các thông số kỹ thuật của một số loại ảnh

vệ tinh quang học chính

Ảnh vÖ tinh C¸c kªnh phæ §é ph©n gi¶i

TÇn suÊt chôp lÆp (ngµy)

DiÖn tÝch phñ trïm (km)

10 m

5 m 2,5m

30 m

ASTER

Kªnh 1,2,3N,3B Kªnh 4,5,6,7,8,9 Kªnh 10,11,12,13,14

1 m 3,2 m

Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học cơ bản

Nhược điểm chính của ảnh quang học là chỉ có thể chụp vào ban ngày khi được mặt trời chiếu sáng và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết Trong trường hợp thời tiết xấu như mưa bão, mây, mù, sẽ rất khó chụp được ảnh Trên ảnh quang học cũng thường có nhiều mây, nhất là ở khu vực nhiệt đới trong đó có Việt nam Những những nhược điểm này đã làm hạn chế rất nhiều khả năng ứng dụng của ảnh quang học Đặc biệt là đối với những ứng dụng cần sử dụng ảnh chụp ở nhiều thời điểm Tuy ảnh vệ tinh có nhiều tính năng ưu việt, nhưng khả năng ứng dụng vào thực tiễn để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như độ

chính xác hình học, khả năng hông tin về các đối tượng mà ảnh vệ tinh có thể đem lại, công nghệ được sử dụng Trong số các loại ảnh vệ tinh, do đặc thù của ảnh, các ảnh radar ít được sử dụng như tài liệu chính để thành lập bản dồ lớp phủ Nhưng trong một số trường hợp ảnh radar cho phép nhận dạng được nhiều loại đối tượng khi

xử lý ảnh ở các thời điểm khác nhau

Về độ chính xác hình học, đối với nhiều loại ảnh vệ tinh hiện nay (như SPOT, IKONOS, QuickBird) đã có thể thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất đến tỷ lệ 1:5000 Bên cạnh khả năng đảm bảo độ chính xác về hình học, khả năng thông tin về các đối tượng lớp phủ của ảnh vệ tinh có ý nghĩa quyết định đến khả năng và phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh thành lập bản đồ lớp phủ và đánh giá biến động lớp phủ Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ viễn thám, tại những nước phát triển, đã được thực hiện ngay từ khi có những tấm ảnh đầu tiên của vệ tinh quan sát trái đất Cho đến nay ảnh vệ tinh đã được ứng dụng ở hầu khắp các nước, kể cả những nước đang phát triển Ở Việt nam, mặc dù việc ứng dụng công nghệ Viễn thám có chậm hơn những nước tiên tiến trong khu vực nhưng ảnh vệ tinh cũng đã được sử dụng ở rất nhiều các cơ quan, ngành và địa phương khác nhau như nông nghiệp, lâm nghiệp,

đo đạc và bản đồ, qui hoạch đất đai, địa chất – khoáng sản… Những ứng dụng tiêu biểu của ảnh vệ tinh liên quan đến việc chiết tách các thông tin về lớp phủ mặt đất là:

- Thành lập bản đồ lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất

- Điều tra thành lập bản đồ hiện trạng và theo dõi biến động rừng

- Theo dõi giám sát mùa màng

- Thành lập bản đồ và theo dõi biến động các vùng đất ngập nước

- Thành lập bản đồ và theo dõi biến động rừng ngập mặn

- Kiểm kê tài nguyên nước mặt

- Qui hoạch đô thị và theo dõi quá trình đô thị hóa

Một vài nhận xét chung về khả năng sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất:

- Ảnh vệ tinh phản ánh trực tiếp lớp phủ mặt đất với các hợp phần tự nhiên cùng các dấu vết tác động của con người lên đó cũng như các đối tượng kinh tế- xã hội do con người tạo ra

- Trên ảnh vệ tinh có nhiều đối tượng có hình ảnh và vùng phân bố đặc thù nên

có thể điều vẽ dễ dàng với độ chính xác cao Tuy nhiên, do đặc điểm của đối tượng,

độ phân giải phổ, độ phân giải hình học, điều kiện chụp, xử lý ảnh nên dẫn đến trường hợp một vài đối tượng có hình ảnh gần giống nhau, rất khó để phân biệt trên ảnh Do vậy cần kết hợp thêm thông tin từ các nguồn tài liệu khác, đặc biệt là số liệu thực địa

- Trên ảnh vệ tinh, có thể cùng một đối tượng nhưng có nhiều hình ảnh khác nhau, tùy thuộc vào trạng thái bề mặt, vị trí, thói quen canh tác, … Vì vậy nên sử dụng ảnh đa thời điểm và am hiểu điều kiện sinh thái cảnh quan, kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu

- Thực tế cho thấy, ảnh đa phổ đem lại nhiều thông tin về các đối tượng lớp phủ mặt đất Tuy nhiên, độ phân giải cao của ảnh toàn sắc được khai thác kết hợp với ảnh

đa phổ sẽ đem lại hiệu quả cao nhất

Chương 3 THỰC NGHIỆM - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS VÀO NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ KHU VỰC HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

3.1 Khái quát về khu vực nghiên cứu

Huyện Từ Liêm được thành lập theo quyết định số 78/QĐ ngày 31 tháng 5 năm

1961 của Chính phủ

Hình 3.1: Khu vực nghiên cứu

3.1.1 Điều kiện tự nhiên

Từ Liêm là huyện nằm ở phía Tây thành phố Hà Nội Phía Bắc giáp huyện Đông Anh với ranh giới tự nhiên là sông Hồng, phía Đông giáp quận Tây Hồ, Cầu Giấy, phía Nam giáp huyện Thanh Trì, phía Tây giáp huyện Hoài Đức và huyện Đan Phượng

Địa hình huyện Từ Liêm bằng phẳng, thấp, trước kia là ruộng, hồ, đầm, mới được san lấp và tôn cao trong khoảng 10 năm trở lại đây Hiện nay, huyện Từ Liêm được xem như là một trung tâm công nghiệp và văn hoá của thành phố

3.1.2 Điều kiện xã hội

Gần hai nghìn năm trước, địa danh Từ Liêm xuất hiện và đã trở thành một đơn

vị hành chính cấp huyện từ thế kỷ thứ 7 cho đến nay Trải qua bao thăng trầm của

giới hành chính của huyện tuy có thay đổi nhưng về cơ bản vẫn giữ nguyên địa danh, địa giới cho đến cách mạng tháng Tám 1945 Và cũng từ đó, tên gọi có lúc khác nhau nhưng mảnh đất này phần lớn vẫn là vùng ngoại thành Hà Nội, là huyện gắn bó nhiều nhất với kinh thành Thăng Long

Đến năm 1961, huyện Từ Liêm được chính thức thành lập trên cơ sở sát nhập hai quận 5 và 6 của Hà Nội cũ (bao gồm các xã Cổ Nhuế, Xuân Đỉnh, Xuân La, Nhật Tân, Quảng Bá, Nghi Tàm, Dịch Vọng, Mai Dịch, Nghĩa Đô ) cùng với một số xã như Mễ Trì, Mỹ Đình, Trung Văn, Tây Tựu, Minh Khai, Xuân Phương của hai huyện Hoài Đức và Đan Phượng

Huyện Từ Liêm là một huyện ngoại thành lâu đời của thành phố Hà Nội với nhiều những thuận lợi để phát triển kinh tế Trong những năm gần đây, huyện đã đầu

tư, đổi mới công nghệ, tích cực ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất, thu hút vốn đầu tư của các doanh nghiệp trong và ngoài thành phố Kết quả của quá trình đổi mới này là giá trị sản xuất công nghiệp trên địa bàn quận hàng năm tăng khoảng 15% Hoạt động thương mại phát triển toàn diện

Về sản xuất nông nghiệp, huyện tập trung khôi phục lại diện tích cây trồng truyền thống có giá trị kinh tế cao như các loại cây ăn quả đặc sản, hoa

Trong năm 2009, dù ảnh hưởng của suy thoái kinh tế nhưng kinh tế của huyện vẫn giữ được mức ổn định và có bước tăng trưởng cao, tăng 14,6% so với cùng kì năm trước Cơ cấu kinh tế vẫn chuyển dịch đúng hướng với việc phát triển đa dạng các thành phần Trong số 174 dự án đang triển khai, huyện đã cơ bản bàn giao mặt bằng 60 dự án và đang chỉ đạo triển khai giải phóng mặt bằng 78 dự án khác…trong

đó có những dự án trọng điểm của thành phố như đường Láng - Hoà Lạc; đường Lê Văn Lương kéo dài; dự án Khu công nghệ cao sinh học; dự án mở rộng đường 32 đoạn Cầu Diễn - Nhổn…Huyện cũng đã tiến hành các dự án cụm công nghiệp giai đoạn 2, cụm sản xuất làng nghề may Cổ Nhuế; thực hiện chuyển đổi mô hình quản lý các chợ Xuân Đỉnh 2, Tây Tựu, chợ thôn Trung Văn, chợ Phùng Khoang 2 nhằm khai thác có hiệu quả kinh tế

Trong kế hoạch phát triển, huyện Từ Liêm đã đặt ra mục tiêu từ năm 2010 -

2020, huyện sẽ trở thành vùng đô thị mới của thành phố Hà Nội với các công trình

Bên cạnh tập trung phát triển kinh tế, huyện Từ Liêm cũng quan tâm nhiều đến các vấn đề văn hoá - xã hội Trong hơn 10 năm qua, huyện đã đầu tư hơn 1000 tỉ đồng vào việc xây dựng, nâng cấp kết cấu hạ tầng Trên 95% đường giao thông của huyện được trải nhựa và bê tông hóa, hệ thống điện, nước đáp ứng nhu cầu phục vụ nhân dân và sản xuất Sự nghiệp văn hóa thể thao, giáo dục và đào tạo, y tế không ngừng phát triển, 100% trạm y tế được nâng cấp và có bác sĩ chăm sóc sức khỏe cho nhân dân

3.2 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 1995 - 2009

3.2.1 Tư liệu sử dụng

Bao gồm:

- Ảnh SPOT 3 độ phân giải 10m chụp ngày 26/10/1995

- Ảnh SPOT 5 độ phân giải 2.5m chụp ngày 11/10/2002 và 28/10/2009

- Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2005 tỷ lệ 1 : 25 000

- Bản đồ địa hình đã hiện chỉnh năm 2004 tỷ lệ 1 : 25 000 các mảnh:

F-48-68-C-b, F-48-68-C-d, F-48-68-D-a, F-48-68-D-c, F-48-80-A-F-48-68-C-b, F-48-80-B-a

3.2.2 Chiết tách thông tin trên ảnh viễn thám

Thông tin trên ảnh được chiết xuất theo nhiều phương pháp khác nhau, có thể chia làm hai nhóm chính: Giải đoán bằng mắt thường và xử lý số

3.2.2.1 Phương pháp giải đoán bằng mắt

Đây là phương pháp khoanh định các đối tượng cũng như xác định trạng thái của chúng nhờ phân biệt các đặc tính yếu tố ảnh (Độ sáng, kiến trúc, kiểu mẫu, hình dạng, kích thước, bóng, vị trí, màu) và các yếu tố địa kỹ thuật Cơ sở để giải đoán bằng mắt là các chuẩn giải đoán và khóa giải đoán Phương pháp này có thể khai thác tri thức chuyên gia và kinh nghiệm của người giải đoán, đồng thời phân tích được các thông tin phân bố không gian một cách dễ dàng Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích Tất nhiên, hạn chế của giải đoán bằng mắt là không nhận biết 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 (12-14 mức) Tuy nhiên, với các đất đô thị và khu dân cư thì việc giải đoán bằng mắt thường là không khả thi