Ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu biến động sử dụng đất cửa nam triệu cửa cấm (hải phòng) và vùng cửa đáy (nam định ninh bình) trong giai đoạn 1987 2010

Trong luận văn này, phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng là phương pháp phân tích không gian, sử dụng các tư liệu Viễn thám đa thời gian, và phương pháp phân tích thống kê kết hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Phương Thảo

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT CỬA NAM TRIỆU- CỬA CẤM (HẢI PHÒNG)

VÀ VÙNG CỬA ĐÁY (NAM ĐỊNH- NINH BÌNH)

TRONG GIAI ĐOẠN 1987- 2010

Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám - Hệ thông tin Địa lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Phương Thảo

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT CỬA NAM TRIỆU- CỬA CẤM (HẢI PHÒNG) VÀ VÙNG CỬA ĐÁY (NAM ĐỊNH- NINH BÌNH)

TRONG GIAI ĐOẠN 1987- 2010

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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Việt Nam có đường bờ biển dài 3.260 km không kể các đảo và hệ thống sông ngòi dày đặc với 2860 sông ngòi lớn nhỏ và tổng lượng dòng chảy khoảng 867 tỷ m3/năm Các loại hình đất vùng cửa sông của Việt Nam do đó rất đa dạng, chiếm diện tích lớn và là một dạng tài nguyên quan trọng Phần lớn thóc, gạo, cá, tôm và các loại lương thực, thực phẩm khác đều sản được xuất từ những vùng đất ngập nước Ngoài vai trò sản xuất nông nghiệp và thuỷ sản, đất ngập nước còn đóng vai trò quan trọng trong thiên nhiên và môi trường như lọc nước thải, điều hoà dòng chảy (giảm lũ lụt và hạn hán), điều hoà khí hậu địa phương, chống xói lở bờ biển, ổn định mức nước ngầm cho những vùng sản xuất nông nghiệp, tích luỹ nước ngầm, là nơi trú chân của nhiều loài chim di cư quý hiếm, là nơi giải trí, du lịch rất giá trị cho người dân Việt Nam cũng như khách nước ngoài

Đất vùng cửa sông là một hệ sinh thái rất đặc thù, có ý nghĩa rất quan trọng đối với

sự phát triển kinh tế- xã hội, bảo vệ môi trường và đa dạng sinh học Trước hết đây là vùng có năng suất sinh học cao, cung cấp nguồn lương thực và thực phẩm chủ yếu để nuôi sống con người Đồng thời cũng là vùng đất có chức năng bảo vệ môi trường cơ bản như điều tiết nguồn nước ngầm, khống chế lũ lụt, bảo vệ bờ biển, ổn định khí hậu… Tuy nhiên việc quản lý, khai thác và bảo vệ hệ sinh thái này vẫn còn nhiều vấn đề bất cập Để thấy được sự khác biệt trong sự biến đổi sử dụng đất giữa một vùng đang trên đà phát triển công nghiệp với một vùng nông nghiệp vẫn chiếm ưu thế, tác giả đã chọn khu vực nghiên cứu là vùng cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng) và cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình)

GIS và viễn thám ngày nay đang được ứng dụng rộng rãi trong việc theo dõi những biến đổi bề mặt Trái đất, quản lý tài nguyên và môi trường, trong đó nghiên cứu hiện trạng lớp phủ thổ nhưỡng, hiện trạng sử dụng đất từ đó nghiên cứu biến động sử dụng đất

là những ứng dụng phổ biến nhất Cho đến thời điểm hiện nay, ảnh vệ tinh có nhiều loại

và đã có nhiều thế hệ Song được sử dụng phổ biến hơn cả vẫn là các ảnh vệ tinh tài nguyên chụp ở dải phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại; Như hệ thống ảnh Landsat của Mỹ, ảnh SPOT của Pháp, ảnh KFA-1000, MK-4 và KATE-200 của Nga Các loại ảnh này có thể được dùng trong các lĩnh vực về điều tra tài nguyên, giám sát môi trường… Đặc biệt

được sử dụng để thành lập ra các bản đồ về hiện trạng (hiện trạng sử dụng đất, hiện trạng rừng, hiện trạng lớp phủ, hiện trạng môi trường, bản đồ địa hình ) và các bản đồ biến động (biến động diện tích rừng, biến động bờ sông-bờ biển, biến động lớp phủ ) Có thể nói rằng, ảnh vệ tinh là tư liệu rất tốt để nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt đất Hiện nay đã có những loại ảnh có độ phân giải hình học khác nhau, cho phép xác định nhiều đối tượng và hiện tượng ở những mức độ chi tiết cũng khác nhau Ảnh được chụp với diện rộng và ở độ cao lớn nên có thể ghi nhận được nhiều đối tượng, hiện tượng trong một phạm vi lớn ở cùng một thời điểm và có khả năng tự tổng hợp hoá tự nhiên Để xác định phạm vi phân bố các loại hình đất ngập nước, có thể coi ảnh vệ tinh là tư liệu và công cụ hữu hiệu hiện nay

Nhờ khả năng phân tích không gian, thời gian và mô hình hóa, công nghệ GIS lại cho phép tạo ra những thông tin có giá trị gia tăng cho các thông tin được chiết xuất từ dữ liệu vệ tinh đó (Burrough và cộng sự, 1998)

Các phương pháp toán thống kê ngày nay cũng đang được sử dụng rất hiệu quả trong các phân tích địa lý Cụ thể với các phương pháp phân tích đa biến giúp cho việc giải thích mối tương quan của dữ liệu, khẳng định hay phủ định các giả thiết đặt ra ban đầu và tạo ra một ý nghĩa địa lý rất quan trọng

Trong luận văn này, phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng là phương pháp phân tích không gian, sử dụng các tư liệu Viễn thám đa thời gian, và phương pháp phân tích thống kê kết hợp với các dữ liệu bổ trợ Sự biến động sử dụng đất sẽ dễ dàng được phát hiện từ ảnh vệ tinh, tích hợp và xử lý các lớp thông tin qua các năm sẽ đánh giá được biến động trong giai đoạn nghiên cứu

Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ của mình, tác giả chọn tên đề tài: Ứng dụng

viễn thám và GIS nghiên cứu biến động sử dụng đất cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng) và vùng Cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình) giai đoạn 1987-2010

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu diễn biến hai vùng cửa sông, cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng)

và Cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình) trên cơ sở ứng dụng thông tin viễn thám đa thời gian

và GIS để thấy được sự khác nhau trong quá trình phát triển về cả không gian và thời gian

3 Nhiệm vụ nghiên cứu:

1 Đánh giá tổng quan các nghiên cứu về vùng cửa sông và khả năng sử dụng thông tin viễn thám trong nghiên cứu vùng ven biển và cửa sông

2 Thu thập và xử lý các nguồn tư liệu có liên quan đến khu vực nghiên cứu (địa chất, địa mạo, khí tượng- thủy- hải văn, kinh tế - xã hội, tư liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, bản đồ các loại)

3 Điều tra thực địa, đối sánh với bản đồ biến động, đánh giá độ chính xác và khai thác thông tin cho đánh giá biến động sử dụng đất

4 Xây dựng mô hình xử lý thông tin không gian trong nghiên cứu vùng ven biển

và cửa sông

5 Tích hợp thông tin không gian trên các hệ thống xử lý ảnh số và GIS; phân tích, đánh giá qui mô biến động của các hình thức sử dụng đất

4 Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu truyền thống và các phương pháp có ứng dụng công nghệ hiện đại như viễn thám, Hệ thông tin địa lý (GIS)

Các phương pháp truyền thống sử dụng trong đề tài:

- Nhóm các phương pháp thủy văn, địa chất- địa mạo

- Phân tích thống kê và tổng hợp các tài liệu, số liệu về kinh tế- xã hội

Điều tra khảo sát ngoài thực địa

Các phương pháp và công nghệ mới:

- Phân tích ảnh và triết xuất thông tin viễn thám trên các hệ thống xử lý ảnh số

- Tích hợp thông tin ảnh, bản đồ và các thông tin địa lý khác trên các phần mềm

Hệ thông tin địa lý (GIS)

- Phân tích, đánh giá mối quan hệ giữa các yếu tố tự nhiên và nhân tạo

5 Ý nghĩa khoa học- công nghệ và thực tiễn:

a.Ý nghĩa khoa học và công nghệ: Trong bối cảnh khi ứng dụng công nghệ không

gian và tin học đang phát triển bùng nổ trên Thế giới, việc triển khai nghiên cứu sử dụng thông tin viễn thám và thông tin địa lý (GIS) trong ngành khoa học về Trái đất tại Việt Nam có ý nghĩa khoa học- công nghệ to lớn; nó thực sự góp phần rút ngắn khoảng cách chênh lệch về trình độ công nghệ ở nước ta so với các nước trong khu vực và quốc tế

b Ý nghĩa thực tiễn: Theo thời gian các vùng cửa sông ở châu thổ Bắc Bộ phát

triển tiến về phía biển và hình thức sử dụng đất ở mỗi vùng cửa sông cũng ít nhiều thay đổi và cũng theo chiều hướng khác nhau Việc ứng dụng công nghệ mới trong nghiên cứu

sử dụng đất sẽ rất có hiệu quả trong nghiên cứu, rút ngắn được rất nhiều thời gian so với các công tác khảo sát đo đạc ngoại nghiệp truyền thống trước đây Đặc biệt hiện nay khi nước ta đã bước vào giai đoạn phát triển kinh tế và vươn ra phía biển thì tác động của con người tới biến động vùng ven biển ngày càng mạnh mẽ

6 Dữ liệu, trang thiết bị phục vụ cho nghiên cứu:

Đề tài nghiên cứu đã sử dụng các tư liệu và thiết bị sau:

- Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 khu vực nghiên cứu

- Các tài liệu thống kê tự nhiên, kinh tế xã hội qua các năm nghiên cứu

- Ba ảnh vệ tinh Landsat TM và ETM chụp vào các ngày 23/11/1989; 29/09/2001

và 09/11/2010

- Một số các bài báo khoa học, tài liệu liên quan đến khu vực nghiên cứu

- Máy tính, các phần mềm GIS và xử lý ảnh gồm: ENVI, PCI, Mapinfo, ArcView

và ArcGIS

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT ĐẶC ĐIỂM MỘT SỐ YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ PHÁT TRIỂN KTXH

CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Đặc điểm địa lý

1.1.1 Khu vực cửa Đáy

Cửa Đáy là vùng cửa sông nằm giáp 2 huyện là Nghĩa Hưng- Nam Định và Kim Sơn- Ninh Bình (Hình 1.1)

Hình 1.1 Khu vực vị trí Cửa Đáy

Đây là mô ̣t phần của chi lưu thuộc hệ thống sông Hồng, đổ ra biển với lưu l ượng nước hàng năm rất lớn Cửa Đáy còn là con đường huyết ma ̣ch nố i liền các vùng kinh tế trọng điểm của các tỉnh Nam Định- Ninh Bình thông ra với biển Đông Tại cửa sông này hàng năm hiện tượng bồi tụ diễn ra thường xuyên Vì vậy biến động sử dụng đất của khu vực này, đă ̣c biê ̣t là biến đô ̣ng ở phần cửa sông đòi hỏi sự giám sát trong mô ̣t thời gian dài

để có công tác quy hoạch và phát triển một cách hợp lý

Huyện Nghĩa Hưng:

Nghĩa Hưng là một huyện ở phía Nam tỉnh Nam Định Phía Đông giáp các huyện Hải Hậu, Trực Ninh, phía Tây giáp Kim Sơn (tỉnh Ninh Bình), phía Nam giáp biển Đông, phía Bắc giáp huyện Nam Trực và Ý Yên Nghĩa Hưng nằm lọt trong ba con sông: sông Đào, sông Ninh Cơ và sông Đáy

1991, thuộc tỉnh Nam Hà (do tách tỉnh Ninh Bình); từ 6.11.1996, trở lại tỉnh Nam Định (do tách tỉnh Hà Nam với Nam Định)

Nghĩa Hưng nằm trong vùng bờ biển phía Nam đồng bằng sông Hồng Huyện có chiều dài bờ biển 12 km, phía Tây giới hạn bởi sông Đáy, ranh giới phía Đông là sông Ninh Cơ Thủy triều và các yếu tố động lực khác làm ảnh hưởng đến dòng chảy sông Đáy, gây ra sự bồi đắp phù sa, từ đó các bãi bồi được hình như Cồn Xanh, Cồn Mờ, v.v…

Vùng tiếp giáp với cửa sông Ninh Cơ là các bãi cát, các đụn cát và đầm nước mặn Phía Đông khu vực là các đầm nuôi trồng thuỷ sản Dọc sông Ninh Cơ có các ruộng muối Phía ngoài con đê chính có các bãi ngập triều với diện tích khoảng 3.500 ha Cách

bờ biển 5 km có 2 đảo cát nhỏ có diện tích 25 ha với các đụn cát và một số đầm nước mặn phía nam Rừng phòng hộ ven biển Nghĩa Hưng đã được UNESCO đưa vào danh sách địa danh thuộc khu dự trữ sinh quyển đồng bằng sông Hồng

Là một huyện thuần nhất đồng bằng ven biển, Nghĩa Hưng thuận lợi phát triển kinh tế nông nghiệp đa dạng bao gồm: Trồng lúa, khoai, lạc, đay, cói, nuôi vịt, lợn Ngoài

ra người dân ở đây còn tham gia đánh bắt và chế biến hải sản, sản xuất muối

Hình 1.2 Ảnh thực địa ven biển Nghĩa Hưng Huyện Kim Sơn

Kim Sơn là huyện nằm ở cực Nam của tỉnh Ninh Bình, trung tâm huyện là thị trấn Phát Diệm nằm cách thành phố Ninh Bình 27 km Phía Đông giáp sông Đáy, huyện Nghĩa Hưng (Nam Định); phía Tây Nam giáp sông Càn, huyện Nga Sơn (Thanh Hoá), hàng năm tốc độ bồi tụ tiến ra biển từ 80-100m; phía Bắc và Tây Bắc giáp huyện Yên Khánh và Yên Mô; phía Nam giáp biển với chiều dài bờ biển gần 18 km

Kim Sơn là vùng đất mở ra đời từ công cuộc khẩn hoang vùng bãi biển đầy lau sậy

và sú vẹt dưới sự tổ chức và điều hành của Doanh Điền sứ Nguyễn Công Trứ, năm Kỷ

Tỵ, (1829) Đây là vùng đất nằm giữa hai của sông Càn và sông Đáy, hàng năm tốc độ bồi

tụ tiến ra biển từ 80 – 100 m Chính vì thế mà Kim Sơn gắn với lịch sử của những cuộc chinh phục đất hoang bồi – quai đê lấn biển Gần 200 năm đã tiến hành quai đê lấn biển sáu lần Về diện tích hiện nay gấp gần 3 lần so với khi mới thành lập huyện

Bờ biển của tỉnh Ninh Bình dài 18km thuộc diện tích của 4 xã ven biển huyện Kim Sơn là: Kim Trung, Kim Hải, Kim Đông, Kim Tân; có tổng diện tích khoảng 6.000 ha, chiếm 4,2% diện tích tự nhiên toàn tỉnh Đất đai ở đây còn nhiễm mặn nhiều do mới bồi

tụ nên đang trong thời kỳ cải tạo, vì vậy chủ yếu phù hợp với việc trồng rừng phòng hộ (sú, vẹt), trồng cói, trồng một vụ lúa và nuôi trồng thuỷ hải sản Kim Sơn cũng là huyện

có diện tích rừng trồng thuộc loại lớn nhất tỉnh Ninh Bình với các cây trồng chủ yếu là thông nhựa, keo, bạch đàn, cây ngập mặn (sú vẹt, lau, sậy …)

Kim Sơn cùng với Hải Hậu (Nam Định) và Tiền Hải (Thái Bình) là những đơn vị đầu tiên đạt năng suất lúa 5 tấn/ha Nền kinh tế của huyện Kim Sơn có 3 thế mạnh: Kinh

tế nông nghiệp giữ vị trí quan trọng, chiếm gần 1/3 tổng sản lượng lúa của tỉnh Ninh

Bình Ngành thủ công nghiệp truyền thống sản xuất hàng chiếu cói, có giá trị hàng hóa lớn Vùng kinh tế biển đã và đang được đầu tư khai thác, đây là một vùng có tiềm năng để phát triển thành một vùng sản xuất hàng hóa phong phú và đa dạng

Huyện Kim Sơn hình thành 2 vùng địa lý kinh tế:

Các xã khu vực phía nam (trung tâm là thị trấn Bình Minh) nằm ở ven biển có thế mạnh về khai thác và nuôi trồng thuỷ hải sản đặc biệt là tôm, ghẹ, sò, cua v.v… Tại đây nổi tiếng với nghề trồng cói Phía Nam của huyện Kim Sơn có vùng ven biển rộng gần 6.000 ha có nhiều tiềm năng về thủy sản và du lịch Tuy nhiên vấn đề giao thông đi lại và

hạ tầng còn gặp khó khăn

Các xã phía Bắc (trung tâm là thị trấn Phát Diệm) thuộc khu vực phù sa bồi đắp đất đai màu mỡ và là vựa lúa của tỉnh Tại đây còn phát triển nghề thủ công truyền thống là nghề cói Năm 2008, Kim Sơn có 7 làng nghề được công nhận là làng nghề truyền thống chiếu cói, đó là: Làng nghề Trì Chính, Kiến Thái, Thủ Trung (xã Kim Chính), Đồng Đắc, Hướng Đạo (xã Đồng Hướng) và Ninh Mật, Yên Thổ (xã Yên Mật)

Toàn bộ khu vực gồm thị trấn Bình Minh, các xã: Kim Đông, Kim Hải, Kim Trung

và vùng biển Ninh Bình đã được UNESCO công nhận là khu dự trữ sinh quyển Thế giới Tại đây thiên nhiên, sự sống còn đa dạng và hoang sơ, thuận lợi phát triển loại hình du lịch sinh thái đồng quê Thắng cảnh khu vực ven biển Kim Sơn nằm trong quy hoạch du lịch của tỉnh Ninh Bình bao gồm bãi biển, sông Cà Mau, rừng phòng hộ, các cù lao, cồn nổi, cửa sông Đáy, cửa sông Càn, v.v…

1.1.2 Khu vực cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng)

1.2 Điều kiện tự nhiên

0.04÷0.05m/km Độ cao trung bình vùng ven biển dao động từ 0.0÷2,0m; có các cồn cát ven biển với độ cao từ 2,0÷4,0m, là nơi tập trung các cụm dân cư Ngoài ra còn có các dạng địa hình nhân tạo khác, tiêu biểu là hệ thống đê ngăn lũ và đê biển được đắp qua nhiều giai đoạn trong khoảng 1000 năm trở lại đây

1.2.2 Khí hậu:

Khí hậu trong năm có hai mùa chính (mùa đông và mùa hè) và hai mùa chuyển tiếp với sự thống trị của hai hệ thống gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam có tính chất ngược nhau Mùa hè nóng, mưa nhiều; mùa đông lạnh, khô

Mùa đông lạnh, chịu ảnh hưởng của hệ thống GMĐB hoạt động do các khối không khí biển Đông Trung Hoa và cực đới phía Bắc tràn về

Mùa hè nóng ẩm, do chịu ảnh hưởng của hệ thống GMTN có hoạt động của các khối không khí nhiệt đới biển phía nam tràn lên

1.2.3 Chế độ bức xạ và nhiệt độ không khí:

Bức xạ tổng cộng hàng năm dao động khoảng 110÷120kcal/cm2/năm Số giờ nắng trung bình dao động từ 1630÷1815 giờ/năm, thuộc loại trung bình ở Việt Nam Nhiệt độ năm trung bình từ 23°C đến 24°C Mùa đông nhiệt độ trung bình từ 16°C đến 17°C; tháng lạnh nhất là tháng 1 và tháng 2 Mùa hè nhiệt độ trung bình từ 26°C đến 28°C; tháng nóng nhất là tháng 7, tháng 8 Độ ẩm trung bình năm từ 80 đến 85%; độ ẩm mức cao nhất 90% rơi vào tháng 3 Lượng mưa trung bình từ 1.700 đến 1.800 mm và phân bố tương đối đều trên toàn tỉnh Mùa mưa chính từ tháng 5 đến tháng 10 chiếm 80% lượng mưa hàng năm

Từ tháng 11 đến tháng 4, lượng mưa rất thấp, có tháng hoàn toàn không có mưa

1.3 Điều kiện kinh tế - xã hội

Về mặt kinh tế, khu vực Cửa Cấm nằm trong vùng ảnh hưởng của tam giác kinh tế

Hà Nội – Hải Phòng – Hạ Long, có thể tận dụng lợi thế của mạng lưới giao thông, bao gồm đường sắt xuyên Quốc gia, quốc lộ số 1, 10, 21 và đường bờ biển dài 72 km Khu vực cửa Đáy thuộc hệ thống sông Hồng, bao gồm sông Đào, sông Đáy và sông Ninh Cơ; tại đây nhiều cảng sông, cảng đang trong giai đoạn xây dựng Đây cũng là điều kiện ưu đãi để mở rộng trao đổi thương mại và xã hội trong phạm vi tỉnh, Quốc gia và với các Quốc gia khác, nhằm nắm vị trí dẫn đầu trong việc hoạch định chính sách kinh tế và phát triển xã hội khu vực phía Nam đồng bằng sông Hồng

Khu vực duyên hải bị ảnh hưởng bởi thủy triều, trung bình thủy triều lên cao từ 1,6 – 1,7 m, cao nhất là 3,3 m, thấp nhất 0,1 m Thủy triều gây ra tình trạng nhiễm mặn và tăng mực nước ở các sông gần bờ biển, đồng thời các sông và hệ thống kênh thủy lợi khu vực xa bờ biển

Cửa Đáy có độ sâu khá, đảm bảo tàu thuyền lớn, trọng tải hàng ngàn tấn ra vào thuận tiện Vùng biển có tiểm năng nuôi trồng, khai thác, đánh bắt nguồn lợi hải sản với tổng sản lượng từ 2000÷2.500tấn/năm

1.4 Khái quát về đất ngập nước:

Đất nuôi trồng thuỷ sản: Đất nuôi trồng thuỷ sản ở vùng bãi bồi cửa sông, ven biển; Đất nuôi trồng thuỷ sản ở vùng rừng ngập mặn; Đất nuôi trồng thuỷ sản ở đất ruộng lúa; Đất nuôi trồng thuỷ sản trên cát; Nuôi ở hồ ao, sông cụt, đấu, thùng đào… đây là những vùng đất ngập nước nhân tạo

Đất canh tác nông nghiệp: Đất trồng lúa được tưới nước; Đất trồng lúa ở vùng ngập trũng

Đất làm muối

Đất công nghiệp: Khu vực khai thác, đào bới; Nơi xử lý nước thải

Hồ chứa nước và hệ thống đập, kênh dẫn nước

Với khả năng thông tin của ảnh vệ tinh, có thể đưa ra hai nhóm đối tượng có mức

độ khai thác được trên ảnh như sau:

- Nhóm các đối tượng dễ xác định được trên ảnh gồm: Thuỷ vực nông; Bãi có rừng ngập mặn, dừa nước; Bãi có cỏ, cói, lau sậy; Đầm lầy; Nước vùng cửa sông; Bãi, đầm, phá; Sông suối; Kênh rạch, ao hồ; Vùng nuôi trồng thuỷ sản; Rừng tràm; Đất canh tác nông nghiệp; Đất làm muối; Khu vực khai thác, đào bới; Nơi xử lý nước thải; Hồ chứa nước; Đập và kênh dẫn nước

- Nhóm các đối tượng xác định được trên ảnh nhưng phải có tài liệu khác hỗ trợ gồm: Đầm lầy phân thành đầm lầy mặn, ngọt; Sông ngòi, hồ ao có nước thường xuyên hay theo mùa; Đất than bùn; Rạn san hô; Bờ biển đá, vách đá; Bãi ven bờ phân ra bãi đá, bãi cát, bãi bùn; Đầm phá, hồ là loại nước mặn, nước lợ; Thảm thực vật thuỷ sinh

Thông tin khai thác được trên ảnh vệ tinh phụ thuộc rất nhiều vào độ phân giải của ảnh (độ phân giải hình học, độ phân giải phổ) Vì vậy khi xây dựng các chỉ tiêu phân loại

cũng như chọn tỷ lệ bản đồ, việc đầu tiên là phải đánh giá tư liệu ảnh Với ảnh vệ tinh độ phân giải cao (5-20m) và siêu cao (dưới 5m) cho phép thành lập các bản đồ đất ngập nước

ở tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn Còn đối với ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình (trên 20m) chỉ có thể thành lập được các bản đồ ở tỷ lệ 1:100.000 và nhỏ hơn

1.5 Khái quát về hiện trạng sử dụng đất

Hiện trạng sử dụng đất là trạng thái lớp phủ bề mặt trái đất ở một thời điểm nào đó

mà việc phân chia quỹ đất phụ thuộc vào mục đích sử dụng của con người Theo Luật Đất đai năm 1993 phân chia đất đai thành 6 nhóm, trong đó có nhóm đất đô thị Nhưng Luật Đất đai năm 2003 lại phân chia thành 3 nhóm chính và mỗi nhóm gồm nhiều loại đất xem

chi tiết tại (bảng 1.4) Đồng thời có sự khác nhau giữa hệ thống phân loại đất theo quy

định của pháp luật về đất đai trước năm 2003, hệ thống được sử dụng để xây dựng quy hoạch sử dụng đất đến năm 2010 và hệ thống theo pháp luật hiện hành

Bảng 1.4 Phân tích sự khác nhau của các hệ thống phân loại đất

STT Loại đất

Nội dung loại đất

Theo hệ thống phân loại đất của pháp luật về đất đai trước năm 2003

Theo hệ thống phân loại đất sử dụng trong quy hoạch sử dụng đất đến năm

2010

Theo hệ thống phân loại đất của pháp luật hiện hành

về đất đai

nghiệp

Đất sản xuất nông nghiệp

Đất sản xuất nông nghiệp; đất lâm nghiệp; đất làm muối; đất nông nghiệp khác

Đất sản xuất nông nghiệp; đất lâm nghiệp; đất nuôi trồng thuỷ sản; đất làm muối; đất nông nghiệp khác

1.1 Đất sản xuất

nông nghiệp

Đất trồng cây hàng năm (không gồm đất nương rẫy canh tác

Đất trồng cây hàng năm (không gồm đất nương rẫy canh tác

Đất trồng cây hàng năm (gồm cả đất nương rẫy canh tác

không thường xuyên); đất trồng cây lâu năm; đất nuôi trồng thuỷ sản

không thường xuyên); đất trồng cây lâu năm; đất nuôi trồng thuỷ sản

không thường xuyên); đất trồng cây lâu năm

Đất rừng sản xuất; đất rừng phòng hộ; đất rừng đặc dụng (không gồm đất ươm cây giống vì đất này thuộc đất nông nghiệp khác)

2 Đất phi nông

nghiệp

Không phân loại

mà đất không phải nông nghiệp được phân theo đất đô thị, đất khu dân cư nông thôn, đất chuyên dùng, đất chưa sử dụng

Đất ở; đất chuyên dùng; đất sông suối

Đất ở; đất chuyên dùng; đất tôn giáo, tín ngưỡng; đất nghĩa trang, nghĩa địa; đất sông suối

và mặt nước chuyên dùng; đất phi nông nghiệp khác

2.1 Đất ở

Đất ở tại đô thị thuộc đất đô thị;

Đất ở tại nông thôn thuộc đất khu dân

cư nông thôn

Đất ở gồm đất ở tại

đô thị và đất ở tại nông thôn

Đất ở gồm đất ở tại

đô thị và đất ở tại nông thôn

2.2 Đất chuyên

dùng

Đất trụ sở cơ quan, công trình sự nghiệp; đất sản xuất, kinh doanh;

Đất trụ sở cơ quan, công trình sự nghiệp; đất sản xuất, kinh doanh;

Đất trụ sở cơ quan, công trình sự nghiệp; đất quốc phòng, an ninh; đất

đất công cộng; đất tôn giáo, tín ngưỡng; đất nghĩa trang, nghĩa địa;

đất mặt nước đang

sử dụng vào mục đích chuyên dùng

đất công cộng; đất tôn giáo, tín ngưỡng; đất nghĩa trang, nghĩa địa;

đất mặt nước đang

sử dụng vào mục đích chuyên dùng;

đất phi nông nghiệp khác

sản xuất, kinh doanh; đất công cộng

3 Đất chưa sử

dụng

Đất chưa đưa vào

sử dụng, núi đá không có rừng cây, đất nương rẫy canh tác không thường xuyên, đất sông suối, đất mặt nước chưa sử dụng

Đất chưa đưa vào

sử dụng, núi đá không có rừng cây, đất nương rẫy canh tác không thường xuyên, đất mặt nước chưa sử dụng

Đất chưa đưa vào

sử dụng, núi đá không có rừng cây

(Nguồn: “ Báo cáo của chính phủ về kế hoạch sử dụng đất năm 2005 và 2010”)

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Quan điểm nghiên cứu

Lớp phủ bề mặt (Land cover) là vật chất che phủ bên trên vỏ Trái Đất bao gồm có: đồng cỏ, cây cối, đất, nước Có 2 phương pháp chính lấy thông tin lớp phủ bề mặt đó là khảo sát thực địa và phân tích dựa vào các dữ liệu gián tiếp (chủ yếu là sử dụng dữ liệu viễn thám)

Sử dụng đất (Land use) là một loạt các hoạt động của con người tác động lên bề mặt trái đất

Một hình thức sử dụng đất cụ thể tương ứng với một vùng lớp phủ bề mặt Tuy nhiên, một vùng lớp phủ bề mặt có thể bao gồm nhiều loại hình sử dụng đất khác nhau Ví dụ: như rừng có thể bao gồm rừng sản xuất, rừng phòng hộ, nơi bảo tồn động vật hoang dã, Mặt khác một loại hình sử dụng đất cũng chứa đựng nhiều loại lớp phủ bề mặt Ví dụ: một nông trại (hiện trạng sử dụng đất) có thể bao gồm đồng lúa, đồng cỏ, khu vực xây dựng, diện tích mặt nước (hiện trạng lớp phủ)

Với quan điểm các hợp phần hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ bề mặt, tài nguyên đất

và quy hoạch sử dụng đất luôn tương tác qua lại Hoạt động sử dụng đất của con người tác động tới sự bền vững của tài nguyên đất thông qua lớp phủ bề mặt Quy hoạch sử dụng đất hợp lý, khoa học chính là công cụ hữu hiệu để bảo vệ nguồn tài nguyên đất

Hình 2.1 Sự tương tác giữa hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ bề mặt, tài nguyên đất

hoạch

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp viễn thám để chiết xuất thông tin lớp phủ bề mặt khu vực nghiên cứu, kết hợp với việc đi khảo sát thực địa và các tài liệu khác xác định hiện trạng

sử dụng đất Sử dụng hệ thống thông tin địa lý nhằm phân tích, đánh giá biến động tài

nguyên đất (hình 2.2)

Dữ liệu viễn thám mang thông tin phong phú về hiện trạng lớp phủ bề mặt và có nhiều cách tiếp cận khác nhau để chiết xuất các thông tin về hiện trạng lớp phủ bề mặt từ viễn thám Quá trình chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám là một quá trình chuyển đổi thông tin ảnh thành các thông tin có ý nghĩa đối với người sử dụng Việc chiết xuất thông tin được tiếp cận theo cả hai hướng: không gian và thời gian

- Tiếp cận theo không gian cho phép chiết xuất thông tin từ ảnh ở nhiều quy mô (cấp độ): pixel (phương pháp phân loại)

- Tiếp cận theo thời gian đánh giá biến động bề mặt lớp phủ từ các ảnh viễn thám chụp qua các giai đoạn

Hình 2.2 Phương pháp nghiên cứu

Viễn thám cung cấp thông tin nhanh, cập nhật, có chu kỳ lặp cao và đó là dữ liệu đầu vào quan trọng cho GIS Ứng dụng của công nghệ viễn thám nhằm để giám sát môi

GIS Viễn thám

Chiết xuất thông tin

Phân tích không gian

trường như đã đề cập tới vấn đề theo dõi lớp phủ thực vật với việc thành lập bản đồ lớp phủ thực vật Việc ứng dụng viễn thám đang ngày càng phát triển và trở thành một công

cụ không thể thiếu, nhưng trong nhiều trường hợp mức độ chi tiết của thông tin đòi hỏi cao hơn nhiều so với các thông tin viễn thám có thể cung cấp Do vậỵ, việc kết hợp giữa thông tin viễn thám và thông tin điều tra, khảo sát từ thực địa là rất quan trọng nhằm nâng cao độ chính xác, mức độ chi tiết và mức độ tin cậy cho các kết quả nghiên cứu

GIS với khả năng phân tích không gian, được sử dụng để mô hình hoá quá trình biến đổi sử dụng đất Ngoài ra, GIS còn được sử dụng để phân tích biến động lớp phủ bề mặt hoặc biến động sử dụng đất nhờ việc chồng xếp bản đồ hiện trạng lớp phủ hoặc bản

đồ hiện trạng sử dụng đất qua các thời gian khác nhau

2.2.1 Tổng quan về phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguyên đất

GIS bắt đầu được xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỷ XX được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới Năm 1972, với việc phóng vệ tinh Landsat 1 đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc sử dụng viễn thám trong quan sát và nghiên cứu Trái Đất Cho đến nay, với hơn 30 năm phát triển việc tích hợp tư viễn thám

và GIS cho nhiều mục đích nghiên cứu khác nhau đã rất phổ biến

Vào những năm 1979 - 1980 các cơ quan khoa học Việt Nam bắt đầu tiếp cận công nghệ viễn thám Hiện nay ở Việt Nam, có hơn 20 cơ quan, tổ chức thuộc nhiều Bộ, Ngành

và các trường Đại học ( Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Bộ Thuỷ sản, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường đại học Mỏ Địa chất…) đang sử dụng một cách có hiệu quả các tư liệu viễn thám trong chương trình, dự án thuộc lĩnh vực của mình

Một trong những ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả đó là nghiên cứu hiện trạng lớp phủ, hiện trạng sử dụng đất và biến động tài nguyên đất dựa vào việc kết hợp công nghệ viễn thám và GIS

a Trên thế giới

Adam Johnson tiến hành nghiên cứu lập bản đồ bề mặt lớp phủ, hiện trạng sử dụng đất khu vực miền nam Mississippi dựa vào cặp ảnh Landsat 5 (TM) năm 1990 và Landsat

7 (ETM) năm 2000 Trong nghiên cứu tác giả đã sử dụng chỉ số thực vật và khảo sát biến động dựa trên phân tích chỉ số thực vật NDVI

Nghiên cứu của Somporn Sangawongse về biến động sử dụng đất ở Chiềng Mai, Thái Lan Thời điểm nghiên cứu năm 1988 tới năm 1991 bằng ảnh viễn thám sử dụng phương pháp phân loại khoảng cách ngắn nhất (Minimum distance) và phương pháp xác suất cực đại (Maximum Likelihood) Nghiên cứu biến động dựa trên tỷ số ảnh

Manishika Jain ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu mở rộng đô thị khu vực Udaipur, Ấn Độ dựa trên so sánh phân loại trong thời điểm năm 1972, 1990 và 2000 và phân tích chồng xếp dữ liệu

Nghiên cứu sự biến động đô thị thông qua việc thành lập bản đồ sử dụng đất tại các thời điểm năm 1959, 1969 và 1978 tại Delhi, Ấn Độ bằng công nghệ viễn thám đa thời gian của Gupta D M và Menshi M.K

Nghiên cứu của J.G.Masek, F.E Lindsay và S.N.Goward về sự phát triển đô thị giai đoạn 1973 - 1996 ở thủ đô Oasinhton từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat Nhóm nghiên cứu sử dụng chỉ số thực vật NDVI, các filter lọc, kỹ thuật phân ngưỡng và đưa ra kết quả

là bản đồ mở rộng đất đô thị

Shigenobu Tachizuka và các cộng sự nghiên cứu sự mở rộng đô thị ở Băng Cốc (Thái Lan) là một thành phố với mức độ đô thị hoá và công nghiệp hoá cao Nghiên cứu tính toán chỉ số tổng hợp của đất, nước và thực vật để phân tích đưa ra đánh giá biến động

sử dụng đất

b Tại Việt Nam

Tác giả Phạm Minh Hải và Yasushi Yamaguchi dùng các dữ liệu viễn thám bao gồm: Landsat MSS (1975) độ phân giải 80m, Landsat MSS (1984) độ phân giải 80, Landsat TM (1992) độ phân giải 30, ASTER (2001) độ phân giải 15m và Landsat ETM+ (2003) với độ phân giải 30m Với phương pháp phân loại dùng thuật toán xác suất cực đại dựa vào việc lấy mẫu: đất đô thị, nước, thực vật thưa, thực vật dày, nước đục, đường, đất

ẩm, đất trống, cát và áp dụng chỉ số tổng hợp thực vật, đất, nước theo dõi biến động lớp phủ bề mặt ở Hà Nội dưới tác động của đô thị hoá

Với mục đích nghiên cứu biến động sử dụng đất và xác định thông số nhằm đánh giá tác động của việc mở rộng đô thị đến môi trường khu vực thành phố Hồ Chí Minh và

các vùng lân cận Ở trong nghiên cứu của mình, Trần Hùng đã sử dụng phương pháp phân loại xác suất cực đại

Theo đề tài “Nghiên cứu sự phát triển của đô thị Hà Nội bằng tư liệu viễn thám đa phổ và đa thời gian” Tác giả Nguyễn Đình Dương đã sử dụng phương pháp xử lý số và phân loại theo thuật toán xác suất cực đại trên các ảnh năm 1992, 1999, 2001

Tác giả Vũ Anh Tuân với đề tài “Nghiên cứu biến động hiện trạng lớp phủ thực vật

và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng phương pháp Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý” nghiên cứu biến động lớp phủ dựa trên phân loại

có kiểm định và phân loại dưới pixel

Đề tài “Ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS nghiên cứu hình thái không gian của sự phát triển đô thị Hà Nội giai đoạn 1975 -2005” của Nguyễn Thị Ngọc Nga sử dụng

2 phương pháp phân loại xác suất cực đại và phân loại định hướng đối tượng với chỉ số thực vật (NDVI) và chỉ số đô thị (UV) kết hợp với phân tích không gian trong GIS

Nhữ Thị Xuân, Đinh Bảo Hoa, Nguyễn Thị Thuý Hằng đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thanh Trì - thành phố Hà Nội giai đoạn 1994 - 2003 trên cơ sở phương pháp viễn thám kết hợp GIS Và luận văn tốt nghiệp của Nguyễn Thị Thuý Hằng về nghiên cứu biến động một số loại hình sử dụng đất của huyện Từ Liêm – Hà Nội qua hai giai đoạn 1994 và 1999, sử dụng tư liệu SPOT 3 và SPOT 4 Phương pháp nghiên cứu biến động kết hợp với phân loại có kiểm định và chỉ số SAVI (chỉ số thực vật điều chỉnh ảnh hưởng của đất)

2.2.2 Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng viễn thám và GIS

● Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng viễn thám:

Bản chất của Viễn thám là sự thu nhận thông tin phản xạ từ các đối tượng trên mặt đất dưới tác dụng của năng lượng điện từ Như vậy, các gía trị độ xám của mỗi pixel (DN)

có thể khác nhau giữa hai thời kỳ, tuỳ thuộc vào bản chất của pixel đó (pixel là chữ viết tắt của cụm từ Picture Elemental) Ảnh biến động được xây dựng sẽ thể hiện được sự thay đổi trị số DN của từng pixel ảnh Giá trị đó có thể nêu lên nhiều tính chất khác nhau của đối tượng ví dụ tính chất của nước, của đất đá, của các công trình xây dựng Đặc biệt sự biến

động đó được ứng dụng trong nghiên cứu biến động của hàm lượng Chlorophyl của thực vật

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, thực vật phản xạ mạnh ở vùng cận hồng ngoại và hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng đỏ, mức độ chênh lệch giữa hệ số phản xạ ở hai vùng ánh sáng này mang tính đặc trưng cho các đối tượng tự nhiên, đặc biệt là thực vật Người ta thường lấy mức độ chênh lệch phản xạ ở hai vùng làm chỉ tiêu để đánh giá trạng thái lớp phủ thực vật Có nhiều loại chỉ số thực vật, trong đó chỉ số NDVI (Normal Differren Vegetation Index: Chỉ số khác nhau tự nhiên của thực vật) là chỉ số thực vật quy chuẩn

và hay được sử dụng nhất, NDVI được tính theo công thức:

NDVI = (NIR-Red)/(NIR+Red) Trong đó NIR: giá trị phản xạ phổ trong vùng cận hồng ngoại

Red: gía trị phản xạ phổ trong vùng ánh sáng đỏ Ảnh NDVI tạo thành từ hai kênh được tính theo công thức:

NDVI = (band 2-band1)/(band 2+band 1)×100 Trong đó:

Band 1 là gía trị phản xạ phổ trong vùng ánh sáng nhìn thấy (band 3)

Band 2 là giá trị phản xạ phổ trong vùng cận hồng ngoại (band 4)

Nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng ảnh viễn thám được tiến hành như sau:

- Lựa chọn hai tư liệu ảnh của hai thời kỳ khác nhau được thu cùng mùa khí hậu (tốt nhất là cùng tháng trong năm), cắt và nắn theo cùng tọa độ chung

- Tiến hành phân loại theo hệ thống phân loại giống nhau Những đơn vị khác nhau giữa hai bảng phân loại phải là những đơn vị mới xuất hiện ở trên ảnh này mà không có ở ảnh kia

- Tiến hành phép toán chéo (crossing) để thành lập bản đồ biến động và ma trận biến động Trên ma trận này, các đơn vị của bản đồ nằm trên đường chéo của ma trận là những đơn vị không biến động, còn về hai phía đường chéo là những đơn vị biến động với những tính chất cụ thể của quá trình biến động

Nghiên cứu biến động của các chỉ số thực vật VI (Vegetable index): được xác định dựa vào các giá trị phổ của 2 kênh phổ đặc trưng cho thực vật là kênh đỏ (Red) và kênh

hồng ngoại (NIR) hoặc kênh đỏ (Red) và kênh lục (Green) Ngoài ra, nhiều chỉ số khác cũng có thể được áp dụng trong nghiên cứu biến động

Nghiên cứu biến động bằng các chỉ số khác:

Ngoài chỉ số thực vật, trong viễn thám còn có nhiều chỉ số khác cũng được sử dụng

về mặt diện tích của đối tượng trên thực tế

● Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng GIS (hình 2.3)

Hình 2.3 Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS

Một trong các phương pháp nghiên cứu biến động là thiết lập ma trận biến động (ma trận hai chiều) Trong các phần mềm xử lí chuyên dụng (ILLWIS IDRISI), ma trận

được thực hiện trong chức năng CROSSING Nguyên tắc của CROSSING là tạo bản đồ mới thể hiện sự biến động về số lượng giữa các đối tượng, sự biến động đó được thể hiện bằng một bảng thống kê hai chiều một cách rõ ràng Các đối tượng địa lí dù đơn giản hay phức tạp đều được quy thành 3 dạng: điểm (point), đường (line, polyline), vùng (polygon) Trong đó:

Điểm (point): thể hiện một phần tử của dữ liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều

Đường (line, polyline): thể hiện đối tượng địa lí phân bố theo tuyến, được mô tả bằng một chuỗi toạ độ kế tiếp nhau trong không gian

Vùng (polygon): trong đó vị trí và phạm vi phân bố các phần tử dữ liệu được mô tả bằng một chuỗi các toạ độ không gian khép kín, có toạ độ điểm đầu và điểm cuối trùng nhau

Tóm lại: Khi kết hợp giữa Viễn thám và GIS, có thể xử lý đồng thời cả ảnh và bản

đồ để theo dõi và thống kê được sự biến động của thảm thực vật nói chung hay biến động

sử dụng đất nói riêng Công việc này và đang được thực hiện ở nhiều quy mô khác nhau

và với mức độ chi tiết khác nhau

2.2.3 Cơ sở viễn thám

2.2.3.1 Khái niệm về viễn thám

Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều cách khác nhau, nhưng nói chung đều thống nhất theo quan điểm là khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng” Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng

Viễn thám điện từ là khoa học và công nghệ sử dụng sóng điện từ để chuyển tải thông tin từ vật cần nghiên cứu tới thiết bị thu nhận thông tin cũng như công nghệ xử lý

để các thông tin thu nhận có ý nghĩa

Các thiết bị dùng để thu nhận sóng điện từ bộ cảm được gọi là vật mang (platform) Máy bay và vệ tinh là những vật mang thông dụng trong kỹ thuật viễn thám

(hình 2.4)

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám

Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo các thông tin về đối tượng Các thiết bị viễn thám thu nhận, xử lý các thông tin này, từ các thông tin phổ nhận biết, xác định được các đối tượng

2.2.3.2 Thông tin trên ảnh viễn thám

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

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

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

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

Năng lượng phản xạ trực tiếp không phụ thuộc vào bản chất của đối tượng mà chỉ phụ thuộc vào đặc tính bề mặt: độ gồ ghề, hướng, của đối tượng

Năng lượng tán xạ là kết quả của một quá trình tương tác giữa bức xạ với bề dày của đối tượng mà bức xạ đó có khả năng xuyên tới Năng lượng này phụ thuộc vào cấu

Phản xạ Mặt Trời

trúc, bản chất và trạng thái của đối tượng Đây là nguồn năng lượng mang thông tin giúp

ta có thể nhận biết được các đối tượng và trạng thái của chúng

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Phổ phản xạ

là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng Đối với mỗi vật trong tự nhiên có đặc tính phản xạ phổ điện từ khác nhau trên các bước sóng khác nhau Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên

bề mặt Các đối tượng chủ yếu trên mặt đất bao gồm: lớp phủ thực vật, nước, đất hay cát,

đá công trình xây dựng Mỗi loại này có phản xạ khác nhau với sóng điện từ tại các bước

sóng khác nhau (hình 2.5)

Hình 2.5 Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính

Đây là hình biểu diễn đường cong phản xạ phổ của các loại lớp phủ mặt đất (thực vật, đất và nước), chúng có tính chất khái quát việc phản xạ phổ của ba loại lớp phủ chủ yếu Trên thực tế, các loại thực vật, đất và nước khác nhau sẽ có các đường cong phản xạ phổ khác nhau Sự khác nhau này chủ yếu được thể hiện ở độ lớn của phần trăm phản xạ, song hình dạng tương đối của đường cong ít khi có sự thay đổi

● Thực vật: phản xạ phổ cao ở bước sóng màu lục (0.5-0.6μm) (tương ứng với dải sóng màu lục-Green) trong vùng nhìn thấy và có màu xanh lục Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn, dẫn đến lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green và Red) hoặc màu đỏ hẳn Các đặc trưng phản xạ phổ của

thực vật nổi bật nhất ở vùng hồng ngoại gần (0,7-1.4μm), là vùng bước sóng mà thực vật

có phản xạ cao nhất Mức độ phản xạ của thực vật phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác

nhau, có thể kể đến là lượng chlorophyll (diệp lục), độ dày tán lá và cấu trúc tán lá (hình 2.6)

Hình 2.6 Đồ thị phản xạ phổ của một số loại thực vật ● Nước: có phản xạ chủ yếu nằm trong vùng nhìn thấy (0.4-0.7μm) và phản xạ mạnh

ở dải sóng lam (0.4-0.5μm) và lục (0.5-0.6μm) Giá trị phản xạ của một đối tượng nước phụ thuộc chủ yếu vào độ đục của nó Nước trong có giá trị phản xạ rất khác nước đục, nước

càng đục có độ phản xạ càng cao (hình 2.7)

Hình 2.7 Đồ thị phản xạ phổ của một số loại nước

● Ðất: có phần trăm phản xạ tăng dần theo chiều tăng của chiều dài bước sóng

Phần trăm phản xạ của đất chủ yếu phụ thuộc vào độ ẩm và màu của đất Đất khô, đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp

và không rõ ràng như ở thực vật Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra

ở vùng 1.4; 1.9 và 2.7μm (hình 2.8)

Hình 2.8 Phản xạ phổ của một số loại đất

Hình 2.9 Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng trong đô thị

(Nguồn: “Root và Mille 1971”)

Cùng với các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cơ bản, Root và Mille vào năm 1971 nghiên cứu và đưa ra các đặc trưng phản xạ phổ của một số đối

tượng chính trong đô thị như bê tông, ván lợp, nhựa đường và đất trống Các đặc trưng

này là thông tin quan trọng giúp quá trình giải đoán các đối tượng đô thị (hình 2.9)

Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt Thông tin về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích ảnh trong viễn thám

Các đối tượng khác nhau trong cùng một nhóm đối tượng sẽ có dạng đường cong phổ phản xạ chung, tương đối giống nhau, song chúng khác nhau về các chi tiết nhỏ trên đường cong hoặc khác nhau về độ lớn giá trị cường độ phản xạ Khi tính chất của đối tượng thay đổi thì đường cong phổ phản xạ cũng bị biến đổi theo Một loại sai biệt nữa là

sự sai biệt có tính chất cục bộ khi cấu trúc của đối tượng khác nhau trong không gian (ví

dụ lúa được cấy và lúa được sạ), hoặc cấu trúc đó khác nhau theo hướng của nguồn sáng (ví dụ các dãy cây trồng hướng Bắc Nam sẽ có ảnh khác với cũng các dãy đó được trồng hướng Đông – Tây)

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

● Độ phân giải không gian

Độ phân giải không gian của một ảnh vệ tinh (hình 2.10), do đặc tính của đầu thu,

phụ thuộc vào hai thông số FOV (Field of view-trường/góc nhìn) và IFOV (instantaneous field of view - trường/góc nhìn tức thì) được thiết kế sẵn Thông số FOV cho ta thấy được phạm vi không gian mà đầu thu có thể thu nhận được sóng điện từ từ đối tượng Rõ ràng là với góc nhìn càng lớn (FOV càng lớn) thì ảnh thu được càng rộng, và với cùng một góc nhìn, vệ tinh nào có độ cao lớn hơn sẽ có khoảng thu ảnh lớn hơn Còn với IFOV của đầu thu đặc trưng cho phạm vi không gian Tổng hợp giá trị bức xạ của các đối tượng trong một góc IFOV được thu nhận cùng một lúc và mang một giá trị, được ghi nhận như một điểm ảnh Trong ảnh số, một điểm ảnh được gọi là một pixel và giá trị kích thước pixel đặc trưng cho khả năng phân giải không gian của ảnh Góc IFOV càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đối tượng trong không gian càng lớn, nghĩa là giá trị pixel càng nhỏ

và phạm vi “chụp” ảnh càng hẹp

Hình 2.10 Độ phân giải không gian

Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho ta biết các đối tượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt được trên ảnh

● Độ phân giải phổ

Không phải toàn bộ dải sóng điện từ được sử dụng trong việc thu nhận ảnh viễn thám Tuỳ thuộc vào mục đích thu thập thông tin, mỗi loại đầu thu được thiết kế để có thể thu nhận sóng điện từ trong một số khoảng bước sóng nhất định Độ rộng hẹp của khoảng bước sóng này là độ phân giải phổ của ảnh Theo hình 2.3 thì khoảng bước sóng càng hẹp thì tính chất phản xạ phổ của đối tượng càng đồng nhất Các khoảng bước sóng này được gọi là các kênh ảnh, (band)

Bức xạ phổ (bao gồm cả phản xạ, tán xạ và bức xạ riêng) của một đối tượng thay đổi theo bước sóng điện từ Như vậy, ảnh chụp đối tượng trên các kênh khác nhau sẽ khác nhau

và điều này có nghĩa là ảnh được thu trên càng nhiều kênh thì càng có nhiều thông tin về đối tượng được thu thập Số lượng kênh ảnh được gọi là độ phân giải phổ Độ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì thông tin thu thập từ đối tượng càng nhiều và giá thành càng lớn Thông thường, các vệ tinh đa phổ thường có số kênh ảnh từ khoảng 3 đến 10 kênh Hiện nay, trong viễn thám đa phổ, các loại vệ tinh viễn thám có khả năng thu được rất nhiều kênh ảnh (trên 30 kênh) gọi là các vệ tinh siêu phổ (hyperspectral satellite) đang được phát triển

● Độ phân giải thời gian

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

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

2.2.3.3 Lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám

Khả năng nhận biết đối tượng trên ảnh vệ tinh phụ thuộc vào độ phân giải Căn cứ vào độ phân giải không gian của ảnh, ta có thể chia ra thành 4 mức dữ liệu ảnh viễn thám bao gồm: dữ liệu có độ phân giải thấp như ảnh NOAA…, dữ liệu có độ phân giải trung bình như ảnh Landsat MSS (80m)…, dữ liệu có độ phân giải cao như Landsat TM (30m, 15m), SPOT (20m, 10m), Aster (15m) và ảnh có độ phân giải siêu cao như IKONOS (1-5m), ảnh Quickbird (0,6m), ảnh GeoEye (0.4m) Đối với ảnh Landsat MSS thì ảnh ETM

có độ phân giải không gian cao hơn, độ phân giải phổ cũng cao hơn (ảnh Landsat ETM có

7 kênh phổ, còn ảnh Landsat MSS có 4 kênh phổ) Bảng sau đây sẽ cho biết các ứng dụng chính của các kênh phổ của Landsat ETM

Bảng 2.1 Các kênh phổ (band) của ảnh vệ tinh Landsat ETM

2 0.52-0.6 Lục - Dải sóng này thiết kế nhằm đo giá trị

phản xạ cao nhất của ánh sáng màu

lục, do đó rất có ích cho việc phân biệt

và đánh giá sức khỏe của thực vật

5 1.55-1.75 Hồng ngoại

giữa

- Cho biết chỉ thị độ ẩm của thực vật,

độ ẩm của đất, và có thể dựa vào đó phân biệt vùng tuyết và mây

2.2.3.4 Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận đa quy mô

Để chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám, có nhiều cách tiếp cận khác nhau, có thể chia ra làm hai cách chính là giải đoán ảnh bằng mắt thường và xử lý ảnh số

a) Giải đoán bằng mắt thường

Giải đoán bằng mắt thường là phương pháp khoanh định các vật thể cũng như xác định trạng thái của chúng nhờ phân biệt các đặc tính yếu tố ảnh (độ sáng, kiến trúc, 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 các 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 kinh nghiệm và 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 do khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế (12-14 mức)

Như vậy, trong giải đoán bằng mắt phải nắm bắt và phân biệt được các dấu hiệu giải đoán, công việc đó đòi hỏi người giải đoán phải có kiến thức chuyên môn vững để có thể kết hợp tốt các kiến thức trong quá trình giải đoán ảnh và chỉ có vậy mới có thể đưa ra kết quả chính xác

b) Phương pháp xử lý ảnh số

Xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu viễn thám dạng hình ảnh số Ưu thế của phương pháp xử lý số là có thể phân tích được tín hiệu phổ rất chi tiết (256 mức hoặc hơn) Với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng, có thể tách chiết rất nhiều thông tin phổ của đối tượng, từ đó có thể nhận biết các đối tượng một cách tự động Tất nhiên, quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức chuyên môn của người phân tích, hoặc người lập trình các chương trình tính toán Ưu điểm nổi bật là thời gian xử lý ngắn, việc phân loại đối tượng được tiến hành nhanh chóng trên phạm vi rộng mà không cần nhiều công đi thực địa, công việc thực hiện hoàn toàn dựa vào cấp độ xám của pixel nên kết quả thu được khách quan không phụ thuộc chủ quan của người giải đoán Nhược điểm cơ bản của phương pháp xử lý số là không tận dụng được tri thức và kinh nghiệm của con người Đồng thời do xử lý số chỉ thuần túy dựa vào đặc trưng phản

xạ phổ của các đối tượng nên còn có sự nhầm lẫn cho việc phân tích thông tin của một số đối tượng

2.2.3.5 Khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động sử dụng đất

Với bản chất việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng điện từ từ các đối tượng trên mặt đất, viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi biến động lớp phủ Bề mặt lớp phủ lại phản ánh tác động của con người thông qua loại hình sử dụng đất Với ưu thế đặc biệt của viễn thám là không gian đối tượng nghiên cứu, tư liệu viễn thám đa thời gian đáp ứng được yêu cầu về khả năng cập nhật và tính chu kì trong theo dõi biến động

Kết quả khảo sát khả năng sử dụng một số loại ảnh vệ tinh trong công tác quản lý đất đai cho thấy rằng:

- Ảnh LansatTM và ETM+ có độ phân giải không gian là 30m đối với kênh đa phổ (Multispetral), kênh toàn sắc (panchromatic) là 15m Loại này sử dụng để theo dõi và

chỉnh lý những biến động lớn trong quá trình sử dụng đất ở quy mô cấp tỉnh Ảnh toàn sắc

có thể sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất ở tỷ lệ 1:50 000 hoặc nhỏ hơn

- Ảnh SPOT, độ phân giải không gian là 20m đối với các kênh ảnh đa phổ và 10m đối với các kênh toàn sắc Ảnh này có thể dùng nghiên cứu biến động sử dụng đất ở tỷ lệ 1:50 000 và nhỏ hơn Có thể theo dõi biến động sử dụng đất ở cấp huyện và cấp tỉnh

- Ảnh ASTER có độ phân giải không gian là 15m, 15 kênh phổ Dùng để theo dõi biến động sử dụng đất, hoặc thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh, huyện với

tỷ lệ 1:25 000

Như vậy với các loại ảnh vệ tinh đa phổ có độ phân giải từ 15m đến 30 m thì có thể đáp ứng được nhu cầu thông tin trong việc nghiên cứu tài nguyên đất Tuy nhiên, việc chiết tách thông tin chỉ cho ta thông tin về hiện trạng lớp phủ bề mặt, vì vậy, phải sử dụng các tài liệu khác mới có được thông tin về sử dụng đất

2.2.4 Các phương pháp đánh giá biến động

Việc nghiên cứu đánh giá biến động sử dụng dữ liệu viễn thám đa thời gian Yêu cầu đối với dữ liệu viễn thám gồm có:

- Tư liệu ảnh được chụp cùng bộ cảm hoặc tương tự

- Tư liệu ảnh phải có cùng độ phân giải không gian, cùng tầm nhìn (độ cao bay chụp, các băng phổ, độ phân giải phổ), cùng mùa

- Tư liệu đa thời gian

Trên đây là yêu cầu lý tưởng khi nghiên cứu biến động Nhưng nếu các tư liệu ảnh thu thập không thoả mãn những điều kiện trên thì phải tiến hành thêm các bước xử lý khác nhau như hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh khí quyển và nắn chỉnh hình học Độ tin cậy của quá trình nghiên cứu biến động cũng bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhân tố môi trường

có thể thay đổi giữa các thời điểm chụp ảnh Cùng với hiệu ứng của khí quyển, những nhân tố như mực nước hồ, sóng triều, gió, hay độ ẩm của đất cũng rất quan trọng Thậm chí với các ảnh chụp cùng thời điểm nhưng khác năm thì những ảnh hưởng như sự thay đổi của lịch gieo trồng, mùa vụ cũng phải được tính đến

Có bốn phương pháp đánh giá biến động chủ yếu dựa theo các trình tự xử lý sau

(xem hình 2.11):

Hình 2.11 Các phương pháp đánh giá biến động (Nguồn: “Survey of multispectral methods for land cover change analysis”)

● Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại

Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện Tiến hành phân loại độc lập hai ảnh chụp ở hai thời kỳ khác nhau Thường sử dụng ma trận chéo để tính toán tương quan biến động giữa các đối tượng, lập được các báo cáo số liệu thống kê và bản đồ biến động Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép phân loại độc lập, các sai số xuất hiện ở mỗi lần phân loại ảnh sẽ bị lẫn trong quá trình điều tra biến động

Việc phân loại có thể phân loại có kiểm định hoặc không có kiểm định Trong cách phân loại không có kiểm định, ta chia mức độ xám của ảnh ra các cấp khác nhau rồi phân

Ảnh

1

Ảnh 2

Phân loại

Đánh giá biến động

Tính toán khác biệt

Đánh giá biến động

Phân loại

biến động

Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại Phương pháp 2: Phân loại ảnh đa thời gian

Phương pháp 3: Nhận biết thay đổi phổ

Phương pháp 4: Kết hợp