Ứng dụng tư liệu viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá biến động sử dụng đất thị xã cửa lò tỉnh nghệ an giai đoạn 2005 2010

+ Nghiên cứu tích hợp tư liệu viễn thám và hệ thông tin ñịa lý ñể thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2005 ñến 2010 ñể xác ñịnh biến ñộng các loại ñất từ ñó ñề xuất các giải

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

LÊ ðÌNH SÂM

ỨNG DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ ðÁNH GIÁ BIẾN ðỘNG SỬ DỤNG ðẤT THỊ Xà CỬA LÒ - TỈNH NGHỆ AN

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng

ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Nghệ An, tháng 8 năm 2012

Tác giả

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện ựề tài, tôi ựã nhận ựược sự giúp ựỡ, những ý kiến ựóng góp, chỉ bảo quý báu của các thầy giáo, cô giáo trong Viện ựào tạo sau ựại học, Khoa Tài nguyên và Môi trường, trường đại học Nông nghiệp Hà Nội

để có ựược kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi còn nhận ựược sự hướng dẫn chu ựáo, tận tình của PGS.TS Phạm Vọng Thành là người hướng dẫn trực tiếp tôi trong suốt thời gian nghiên cứu

ựề tài và viết luận văn

Tôi cũng nhận ựược sự giúp ựỡ, tạo ựiều kiện của UBND Thị xã Cửa

Lò, Phòng Tài nguyên và Môi trường Thị xã Cửa Lò, UBND các phường thuộc Thị xã , các anh chị em và bạn bè ựồng nghiệp, sự ựộng viên, tạo mọi ựiều kiện của gia ựình và người thân

Với tấm lòng kắnh trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp ựỡ chân tình, quý báu ựó!

Nghệ An, ngày tháng năm 2012

Tác giả

Lê đình Sâm

MỤC LỤC

1 MỞ ðẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài 1

1.2 Mục ñích nghiên cứu 3

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 3

1.4 Cấu trúc của luận văn 3

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 5

2.1 Công nghệ viễn thám: 5

2.1.1 ðịnh nghĩa về viễn thám: 5

2.1.2 Cơ sở vật lý của viễn thám 7

2.1.3 Phân loại viễn thám: 11

2.1.4 Các vệ tinh viễn thám 12

2.1.5 Ứng dụng của các loại ảnh 18

2.1.6 Tư liệu sử dụng trong viễn thám vệ tinh 20

2.1.7 ðoán ñọc ảnh vệ tinh 23

2.1.8 Ứng dụng công nghệ viễn thám 28

2.1.8.1 Nghiên cứu ñịa chất 29

2.1.8.2 Nghiên cứu môi trường 30

2.1.8.3 Phân loại lớp phủ bề mặt, phát hiện biến ñộng lớp phủ bề mặt 31

2.1.8.4 Nghiên cứu khí hậu 31

2.1.8.5 Nghiên cứu thực vật, rừng 33

2.1.8.6 Sử dụng tư liệu viễn thám ñể thành lập bản ñồ 34

2.2 Hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) 35

2.2.1 Khái niệm chung về GIS 35

2.2.2 Các thành phần chính của GIS 37

2.2.3 Ứng dụng của hệ thống thông tin ñịa lý trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường 38

2.3 Một số ứng dụng kết hợp tư liệu viễn thám và công nghệ GIS trên thế giới và ở Việt nam 39

2.3.1 Một số ứng dụng kết hợp tư liệu viễn thám và công nghệ GIS trên thế giới 39

2.3.2 Một số ứng dụng kết hợp tư liệu viễn thám và cơng nghệ GIS ở Việt Nam 41

2.4 Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động lớp phủ bề mặt 44

2.4.1 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp so sánh sau phân loại 44

2.4.2 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 45

2.4.3 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ 46

2.4.4 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp số học 48

2.4.5 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp sử dụng mạng nhị phân 50

2.4.6 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ đã cĩ 52

2.4.7 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh52 2.4.8 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp kết hợp 53

2.4.9 So sánh các phương pháp thành lập bản đồ biến động 54

3 ðỐI TƯỢNG, ðỊA ðIỂM, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU56 3.1 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 56

3.1.1 ðối tượng nghiên cứu 56

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 56

3.2 Nội dung nghiên cứu 56

3.3 Phương pháp nghiên cứu 56

3.3.1 Phương pháp thu thập số liệu 56

3.3.2 Phương pháp thống kê xử lý số liệu 57

3.3.3 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 57

3.3.4 Phương pháp minh hoạ trên bản đồ, biểu đồ 57

3.3.5 Phương pháp giải đốn ảnh viễn thám bằng cơng nghệ bán tự động 57

3.3.6 Phương pháp xây dựng bản đồ từ ảnh viễn thám 58

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 59

4.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế- xã hội và chuyển dịch cơ cấu sử dụng đất của địa bàn nghiên cứu 59

4.1.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên 59

4.1.1.1 Vị trí địa lý 59

4.1.1.2 địa hình, ựịa mạo 60

4.1.1.3 đặc ựiểm hậu khắ, thời tiết 61

4.1.1.4 đặc ựiểm thuỷ văn 62

4.1.2 Các nguồn tài nguyên 62

4.1.2.1 Tài nguyên ựất 62

4.1.2.2 Tài nguyên nước 63

4.1.2.3 Tài nguyên rừng 63

4.1.2.4 Tài nguyên biển và ven biển 64

4.1.2.5 Tài nguyên khoáng sản 64

4.1.2.6 Tài nguyên nhân văn 64

4.1.2.7 Tài nguyên du lịch 64

4.1.3 Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội 65

4.1.3.1 Khái quát về thực trạng phát triển kinh tế 65

4.1.3.2 Thực trạng phát triển các khu vực kinh tế, các ngành 66

4.1.3.3 Thực trạng phát triển dân số và việc làm 68

4.1.3.4 Thực trạng phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật, hạ tầng xã hội 68

4.1.4 Hiện trạng sử dụng ựất và biến ựộng ựất ựai 70

4.1.4.1 Hiện trạng sử dụng ựất thị xã Cửa Lò năm 2010 70

4.1.4.2 Biến ựộng sử dụng ựất 2005 ựến 2010 74

4.2 Xử lý ảnh vệ tinh ựộ phân giải cao ựể lập bản ựồ hiện trạng sử dụng ựất 75

4.2.1 Thu thập tư liệu 75

4.2.2 Dữ liệu khác 76

4.2.3 Các bước xử lý ảnh số 77

4.2.3.1 Nhập ảnh 77

4.2.3.2 Tăng cường chất lượng ảnh 77

4.2.3.3 Nắn chỉnh hình học 77

4.2.3.4 Phân loại ảnh 78

4.2.3.5 đánh giá ựộ chắnh xác của kết quả phân loại 82

4.2.3.6 Một số kỹ thuật sau phân loại 87

4.2.4 Biên tập bản ựồ hiện trạng sử dụng ựất 88

4.3 đánh giá biến ựộng sử dụng ựất thị xã Cửa Lò giai ựoạn 2005 - 2010 93

4.4 Nhận xét về kết quả thực nghiệm 97

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

5.1 Kết luận 98

5.2 Kiến nghị 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Phân loại sĩng điện từ và các kênh phổ sử dụng trong viễn thám 9

Bảng 2 Các thơng số kỹ thuật của bộ cảm 15

Bảng 3 Thơng tin dữ liệu ảnh vệ tinh 57

Bảng 4: Hiện trạng sử dụng đất thị xã Cửa Lị năm 2010 71

Bảng 5: Hiện trạng sử dụng đất chi tiết thị xã Cửa Lị năm 2010 72

Bảng 6: Biến động sử dụng đất năm 2005 đến năm 2010 75

Bảng 7 Mơ tả các loại đất 80

Bảng 8 Mẫu giải đốn ảnh vệ tinh 80

Bảng 9 Giá trị khác biệt phổ giữa các mẫu phân loại ảnh năm 2005 81

Bảng 10 Giá trị khác biệt phổ giữa các mẫu phân loại ảnh năm 2010 82

Bảng 11 Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2005 84

Bảng12 ðộ chính xác phân loại ảnh năm 2005 85

Bảng13 Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2010 86

Bảng14 ðộ chính xác phân loại ảnh năm 2010 86

Bảng15 Thống kê diện tích đất năm 2005 88

Bảng16 Thống kê diện tích đất năm 2010 89

Bảng 17 Chênh lệch diện tích năm 2010 89

Bảng 18 Biến động các loại đất giai đoạn 2005 - 2010 94

Bảng 19 So sánh diện tích các loại đất tại thời điểm nghiên cứu 95

Bảng 20 Thay đổi sử dụng đất giai đoạn 2005 - 2010 95

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BIỂU ðỒ

Hình 1 Vệ tinh trên quỹ ñạo 5

Hình 2 Quá trình thu nhận hình ảnh của các ñối tượng 6

Hình 3 Bức xạ ñiện từ 7

Hình 4 Phổ ñiện từ và các dải sóng dùng trong viễn thám 10

Hình 5 Tương tác cơ bản giữa năng lượng ñiện từ với ñối tượng bề mặt 10

Hình 6 Vệ tinh LANDSAT 14

Hình 7 Vệ tinh SPOT và vị trí của nó trên quỹ ñạo 15

Hình 8 Chụp lập thể vệ tinh SPOT 16

Hình 9 Quá trình chia mẫu 21

Hình 10 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu núi lửa 29

Hình 11 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu ñịa chất 30

Hình 12 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu sóng thần 31

Hình13 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu bão nhiệt ñới Choi-Wan 31

Hình 14 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu biến ñộng tầng ô zôn 32 Hình 15.Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu nhiệt ñộ bề mặt 33

Hình 16 Ứng dụng công nghệ viễn thám theo dõi nạn phá rừng nhiệt ñới 34

Hình 17 Ứng dụng ảnh viễn thám trong thành lập bản ñồ 35

Hình 18 Một bản ñồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều thông tin khác nhau 36

Hình 19 Thành phần chính của một hệ GIS 37

Hình 20 Trạm thu ảnh vệ tinh &Trung tâm Quản lý Dữ liệu quốc gia 43

Hình 21 Thành lập bản ñồ biến ñộng bằng phương pháp so sánh sau phân loại.45 Hình 22 Thành lập bản ñồ biến ñộng bằng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh ña thời gian 46

Hình 23: Véc tơ thay ñổi phổ 47

Hình 24 Thuật toán phân tích thay ñổi phổ 48

Hình 25 Thành lập bản ñồ bằng phương pháp mạng nhị phân 51

Hình 26 Thành lập bản ñồ bằng phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh 53

Hình 27: Vị trí vùng nghiên cứu 59

Biểu ñồ 1: Cơ cấu kinh tế thị xã Cửa Lò 2006 – 2010 66

Biểu ñồ 2: Cơ cấu sử dụng ñất thị xã Cửa Lò năm 2010 71

Hình 28 Ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu 76

Hình 29 Các bước xử lý ảnh số 78

Hình 30 Bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất thị xã Cửa Lò năm 2005 91

Hình 31 Bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất thị xã Cửa Lò năm 2010 92

Hình 32 Quy trình thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất 93

Hình 33 Bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất năm 2005- 2010 96

1 MỞ đẦU

1.1 Tắnh cấp thiết của ựề tài

đô thị hoá là một quá trình tập trung dân cư ựô thị, ựồng thời ựó là quá trình chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng tỷ trọng sản xuất nông nghiệp giảm,

tỷ trọng sản xuất công nghiệp, thương mại và dịch vụ tăng Bộ mặt ựô thị ngày càng phát triển theo hướng hiện ựại, không gian ựô thị ngày càng mở rộng Năm 1994 Cửa Lò chắnh thức ựược nâng cấp thành thị xã theo Nghị ựịnh

số 113/Nđ-CP ngày 29/8/1994 của Chắnh phủ Hiện tại, Cửa Lò ựang ựược quy hoạch trở thành một trong những trung tâm kinh tế của tỉnh Nghệ An; năm

2009 thị xã ựược công nhận là ựô thị loại III theo quyết ựịnh số: 234/Qđ-BXD ngày 12/03/2009 của Bộ trưởng Bộ Xây dựng; sau 18 năm thành lập Cửa Lò ựã

và ựang khảng ựịnh ựược là ựô thị du lịch biển và là ựộng lực phát triển kinh tế gắn với Khu kinh tế đông Nam Nghệ An đặc biệt, cùng với thành phố Vinh,

Ộliên hợp ựô thịỢ Cửa Lò Ờ Vinh ựang trở thành trung tâm kinh tế, văn hoá của khu vực Bắc Trung Bộ, một trong những cửa ngõ ra vào Thái Bình Dương quan trọng của các nước tiểu vùng Mê Kông mở rộng (GMS) theo Hành lang đông-Tây từ Miến điện Ờ Thái Lan- Lào và ra bờ biển Việt Nam Dự kiến ựến năm 2020 Cửa Lò sẽ hội tụ ựủ các tiêu chuẩn ựể trở thành thành phố du lịch biển nổi tiếng của cả nước và khu vực đông Nam Á

Trước yêu cầu ựô thị hoá rất nhanh ở thị xã Cửa Lò, ựòi hỏi nhiệm vụ quản lý ựất ựai phải thường xuyên theo dõi và cập nhật quá trình biến ựộng sử dụng ựất diễn biến liên tục trên ựịa bàn Từ ựó giúp cho các nhà quản lý có cái nhìn tổng thể về sử dụng ựất trong phát triển ựô thị, quá trình biến ựộng các loại ựất, nhằm ựưa ra các chắnh sách quản lý sử dụng ựất ựai hợp lý, tiết kiệm có hiệu quả, làm cơ sở cho việc Quy hoạch, kế hoạch sử dụng ựất ựai, phát triển kinh tế - xã hội ựáp ứng ựược mục tiêu phát triển du lịch bền vững của ựô thị du lịch biển thị xã Cửa Lò Hiện nay, ựa số các ựịa phương trong cả

nước vẫn sử dụng các phương pháp thành lập bản ñồ sử dụng ñất (BðSDð) theo phương pháp truyền thống, quá trình cập nhật chỉnh lý số liệu mất nhiều thời gian, sử dụng nhiều nhân lực mà bản ñồ có ñộ chính xác không cao và không thống nhất ( do dữ liệu ñầu vào không ñồng bộ) Những hạn chế này ảnh hưởng tới công tác quản lý tài nguyên ñất ñai trong giai ñoạn ñô thị hoá

diễn ra nhanh chóng như hiện nay

Trong vòng nữa thế kỷ trở lại ñây, công nghệ Viễn thám và hệ thống tin ñịa lý (GIS) ñược ứng dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu bề mặt vỏ trái ñất cũng như công tác thành lập bản ñồ Việc áp dụng phương pháp thành lập bản ñồ HTSDð bằng tư liệu ảnh viễn thám và GIS cho phép chúng ta xác ñịnh nhanh chóng về vị trí không gian và tính chất của ñối tượng, từ ñó giám sát ñược quá trình ñô thị ñang diễn ra nhanh chóng như hiện nay ðồng thời dựa trên ñộ phân giải phổ, ñộ phân giải không gian và ñộ phân giải thời gian của tư liệu viễn thám cho phép chúng ta xác ñịnh ñươc thông tin của ñối tượng một cách chính xác và nhanh nhất, thậm chí ở những vùng sâu,vùng xa, các vùng có ñô thị hoá nhanh Nhờ ñó tư liệu viễn thám và GIS ñã ñem lại khả năng mới cho công tác quản lý ñất ñai

Việc ứng dụng tư liệu Viễn thám và GIS, cùng với các công cụ phần mềm hỗ trợ ñã tạo ñược một bước tiến mới trong thành lập bản ñồ HTSDð dùng trong việc quản lý ñất ñai ñô thị

Trước yêu cầu ñòi hỏi phải cập nhật thông tin một cách ñầy ñủ, nhanh chóng và chính xác nhất về hiện trạng sử dụng ñất phục vụ cho cho công tác quản lý ñất ñai ở các vùng ñô thị ñang phát triển sôi ñộng như hiện nay, nên việc áp dụng tư liệu Viễn thám kết hợp với các công cụ phần mềm xử lý ảnh, cũng như các phần mềm thành lập bản ñồ ñã trở thành một phương pháp thành lập bản ñồ có ý nghĩa thực tiễn và mang tính khoa học

Xuất phát từ yêu cầu của công tác quản lý ñất ñai ñể giám sát những thay ñổi trong sử dụng ñất do quá trình ñô thị hoá ở thị xã Cửa lò- tỉnh Nghệ

An, trong thời gian qua tôi tiến hành thực hiện ñề tài: “Ứng dụng tư liệu Viễn thám và hệ thống thông tin ñịa lý ñánh giá biến ñộng sử dụng ñất thị xã Cửa Lò - Tỉnh Nghệ An giai ñoạn 2005- 2010 ”

1.2 Mục ñích nghiên cứu

+ Nghiên cứu thành lập bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất năm 2005 và

2010 thị xã Cửa Lò, từ tư liệu viễn thám

+ Nghiên cứu tích hợp tư liệu viễn thám và hệ thông tin ñịa lý ñể thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2005 ñến 2010 ñể xác ñịnh biến ñộng các loại ñất từ ñó ñề xuất các giải pháp cho công tác quản lý, sử dụng ñất ñai trong quá trình phát triển ñô thị trên ñịa bàn Thị xã Cửa Lò

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Về mặt khoa học, ñề tài nghiên cứu góp phần khẳng ñịnh khả năng ứng dụng tư liệu viễn thám cũng như các kỹ thuật xử lý ảnh trong việc thành lập bản ñồ biến ñộng từ tư liệu viễn thám Bên cạnh ñó kết quả nghiên cứu của luận văn góp phân ñánh giá khả năng của tư liệu viễn thám trong thành lập bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất, bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất ñể theo dõi quá trình ñô thị hoá trên ñịa bàn thị xã Cửa Lò

Về mặt thực tiễn, các kết quả nghiên cứu của luận văn ñưa ra ñược số liệu về biến ñộng ñất ñai giai ñoạn từ năm 2005 ñến năm 2010 làm cơ sở cho việc xác ñịnh mức ñộ biến ñộng các loại ñất trong quá trình ñô thị diễn ra trên ñịa bàn thị xã Cửa Lò Với mong muốn ñây sẽ là tài liệu hữu ích cho các nhà quản lý trong công tác quy hoạch, kế hoạch, quản lý sử dụng ñất bằng phương pháp tư liệu ảnh viễn thám và GIS một cách nhanh nhất, giúp quản lý và sử dụng ñất có hiệu quả nhất trong quá trình phát triển ñô thị trên ñịa bàn thị xã Cửa Lò

1.4 Cấu trúc của luận văn

Nội dung của luận văn gồm 5 phần ñược trình bày trong 100 trang với 33 hình , 2 biểu ñồ và 20 bảng cụ thể như sau:

- Phần 1: Mở ñầu

- Phần 2: Tổng quan các vấn ñề nghiên cứu

+ Công nghệ viễn thám ( 17 hình và 2 bảng biểu)

+ Hệ thống thông tin ñịa lý (3 hình)

- Danh mục các công trình của tác giả

-Tài liệu tham khảo

-Phụ lục

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Công nghệ viễn thám:

2.1.1 ðịnh nghĩa về viễn thám:

Viễn thám (Remote sensing) là một khoa học và công nghệ mà nhờ nó

các tính chất của vật thể quan sát ñược xác ñịnh, ño ñạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Hay hiểu ñơn giản viễn thám là thăm

dò từ xa về một ñối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với ñối tượng hoặc hiện tượng ñó

Hình1 Vệ tinh trên quỹ ñạo

Như vậy ñối tượng nghiên cứu của viễn thám là các sự vật, hiện tượng xảy ra trên trái ñất dưới tác ñộng của nguồn năng lượng mặt trời Viễn thám không nghiên cứu trực tiếp các quá trình xảy ra của các sự vật hiện tượng mà nghiên cứu gián tiếp thông qua hình ảnh của dạng sự vật, hiện tượng ñược ghi nhận từ sự phản xạ hoặc bức xạ từ nguồn năng lượng mặt trời hoặc nguồn năng lượng nhân tạo Vì vậy có thể ñịnh nghĩa khái quát viễn thám như sau:

"Viễn thám ñược xác ñịnh là một phương pháp nghiên cứu các ñối

tượng, hiện tượng bằng các thiết bị, ñặt cách ñối tượng một khoảng cách nào

ñó, không ñòi hỏi tiếp xúc trực tiếp với ñối tượng" [ 13]

Sóng ñiện từ hoặc ñược phản xạ hoặc ñược bức xạ từ vật thể thường là nguồn tài liệu chủ yếu trong viễn thám Những năng lượng từ trường, trọng trường cũng có thể ñược sử dụng

Thiết bị dùng ñể cảm nhận sóng ñiện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể ñược gọi là bộ cảm

Phương tiện dùng ñể mang các bộ cảm ñược gọi là vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ

Hình2 Quá trình thu nhận hình ảnh của các ñối tượng

Viễn thám là kỹ thuật thu thập dữ liệu bức xạ ñiện từ phản chiếu hoặc phát ra từ ñối tượng trên mặt ñất bằng cách sử dụng bộ cảm viễn thám và chiết xuất thông tin vê ñối tượng thông qua quá trình phân tích các bức xạ ñiện từ này

Nhiệm vụ nghiên cứu của viễn thám là:

- Phát triển cơ sở kỹ thuật các thiết bị thu nhận thông tin viễn thám như các hệ thống máy chụp ảnh, máy quét ảnh, hệ thống xử lý thông tin, các phần mềm tin học chuyên dụng cho việc xử lý tư liệu viễn thám

- Nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của ñối tượng tự nhiên và tác ñộng qua lại của môi trường ñến khả năng phản xạ phổ nhằm thu nhận ảnh viễn thám tốt nhất phục vụ cho các mục ñích nghiên cứu

- Hoàn thiện các phương pháp xử lý thông tin trên mặt ựất ựể khai thác tốt nhất các tư liệu viễn thám phục vụ cho nhiều mục ựắch khác nhau như: khắ tượng thuỷ văn, ựịa chất, lâm nghiệp, nông nghiệp, ựịa chắnh, ựịa lý tài nguyên, theo dõi và quản lý môi trường, quốc phòngẦ

Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu ựối tượng chủ yếu trong viễn thám

là phương pháp nghiên cứu mô hình đó là mô hình phổ và mô hình không gian của các ựối tượng trên bề mặt trái ựất Vắ dụ: hệ sinh thái, hệ kiến tạo, lớp phủ thực vật, ựịa hình, ựịa vật và việc thành lập bản ựồ ựịa hình, bản ựồ chuyên ựề

Trong viễn thám sóng ựiện từ ựược phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn năng lượng chủ yếu Ngoài ra các dạng năng lượng như từ trường, trọng trường cũng ựược sử dụng Ảnh thu ựược từ các bộ cảm là ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh chụp từ các con tầu vũ trụ ựược thể hiện dưới 2 dạng,

ựó là: ảnh tương tự và ảnh số

2.1.2 Cơ sở vật lý của viễn thám

Cơ sở khoa học của phương pháp viễn thám cho thấy thông qua năng lượng phản xạ hoặc bức xạ của vật thể, có thể xác ựịnh ựược các ựặc trưng của vật thể

Tốc ựộ ánh sáng (300 km/s) = Tần số x giải sóng

- đặc trưng ựiện trường: chiều dài sóng và tần số

- đơn vị chiều dài sóng: 1 m = 1000 mm; 1 mm= 1000 nm

Hình 3 Bức xạ ựiện từ

Bức xạ ñiện từ truyền năng lượng ñiện từ trên cơ sở dao ñộng của ường ñiện từ trong không gian hoặc trong lòng các vật chất Bức xạ ñiện từ mang cả các tính chất hạt và các tính chất sóng, còn quá trình lan truyền của sóng ñiện từ tuân thủ theo ñịnh luật Maxwell Tính chất sóng ñược xác ñịnh bởi bước sóng, tần số và tốc ñộ lan truyền Tính chất hạt ñược mô tả theo các tính chất của quang lượng tử hoặc photon Bức xạ ñiện từ có bốn tính chất cơ bản là: tần số (bước sóng), hướng lan truyền, biên ñộ và mặt phân cực Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt ñầu từ vùng cực tím (0.3-0.4 µm), vùng ánh sáng nhìn thấy (0.4-0.7 µm), ñến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Bốn thuộc tính của bức xạ ñiện từ liên quan ñến các nội dung thông tin khác nhau, ví dụ như tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc, sự phân cực liên quan tới hình dạng của vật thể

tr-Tất cả các vật thể ñều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng ñiện

từ theo các cách khác nhau và ñặc trưng này ñược gọi là ñặc trưng phổ

Bảng 1 Phân loại sóng ñiện từ và các kênh phổ sử dụng trong viễn thám

0.75 - 1.3 µm 1.3 – 3 µm

Sóng

Radio

Sóng Micro

30 - 300 GHz

3 - 30 GHz 0.3 - 3 GHz Sóng cực ngắn (VHF)

Sóng ngắn (HF) Sóng trung (MF) Sóng dài (LF) Sóng rất dài (VLF)

1 - 10 m

10 - 100 m 0.1 - 1 km

1 - 10 km

10 - 100 km

30 - 300 MHz

3 - 30 MHz 0.3 - 3 MHz

30 - 300 KHz

3 - 30 KHz

Sự tương tác năng lượng với các ñối tượng trên mặt ñất ñược thể hiện khi năng lượng ñiện từ rơi vào một vật thể ở trên mặt ñất, sẽ có 3 thành phần năng lượng cơ bản tương tác với ñối tượng; ñó là: phản xạ, hấp thụ và truyền qua

EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) Trong ñó: EI- năng lượng tới mặt ñất

ER- năng lượng phản xạ

EA- năng lượng hấp thụ

ET- năng lượng truyền qua

Toàn bộ các năng lượng này là hàm của một bước sóng λ nào ñó EI(λ)

Hình 4 Phổ ñiện từ và các dải sóng dùng trong viễn thám

Ứng dụng :

Tia Gamma & X : Y tế & Hạt nhân Tia tím : Thiên văn,nghiên cứu Ozone Vùng nhìn bằng mắt : Cho các phân tích bằng mắt Hồng ngoại : Phân biệt thảm thực vật Nhiệt : Nghiên cứu hoả hoạn Sóng ngắn : Mặt ñất, mặt nước Radio : Radio, Truyền thanh

Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau, tùy thuộc vào các ñặc ñiểm của ñối tượng trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và tình trạng của ñối tượng Ngoài ra, tỷ lệ giữa các hợp phần ñó còn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới

Hình 5 Tương tác cơ bản giữa năng lượng ñiện từ với ñối tượng bề mặt

Như vậy, sẽ xẩy ra trường hợp hai ñối tượng có cùng một ñặc ñiểm trong những dải phổ khác nhau Chính vì vậy, trong vùng nhìn thấy màu sắc của một ñối tượng chính là thể hiện sự phản xạ của nó trội hơn cả trong một dải sóng nào ñó Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ là rất quan trọng và viễn thám nghiên cứu sự khác nhau ñó ñể phân biệt các ñối t-ượng Vì vậy, năng lượng phổ phản xạ thường ñược sử dụng ñể tính sự cân bằng năng lượng

2.1.3 Phân loại viễn thám:

Viễn thám có thể ñược chia làm ba loại theo bước sóng sử dụng:

* Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại:

Như chúng ta ñã biết sóng ñiện từ là dải sóng có chiều dài bước sóng từ 0,1m ñến 10 km Việc thu nhận sóng ñiện từ ở các dải sóng khác nhau là cơ sở cho việc phân loại viễn thám Nguồn năng lượng chủ yếu sử dụng trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại là năng lượng mặt trời Tư liệu viễn thám thu ñược trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái ñất Vì vậy, các thông tin về vật thể có thể ñược xác ñịnh từ các phổ phản xạ

* Viễn thám hồng ngoại nhiệt

Mỗi vật thể trên bề mặt trái ñất ñều hấp thụ năng lượng từ mặt trời Trong ñiều kiện bình thường mỗi vật thể, các vật thể ñều sản sinh ra bức xạ nhiệt khác nhau Việc thu nhận bức xạ do chính vật thể sản sinh ra gọi là viễn thám hồng ngoại nhiệt

* Viễn thám siêu cao tần

Trong viễn thám siêu cao tần người ta thường sử dụng hai kỹ thuật:

Kỹ thuật chủ ñộng: kỹ thuật này hoàn toàn không sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Từ bộ cảm phát ra sóng ñiện từ, sóng này ñập vào vật thể rồi

Kỹ thuật bị ñộng: trong viễn thám siêu cao tần bị ñộng thì bức xạ siêu cao tần do chính bản thân vật phản xạ lại trước bộ cảm thu nhận.thể phát ra và ñược ghi lại, do ñó nó phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời cung cấp

2.1.4 Các vệ tinh viễn thám

Vệ tinh có mang bộ cảm viễn thám gọi là vệ tinh viễn thám hay vệ tinh quan sát mặt ñất Các loại vệ tinh viễn thám bao gồm: vệ tinh khí tượng, vệ tinh viễn thám biển, vệ tinh ñịa tĩnh, vệ tinh tài nguyên, vệ tinh tình báo, các tầu vũ trụ có người ñiều khiển và các trạm vũ trụ, có rất nhiều hệ thống vệ tinh viễn thám ñang hoạt ñộng: Landsat, Spot, Sojuz, IRS, Radasat, GMS

Thời gian hoạt ñộng của vệ tinh trên quỹ ñạo rất khác nhau tuỳ thuộc vào mục ñích thiết kế Ví dụ như các tầu Sojuz hoặc Cosmos của Nga có thời gian hoạt ñộng một vài tuần ñến một vài tháng theo mùa chụp ảnh, sau ñó phim ảnh ñược chụp gửi về mặt ñất ñể xử lý ảnh Các vệ tinh tài nguyên như: Landsat, Spot hoạt ñộng hàng năm trên quỹ ñạo Tuy nhiên, do bay trong hàng khí quyển cách mặt ñất từ 600 - 1000 km tầu vệ tinh cũng bị sức cản của không khí tác ñộng nên khoảng 2 năm sẽ bị thay ñổi quỹ ñạo thiết kế ban ñầu cho vệ tinh tài nguyên cần phải phục hồi ñẩy lại quỹ ñạo thiết kế hoặc phóng

vệ tinh khác thay thế: Các vệ tinh ñịa tĩnh như GMS bay ở ñộ cao lớn 36.000km nên ít bị ảnh hưởng của khí quyển nên có thể phục vụ lâu dài Các vệ tinh trên có quỹ ñạo khác nhau, ñể ñảm bảo các tư liệu viễn thám thu nhận ñược các thông số kỹ thuật phù hợp với nhiệm vụ của vệ tinh

và mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

- Các trạm thu nhận thông tin ảnh trên mặt ñất

Hệ thống vệ tinh Cosmos, Sojuz chụp ảnh bằng hệ thống máy chụp ảnh quang học thu hồi kết quả từ vệ tinh trả về mặt ñất nên không cần có các trạm thu mặt ñất Trong khi ñó các hệ thống chụp ảnh Landsat, Spot ñược truyền hình ảnh bằng các kênh vô tuyến ñiện ñều phải sử dụng các trạm thu thông tin ảnh trên mặt ñất Thông thường trên các vệ tinh loại này có hai chế ñộ làm

việc cho các thiết bị ghi nhận ảnh: chế ñộ truyền trực tiếp (D) và chế ñộ truyền ảnh gián tiếp (R) Chế ñộ truyền ảnh trực tiếp ñược tiến hành khi vệ tinh vừa ghi hình lại bay qua tầm hoạt ñộng của trạm thu trên mặt ñất Khi vệ tinh ghi hình mà lại không bay trong tầm hoạt ñộng của trạm thu nào hoặc do thời tiết xấu không thuận lợi cho việc truyền hình ảnh thì hình ảnh sẽ ñược ghi trên bộ nhớ từ Sau ñó vào thời ñiểm thích hợp khi vệ tinh bay qua trạm thu sẽ tiến hành phát hình về trái ñất ðây là chế ñộ truyền ảnh gián tiếp Trên

vệ tinh Landsat bộ nhớ từ cho phép lưu giữ một khối lượng thông tin hình ảnh của 30 phút chụp hình

Trên mặt ñất người ta bố trí các trạm thu thành một mạng lưới Mỗi trạm thu cho phép ghi hình ảnh từ vệ tinh trên một diện tích nhất ñịnh Thông thường bán kính hoạt ñộng của một trạm thu thông tin ảnh mặt ñất có thể lên tới vài nghìn kilômét

Các trạm thu mặt ñất ngoài việc ghi nhận hình ảnh còn ñảm bảo việc xử

lý ban ñầu các hình ảnh như: chỉnh lý hình học hoặc thực hiện các ñộng tác chế xuất ảnh theo yêu cầu cảu người sử dụng theo các thuật toán tô ñậm nét, phân tích thành phần chính Các thông tin ảnh ñược truyền qua vô tuyến về mặt ñất ở dạng tín hiệu ñiện sẽ ñược xử lý lọc nhiễu trong quá trình truyền ảnh, cải chính các sai số trong quá trình quét hình, nắn ảnh về mặt lưới chiếu cho trước, hiệu chỉnh ảnh và chuẩn hoá các ñặc tính quang lượng về ñộ xám, ñộ tương phản và hiển thị dưới dạng ảnh cùng với các thông số bổ trợ bên lên hình ảnh (gọi là thông số rìa) như ngày chụp, số hiệu kênh, toạ ñộ lưới chiếu, toạ ñộ tâm ảnh

Từ năm 1992 các trạm thu ảnh TM còn làm thêm dịch vụ xử lý ảnh, số tô ñậm nét ảnh, phân tích thành phần chính, dựng ảnh phối cảnh ñịa hình dưới một góc nhìn cho trước

- Giới thiệu về một số vệ tinh viễn thám

+ Vệ tinh LANDSAT

LANDSAT là vệ tinh viễn thám ñầu tiên ñược NASA phóng lên quỹ ñạo vào năm 1972 Từ năm 1994 ảnh vệ tinh Landsat do công ty EOSAT phân phối, tuy nhiên những ảnh quá hạn hai năm ñược ñưa vào lưu trữ và do trung tâm dữ liệu cục ñịa chất Mỹ phân phối

Vệ tinh ñầu tiên trong serie Landsat ERTS-1 phóng ngày 23/7/1972 Sau ñổi tên là Landsat-1, Landsat-2 phóng ngày 22/1/1975 Các vệ tinh tiếp theo là Landsat -3 phóng năm 1978 Landsat-4 phóng năm 1982 và Landsat-5 phóng năm 1984 Landsat-6 phóng tháng 10/1993 nhưng ñã không thành công Landsat-7 phóng tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhanced Thematic Mapper) Trên vệ tinh Landsat bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và ñược sử dụng nhiều nhất là TM Bộ cảm TM có các thông số chính (ñược nêu trong bảng 2), hiện ñang có 2 vệ tinh ñang hoạt ñộng ñó là Landsat-5 và Landsat-7

Hình 6 Vệ tinh LANDSAT

Quỹ ñạo vệ tinh Landsat - 5 và 7 ñược ñặc trưng bởi các thông số

chính sau:

- ðộ cao bay 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ ñạo 980

- Quỹ ñạo ñồng bộ mặt trời và bán lặp lại Thời ñiểm bay qua xích ñạo

9 giờ 30 phút sáng Chu kỳ lặp lại 17 ngày và bề rộng tuyến chụp 185 km

Bảng 2 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm Kênh

phổ Bước sóng Phổ ñiện từ

ðộ phân giải

Kênh 1 0,45 - 0,52 µm Xanh chàm (Blue) 30 m

Kênh 2 0,52 - 0,60 µm Xanh lục (Green) 30 m

Kênh 4 0,76 - 0,90 µm Gần hồng ngoại 30 m

Kênh 6 10,4 - 12,5 µm Hồng ngoại nhiệt 120 m

Kênh 7 2,08 - 2,35 µm Hồng ngoại trung 30 m

+Vệ tinh SPOT

Vệ tinh SPOT (Systeme protatoire d’obsevartion de la terre) là chương

trình viễn thám do các nước Pháp , Thụy ðiển, Bỉ hợp tác SPOT-1 ñược phóng lên quỹ ñạo tháng 22/2/1986, SPOT-2 ñược phóng lên quỹ ñạo ngày 22/1/1990, SPOT-3 ñược phóng lên quỹ ñạo ngày 26/9/1993, SPOT-4 ñược phóng lên quỹ ñạo ngày 24/3/1998 và SPOT-5 ñược phóng lên quỹ ñạo ngày 04/5/2002

Trên mỗi vệ tinh Spot ñược trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có

ñộ phân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system)

Hình 7 Vệ tinh SPOT và vị trí của nó trên quỹ ñạo

Vệ tinh SPOT có quỹ ñạo tròn cận cực ñồng bộ mặt trời

- ðộ cao bay chụp là 830 km và góc nghiêng của mặt phẳng quỹ ñạo là 98,70

- Thời ñiểm bay qua xích ñạo : 10 giờ 30 phút sáng

- Chu kỳ lặp một ñiểm nào ñó trên mặt ñất: 26 ngày trong chế ñộ quan sát bình thường

Vệ tinh SPOT ñược trang bị một bộ quét ña phổ HRV gồm hai máy HRV-1

và HRV-2 (high resolution visible) Bộ cảm HRV là máy quét ñiện tử CCD, HRV có thể thay ñổi góc quan sát nhờ một gương ñịnh hướng, gương này cho phép thay ñổi hướng quan sát từ 00 ñến 270 so với phương thẳng ñứng HRV

là máy chụp ảnh ña phổ trên 3 kênh (màu) và một kênh toàn sắc (trắng ñen) P (panchromantic)

Kênh-1 (Xanh lá cây) với bước sóng: 0.50-0.59 µm Kênh-2 (ðỏ) với bước sóng: 0.61-0.68 µm

Kênh-3 (Hồng ngoại phản xạ) với bước sóng: 0.79-0.89 µm

Kênh toàn sắc với bước sóng: 0.51-0.73 µm

Với ñộ phân giải 20 m ñối với kênh ña phổ (màu) và 10 m ñối với kênh toàn sắc (trắng ñen) cho phép thành lập các bản ñồ ở tỷ lệ 1:25.000 - 1:50.000

Hình 8 Chụp lập thể vệ tinh SPOT

Vệ tinh ở thế hệ sau ñược cải tiến nâng cao về tính năng cung cấp ảnh

có chất lượng ngày càng cao Vệ tinh SPOT-4 có thêm kênh hồng ngoại ngắn SWIR (Short-Wave Infrared) Kênh SWIR nhạy cảm với tuyết, nước tù và thực vật Kênh này giúp tăng cường khả năng phân tích, nâng cao khả năng quan sát với ñộ phân giải không gian 20 m và có ñộ chính xác cao Vệ tinh SPOT-5 có ñộ phân giải với các kênh phổ là 10 m, ñộ phân giải cao của kênh toàn sắc là 5 m và ngoài ra còn có chế ñộ xử lý Supermode cho ảnh với ñộ phân giải cao gấp 2 lần (2,5 m) Ngoài ra SPOT-5 có ñộ chính xác ñịnh vị là

50 m trong trường hợp không có ñiểm nắn và có thể sản xuất mô hình số ñịa hình (DTM) Như vậy, ñến SPOT-5 với ñộ phân giải không gian cao mở ra khả năng cho người sử dụng nhận biết tốt nhất các ñối tượng như: ñường, các tòa nhà và phân tích sản lượng, vụ mùa, cảnh quan, nghiên cứu trạng thái sinh trưởng của rừng

Hiện nay hầu hết các nước phát triển và ñang phát triển trên thế giới ñều sử dụng nguồn tư liệu ảnh vệ tinh là chính ñể thành lập và theo dõi biến ñộng sử dụng ñất ñai, còn lựa chọn loại tư liệu vệ tinh nào phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ bản ñồ cần thành lập Do các tính năng kỹ thuật và nhất là ñộ phân giải mặt ñất ảnh vệ tinh SPOT thường sử dụng ñể thành lập bản ñồ ở tỷ lệ 1:50.000-1:10.000 [3], [8]

+ Vệ tinh Cosmos

Tư liệu vệ tinh Cosmos là tư liệu viễn thám thường ñược sử dụng trên thế giới và Việt Nam Quỹ ñạo vệ tinh hoàn toàn thoả mãn các ñiều kiện của

vệ tinh tài nguyên ðộ cao bay chụp khoảng 250 - 300 km Hệ thống chụp ảnh

ña phổ Sojuz gồm 10 máy ảnh thiết kế thành 1 hệ thống máy chụp hoạt ñộng ñồng bộ và coi như trung tâm chiếu hình (do khoảng cách giữa các máy rất nhỏ so với ñộ cao bay chụp hàng trăm km)

* Ảnh có ñộ phân giải cao

ðộ cao bay chụp: 270 km

- Khả năng phân giải phổ và phân giải không gian tốt

- Là ảnh dạng số nên thích hợp cho việc xử lý bằng các hệ thống thiết

bị xử lý ảnh số hiện ñại, cho phép ñưa ra nhiều thể loại sản phẩm mà phương pháp tương tự không thực hiện ñược

- Sản phẩm ảnh Landsat ñược phát hành dưới dạng số và dạng phim ảnh với các mức ñộ chỉnh lý nhiều và xử lý hình học khác nhau ñể dễ dàng tiện lợi trong sử dụng

- Ảnh Landsat ñược ứng dụng có hiệu quả trong suy giải ñịa chất Trên ảnh có thể thấy rõ các vết ñứt gẫy, các cấu trúc vòm… với các loại tỷ lệ: 1/1.000.000, 1/500.000, 1/25.000, 1/100.000 ảnh Landsat cho phép suy giải

các cấu trúc địa chất từ tổng quan đến chi tiết Sử dụng ảnh Landsat trong địa chất cho phép lập bản đồ địa chất kết hợp với các tư liệu mặt đất cho phép thu hẹp diện tích khảo sát tối đa Trong một số trường hợp ứng dụng thuật tốn đặc biệt cho phép dự báo khống sản

- Các kênh ảnh thích hợp cho suy giải địa chất thường là kênh 4 (kênh cận hồng ngoại) và ảnh tổng hợp màu ba kênh 2, 3, 4 Sử dụng kết hợp 2 loại ảnh này sẽ cho kết quả giải đốn tin cậy hơn

- Lĩnh vực khác ứng dụng cĩ hiệu quả ảnh Landsat là nơng nghiệp với các ảnh tổng hợp màu cĩ chu kỳ lặp 16 ngày, ảnh Landsat cho phép giải đốn diễn biến sâu bệnh và năng suất cây trồng

- Với một dải phổ rộng tư liệu ảnh Landsat cịn thích hợp cho việc nghiên cứu chuyên đề về biển Trên ảnh Landsat ngồi việc theo dõi các biến động về đường bờ của hệ thuỷ văn cịn cĩ khả năng giải đốn các đối tượng khác như luồng lạch, bãi bồi ven biển, các dải san hơ, các bãi san hơ ngầm… trong điều kiện cho phép Với 7 kênh ảnh TM của Landsat 5 cịn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tìm kiếm nước ngầm, quy hoạch đơ thị, theo dõi biến động mơi trường

Tuy nhiên, hạn chế chủ yếu của ảnh Landsat là khơng cĩ ảnh lập thể

- Ảnh Spot cĩ khả năng chụp lặp cao Nhờ khả năng nghiêng ống kính

đi 1 gĩc 270 về các phía, với 2 máy chụp cĩ độ phân giải cao hệ thống Spot cung cấp tư liệu ảnh thường xuyên hơn

- Ảnh Spot phát hành dưới dạng số và dạng phim ảnh với các mức xử

lý khác nhau về độ chính xác nên rất tiện lợi cho việc sử dụng

- Cũng như ảnh Landsat, ảnh Spot là ảnh thích hợp cho việc xử lý trên các thiết bị xử lý ảnh hiện ñại

Tuy nhiên ảnh Spot có ñộ phân giải phổ kém hơn ảnh Landsat

* Ảnh Cosmos

- Ảnh ñược chụp bằng phương pháp quang học nên ñộ phân giải cao

- Quỹ ñạo vệ tinh có thể thay ñổi mỗi lần phóng nên tỷ lệ ảnh dao ñộng trong khoảng rất lớn từ tỷ lệ: 1.250.000 ñến 1: 75.000

- Các loại ảnh ñều có ñộ phủ dọc lớn hơn 60% nên thích hợp cho việc thành lập bản ñồ ñịa hình

- Ảnh Cosmos ñược hiệu chỉnh hình học rất cao nên có thể sử dụng thành lập bản ñồ tỷ lệ 1:100.000 Hiện nay có loại ảnh TK-350 có thể ño vẽ bản ñồ tỷ lệ 1:50.000

Tuy nhiên ảnh Cosmos còn tồn tại một số vấn ñề sau:

- Ảnh Cosmos có ñộ phân giải phổ kém ảnh Landsat

- Ảnh Cosmos chỉ thích hợp cho xử lý trên các loại máy tương tự Muốn sử dụng trên hệ thống máy xử lý số cần phải qua máy quét ảnh

- Ảnh Cosmos thường bị nhiễu do thời gian chụp ảnh ngắn

2.1.6 Tư liệu sử dụng trong viễn thám vệ tinh

a Ảnh tương tự

Ảnh tương tự là ảnh ñược chụp trên cơ sở lớp cảm quang halogen bạc tráng trên mặt phim, ảnh tương tự thu ñược từ bộ cảm tương tự ñó là các máy chụp ảnh quang học mà không sử dụng hệ thống quang ñiện tử Những tư liệu này có ñộ phân giải không gian cao nhưng ñộ phân giải phổ kém Nói chung các loại ảnh này thường có ñộ méo hình lớn do ảnh hưởng ñộ cong của bề mặt trái ñất Vệ tinh Cosmos của Nga thường sử dụng bộ cảm này

b.Ảnh số

Ảnh số là dạng tư liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim Nó ñược chia thành nhiều phân tử nhỏ ñược gọi là pixel Mỗi pixel tương ứng với một

ựơn vị không gian Quá trình chia mỗi ảnh tương tự thành các pixel ựược gọi

là chia mẫu và quá trình chia ựộ xám liên tục thành một số nguyên hữu hạn gọi là lượng tử hoá Các pixel có dạng hình vuông Mỗi pixel ựược xác ựịnh bằng toạ ựộ hàng và cột

Hình9 Quá trình chia mẫu

Vùng bé nhất trên mặt ựất mà bộ cảm thu nhận ựược gọi là ựộ phân giải mặt ựất đôi khi hình chiếu của 1 pixel lên mặt ựất gọi là ựộ phân giải Ảnh số

ựược ghi lại theo những giải phổ khác nhau nên người ta gọi là tư liệu ựa phổ

Ngoài các thông tin ảnh trong mỗi lần lưu trữ người ta phải lưu trữ thêm nhiều thông tin hỗ trợ khác như: số liệu của ảnh, tháng, năm, các chỉ tiêu chất lượng

c Số liệu mặt ựất

Số liệu mặt ựất là tập hợp các quan sát mô tả, ựo ựạc các ựiều kiện thực

tế trên mặt ựất của các vật thể cần nghiên cứu nhằm xác ựịnh mối tương quan giữa tắn hiệu thu ựược và bản thân các ựối tượng Nói chung các số liệu mặt ựất cần phải thu thập ựồng thời trong cùng 1 thời ựiểm với số liệu vệ tinh hoặc trong khoảng thời gian sao cho sự thay ựổi của các ựối tượng nghiên cứu trong thời gian ựó không ảnh hưởng tới việc xác ựịnh mối quan hệ cần tìm

- Số liệu mặt ựất ựược sử dụng cho các mục ựắch sau:

+ Phục vụ thiết kế bộ cảm, kiểm ựịnh các thông số kỹ thuật của bộ cảm + Thu thập thông tin bổ trợ cho quá trình phân tắch, hiệu chỉnh số liệu

- Khi khảo sát thực ñịa cần thu thập các số liệu:

+ Các thông tin tổng quan và thông tin chi tiết về ñối tượng nghiên cứu như: chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ và hấp thụ phổ, hình dáng

bề mặt, nhiệt ñộ…

+ Các thông tin về môi trường xung quanh, góc chiếu, ñộ cao mặt trời, cường ñộ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt ñộ, ñộ ẩm không khí, hướng gió và tốc ñộ gió

Do việc thu thập số liệu mặt ñất là công việc tốn kém thời gian và kinh phí nên người ta thường thành lập các khu vực thử nghiệm trong ñó có ñầy ñủ các ñối tượng cần theo dõi và ño ñạc

ðể ñạt ñược ñộ chính xác trong quá trình hiệu chỉnh hình học cần phải

có các ñiểm ñịnh vị trên mặt ñất và toạ ñộ ñịa lý ñã biết Những ñiểm này thường ñược bố trí ở những nơi mà vị trí của nó ñược dễ dàng nhận biết trên ảnh và bản ñồ Hiện nay người ta sử dụng hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS vào mục ñích này

- Bản ñồ kinh tế xã hội thể hiện các ranh giới hành chính, hệ thống giao thông, phân bố dân cư, thuế, giá ñất cũng như các chỉ số thống kê nông, công nghiệp là những thông tin quan trọng có thể ñược khai thác hiệu quả trong viễn thám và GIS

2.1.7 ðốn đọc ảnh vệ tinh

ðốn đọc ảnh vệ tinh là quá trình chiết tách thơng tin định tính cũng như định lượng từ ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của người đốn đọc Việc tách thơng tin trong viễn thám cĩ thể chia thành 5

- Xác định các chỉ số: là việc tách đốn các chỉ số mới, ví dụ: chỉ số thực vật

- Xác định các đặc tính hoặc hiện tượng đặc biệt như thiên tai, các cấu trúc tuyến tính, các biểu hiện tìm kiếm khảo cổ

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

sở để đốn đọc bằng mắt là các chuẩn đốn đọc và mẫu đốn đọc

Các chuẩn đốn đọc bao gồm:

+ Chuẩn kích thước

Cần phải lựa chọn một tỷ lệ ảnh phù hợp để đốn đọc Việc đốn đọc

cĩ thể dựa vào kích thước của đối tượng để đốn đọc Kích thước của đối tượng cĩ thể được xác định bằng cách lấy kích thước đo được trên ảnh nhân với mẫu số của tỷ lệ ảnh

+ Chuẩn hình dạng

Hình dạng đặc trưng của mỗi đối tượng khi nhìn từ trên cao xuống được coi là chuẩn đốn đọc quan trọng vì nĩ là hình ảnh của đối tượng được thu nhỏ, đồng dạng với đối tượng mà ta cần đốn đọc Ví dụ hồ hình mĩng ngựa là các khúc sơng cụt, dạng chổi sáng màu là các cồn cát…

+ Chuẩn bĩng

Bĩng của đối tượng dễ dàng nhận thấy khi nguồn sáng khơng nằm chính xác ở đỉnh đầu Dựa vào bĩng của đối tượng ta cĩ thể xác định được chiều cao của nĩ, đây là dấu hiệu quan trọng để nhận biết đối tượng khi đốn đọc ảnh Tuy nhiên khi đốn đọc cần xác định rõ bĩng rơi hay bĩng bản thân của đối tượng

+ Chuẩn độ đen

ðộ đen trên ảnh đen trắng biến thiên từ trắng đến đen Mỗi vật thể được thể hiện bằng một cấp độ sáng nhất định tỷ lệ với cường độ phản xạ ánh sáng của nĩ Ví dụ: cát khơ phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng cĩ màu trắng, trong khi đĩ cát ướt do độ phản xạ kém hơn nên cĩ màu tối hơn trên ảnh đen trắng Trên ảnh hồng ngoại đen trắng, cây lá nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên chúng cĩ màu trắng, nước lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong dải sĩng này nên bao giờ cũng cĩ màu đen

+ Chuẩn màu sắc

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

ngay cả đối với người khơng cĩ nhiều kinh nghiệm trong đốn đọc khi sử dụng ảnh hồng ngoại màu Các đối tượng khác nhau cĩ tơng màu khác nhau, đặc biệt là khi sử dụng ảnh đa phổ tổng hợp màu

+ Chuẩn cấu trúc

Cấu trúc là tập hợp của nhiều đặc tính rất rõ ràng trên ảnh, ví dụ: một bãi cỏ khơng lẫn các loại cây khác cho một cấu trúc mịn trên ảnh, ngược lại rừng hỗn giao cho một cấu trúc sần sùi Tuy nhiên điều này cịn phụ thuộc vào tỷ lệ ảnh sử dụng

+ Chuẩn phân bố

Chuẩn phân bố là tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo 1 quy luật nhất định trên tồn ảnh và trong mối quan hệ tương hỗ với đối tượng cần nghiên cứu Ví dụ: ảnh của các dãy nhà, hình ảnh của ruộng lúa nước, các đồi trồng chè… tạo ra những hình mẫu đặc trưng riêng cho các đối tượng đĩ

+ Chuẩn mối quan hệ tương hỗ

Một tổng thể các chuẩn đốn đọc, mơi trường xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tượng nghiên cứu với các đối tượng khác cung cấp một thơng tin đốn đọc quan trọng Các đối tượng đốn đọc cĩ quan hệ với nhau theo một quy luật nhất định, dựa vào mối quan hệ đĩ ta cĩ thể xác định đối tượng Cĩ nghĩa là các đối tượng cĩ quan hệ tương hỗ nhằm giúp cho cơng tác đốn đọc, người ta thành lập các mẫu đốn đọc cho các đối tượng khác nhau Mẫu đốn đọc là tập hợp các chuẩn dùng để đốn đọc phụ thuộc vào mẫu đốn đọc Mục đích của việc sử dụng mẫu đốn đọc là làm chuẩn hố kết quả đốn đọc của nhiều người khác nhau Thơng thường mẫu đốn đọc do người cĩ nhiều kinh nghiệm và hiểu biết thành lập, dựa trên những vùng nghiên cứu thực nghiệm đã được điều tra kỹ lưỡng Tất cả 8 chuẩn đốn đọc cùng với các thơng tin về thời gian chụp ảnh, mùa chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào mẫu đốn đọc Một mẫu đốn đọc khơng chỉ bao gồm phần ảnh mà cịn mơ tả bằng lời

- Nhập số liệu: có hai nguồn tư liệu chính là ảnh số và ảnh tương tự

Ảnh tương tự ñược chuyển thành dạng số thông qua các máy quét

- Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: ñây là giai ñoạn mà các tín hiệu số ñược

hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng ñược Giai ñoạn này thường ñược thực hiện trên các máy tính lớn tại các trung tâm thu số liệu vệ tinh Nó bao gồm các bước sau:

+ Hiệu chỉnh bức xạ: tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu một mức ñộ nhiễu xạ nhất ñịnh Nhằm loại trừ các nhiễu kiểu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý Khi thu các bức xạ từ mặt ñất trên các vật mang trong vũ trụ, người ta thấy chúng có một số sự khác biệt so với trường hợp quan sát cùng ñối tượng ñó ở khoảng cách gần ðiều này chứng tỏ ở những khoảng cách xa như vậy tồn tại một lượng nhiễu nhất ñịnh gây bởi ảnh hưởng của góc nghiêng và ñộ cao mặt trời, một số ñiều kiện quang học khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, ñộ mù Chính vì vậy, ñể bảo ñảm ñược sự tương ñồng nhất ñịnh về mặt bức xạ cần thiết phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ

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

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

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

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

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

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

ñộ ảnh khác

- Biến ñổi ảnh: bao gồm các quá trình xử lý như tăng cường chất

lượng ảnh, biến ñổi tuyến tính… là giai ñoạn tiếp theo Giai ñoạn này thường ñược thực hiện trên các máy tính nhỏ như máy vi tính trong khuôn khổ của một phòng thí nghiệm

+ Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách ñặc tính: tăng cường chất lượng có thể ñược ñịnh nghĩa như một thao tác chuyển ñổi nhằm thể hiện ảnh với cường ñộ, ñộ tương phản phù hợp với thiết bị hiển thị ảnh Chiết tách ñặc tính là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu ñưa ra dưới dạng các hàm số

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

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

có nghĩa là gán 3 màu cơ bản ñỏ, lục, chàm cho ba kênh phổ nào ñó

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

Nếu ta gán màu ñỏ cho kênh hồng ngoại, màu lục cho kênh ñỏ, màu chàm cho kênh lục thì tổ hợp màu như vậy gọi là tổ hợp màu giả Trong tổ

hợp màu này, thực vật cĩ màu đỏ, đất trống thường cĩ cường độ rất cao nên

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

- Phân loại ảnh: mục đích của quá trình phân loại là tự động phân loại tất cả các pixel trong ảnh thành các lớp phủ đối tượng Cĩ hai phương pháp phân loại cơ bản là phân loại khơng kiểm định và phân loại cĩ kiểm định

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

+ Trong phân loại khơng kiểm định: khơng sử dụng dữ liệu mẫu làm cơ

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

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

2.1.8 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám

Cơng nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội, đặc biệt cĩ hiệu quả cao trong ứng dụng đối với lĩnh vực khí tượng thuỷ văn và tài nguyên mơi trường ở nhiều nước trên thế giới [2] Nhu cầu ứng dụng cơng nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và mơi trường ngày càng gia tăng nhanh chĩng khơng những đối với các nước phát

triển cĩ trình độ khoa học tiên tiến mà cịn đối với các nước nền kinh tế đang phát triển Những kết quả thu được từ cơng nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách lựa chọn các phương án cĩ tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên, mơi trường Do đĩ viễn thám trở thành cơng nghệ đi đầu rất cĩ ưu thế hiện nay Một số ứng dụng của cơng nghệ này được kể đến như:

2.1.8.1 Nghiên cứu địa chất

Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đốn các thơng tin địa chất

Dữ liệu viễn thám được dùng cho giải đốn là các ảnh máy bay, ảnh vệ tinh

và ảnh radar Tổ hợp dữ liệu viễn thám với dữ liệu địa lý sẽ làm giàu thêm khả năng nghiên cứu các thơng tin địa chất cần quan tâm [11]

- Ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: Các dạng địa hình được thể hiện rất

rõ trên ảnh viễn thám và được giải đốn một cách chính xác như: địa hình kiến tạo, địa hình sơng suối, núi lửa, địa hình thành tạo do cát, thành tạo do băng

Hình10 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám nghiên cứu núi lửa

- Cấu trúc địa chất: Mục đích chính của việc áp dụng kỹ thuật viễn thám trong địa chất là phát hiện, xác định và lập bản đồ các yếu tố trên bề mặt hoặc gần bề mặt của vỏ trái đất dựa trên các ưu điểm của tư liệu viễn thám như tính tổng quan khu vực, tính đa phổ Các tư liệu viễn thám được giải đốn nhằm khai thác các thơng tin về các hệ thống cấu trúc, các yếu tố địa hình địa mạo, các hệ thống thuỷ văn như: giải đốn các bề mặt và độ dốc của

trầm tích, các yếu tố uốn nếp, ñứt gãy, các cấu trúc vòng

Hình 11 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu ñịa chất

- Ứng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu

- ðiều tra khảo sát nước ngầm, ñiều tra ñịa chất công trình

2.1.8.2 Nghiên cứu môi trường

Viễn thám là phương tiện hữu hiệu ñể nghiên cứu môi trường và sự biến ñổi môi trường bao gồm: ñiều tra về sự biến ñổi sử dụng ñất và lớp phủ; vẽ bản ñồ thực vật; nghiên cứu các quá trình sa mạc hoá và phá rừng; giám sát thiên tai (hạn hán, cháy rừng, bão, mưa ñá ); nghiên cứu ô nhiễm nước và không khí; nghiên cứu môi trường biển (ño nhiệt ñộ, màu nước biển, gió sóng)

Những năm gần ñây việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu môi trường toàn cầu cũng như môi trường khu vực, các thảm hoạ thiên tai như lũ lụt, cháy rừng, hiệu ứng nhà kính ñã trở nên phổ biến và có hiệu quả cao Trong nghiên cứu các thảm hoạ do lụt lội gây ra ñã có nhiều công trình ñược công bố, ñặc biệt từ năm 1997 trở lại ñây Các nghiên cứu chỉ ra, ñể thành lập bản ñồ ngập lụt và tần số xuất hiện ngập lụt, việc tích hợp thông tin

từ các bản ñồ lớp phủ ñất, bản ñồ ñịa chất, bản ñồ hệ thống thoát nước và bản

ñồ ñịa văn là tổ hợp tốt nhất

Hình12 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám nghiên cứu sĩng thần

2.1.8.3 Phân loại lớp phủ bề mặt, phát hiện biến động lớp phủ bề mặt

Lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt là một trong những ứng dụng quan trọng nhất và tiêu biểu nhất của viễn thám Lớp phủ bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt trái đất (ví dụ: đất cĩ rừng, trảng

cỏ, sa mạc )

Trong việc hiệu chỉnh bản đồ lớp phủ bề mặt, theo dõi quản lý tài nguyên thiên nhiên việc phát hiện các biến động của lớp phủ bề mặt là rất cần thiết và quan trọng Sự biến động thơng thường được phát hiện trên cơ sở so sánh tư liệu viễn thám đa thời gian hoặc giữa bản đồ cũ và bản đồ mới được hiệu chỉnh theo tư liệu viễn thám Cĩ hai phương pháp phát hiện biến động là:

- So sánh hai bản đồ lớp phủ bề mặt được thành lập độc lập với nhau

- Nhấn mạnh các biến động trên cơ sở áp dụng phương pháp tổ hợp màu hoặc phương pháp phân tích thành phần chính

Các biến động cĩ thể chia thành biến động theo mùa và biến động hàng năm Thơng thường hai loại biến động này pha trộn với nhau rất phức tạp trong khuơn khổ một bức ảnh, do vậy người giải đốn cần sử dụng các tư liệu cùng thời gian, cùng mùa trong năm để phát hiện đúng các biến động [12]

2.1.8.4 Nghiên cứu khí hậu