TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ ĐỂ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG RỪNG HUYÊN EA SUP TỈNH ĐAK LAK

Đã từ lâu kỹ thuật viễn thám được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên đã trở nên khá phổ biến và là phương pháp rất hiệu quả t

I MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Nền kinh tế trong cả nước nói chung, của các tỉnh, thành phố nói riêng đã phát triển rất nhanh trong hơn hai mươi năm qua Quá trình đô thị hóa, công nghiệp hoá phát triển nhanh kéo theo sự mất dần đi của đất canh tác

Để đáp ứng nhu cầu của con người và đảm bảo an ninh lương thực của Quốc gia việc chuyển từ đất rừng sang sử dụng vào mục đích Nông

nghiệp khác là điều không tránh khỏi, cùng với nó là tình trạng du canh,

du cư và khai thác rừng bất hợp lý đã huỷ diệt những diện tích rừng rộng lớn, làm tổn hại đến môi trường sinh thái, gây ra các hiện tượng biến đổi khí hậu như khô hạn, lũ quét, sạt lở đất … ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của nhân dân

Biến động sử dụng đất xảy ra do nhiều nguyên nhân trong đó có sự

chuyển đổi tự phát từ đất nông nghiệp sang đất phi nông nghiệp, đất nuôi trồng thuỷ sản hoặc cơ cấu cây trồng khác Bên cạnh đó diện tích rừng cũng bị thu hẹp dần do khai thác sử dụng cho mục đích khác, dẫn đến suygiảm chức năng bảo vệ môi trường

Trong những năm gần đây, mặc dù Nhà nước đã có những chính sách choviệc khôi phục rừng, nhưng kết quả chưa đủ bù đắp phần diện tích rừng bịmất hàng năm, trong khi đó chất lượng rừng tiếp tục bị suy thoái nghiêm trọng Nhiệm vụ bảo vệ, quản lý, phát triển và kinh doanh rừng không chỉ

là vấn đề riêng của ngành Nông nghiệp, của các chuyên gia về rừng mà

nó đã trở thành một vấn đề của toàn xã hội Để có thể quản lý, bảo vệ đất đai nói chung và đất rừng nói riêng hiện có cần có sự theo dõi biến động thường xuyên nhằm đưa ra những giải pháp thích hợp nhất

Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá biến động sử dụng đất dựa vào bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các cấp theo chu kỳ 5 năm lập theo phương pháp truyền thống Nếu cần phải đánh giá hiện trang sử dụng đất trong một chu kỳ ngắn sẽ gặp nhiều khó khăn về thời gian, nhân lực, kinh phí nhất là tính tự động hoá trong công việc và không có những hình ảnh trựcquan vừa là cơ sở khoa học vừa có tính khái quát về biến động sử dụng đất ngay từ đầu

Đã từ lâu kỹ thuật viễn thám được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên đã trở nên khá phổ biến và là phương pháp rất hiệu quả trong cập nhật thông tin nhằm phục vụ cho công tác quản lý, khai thác tài nguyên thiên nhiên, nghiên cứu môi trường và những biến động bề mặt của một vùng hay mộtlãnh thổ rộng lớn; đặc biệt đối với những nơi mà con không thể đến được hoặc phương pháp đo đạc truyền thống khó có thể thực hiện được như vùng núi cao, vùng đầm lầy,v.v…

Kể từ năm 1980 ảnh viễn thám đã bắt đầu du nhập vào nước ta và đã có rất nhiều đề tài khoa học nhiều ngành kỹ thuật quan tâm ứng dụng trong

đó có ngành Trắc địa Bản đồ, Tài nguyên và Môi trường Tuy nhiên, việc

đưa những tiến bộ này vào thực tế sản xuất ở cấp cơ sở còn rất ít và còn mang tính thăm dò, bởi vì chưa có nhiều chứng minh về tính ưu việt của

nó trong công tác quản lý

Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và hệ thống định vị toàn cầu GPS viễn thám và GIS đã và đang chứng tỏ là những công cụ đặc biệthữu hiệu hỗ trợ cho mọi hoạt động của con người nhằm làm chủ thiên nhiên và xã hội Nhiều nước trên thế giới coi GIS như là một công nghệ then chốt để ứng dụng trong một số ngành khoa học GIS không chỉ là một công cụ chính hỗ trợ hiệu quả cho quá trình hoạch định các chính sách quản lý kinh tế xã hội ở địa phương mà còn là phương tiện để nâng cao chất lượng hoạt động quản lý

Giải pháp tích hợp viễn thám và GIS trong xây dựng bản đồ hiện trạng sửdụng đất và đánh giá biến động sử dụng đất là việc làm cần thiết nhằm phát huy thế mạnh của kỹ thuật này từng bước góp phần đưa kỹ thuật viễn thám và GIS vào thực tiễn công tác để thuyết phục và thay thế dần các phương pháp truyền thống từ trước tới nay chúng ta vẫn làm

Ea Súp là một huyện biên giới nằm ở phía tây bắc tỉnh Đăk Lăk có đườngbiên giới phía tây giáp với nước bạn Campuchia Tổng diện tích tự nhiên của huyện là 176.563 ha; Dân số 56.432 người mật độ dân số bình quân 31,9 người/km2, là huyện có mật độ dân số thấp nhất của tỉnh Đăk Lăk Huyện Ea Súp với 10 đơn vị hành chính (9 xã, 01 thị trấn) là huyện có tiểu vùng khí hậu cá biệt nhiệt độ cao, nắng nóng kéo dài, điều kiện khắc nghiệt, dân cư thưa thớt diện tích đất rừng rộng lớn đây được ví như là một lá phổi xanh của thế giới nói chung và của nước ta nói riêng

Là một huyện có tiềm năng về đất đai bằng phẳng, rất thích hợp với cây lúa Ea Súp đã và đang được nhà nước quan tâm đầu tư các công trình thủy lợi lớn phục vụ tưới tiêu vì vậy số lượng dân di cư kể cả dân di cư tự

do và dân di cư theo kế hoạch của nhà nước tập trung về địa bàn sinh sống và lập nghiệp nhiều nhất tỉnh Đăk Lăk

Sự gia tăng dân số và các mục tiêu phát triển kinh tế kéo theo đó là sự mất dần những cánh rừng để trồng lúa, màu, cây ăn quả, cao su, … cho nên đất rừng của Ea Súp có sự biến động lớn

Nhằm theo dõi được sự biến động thường xuyên của các loại đất đặc biệt

là đất rừng phục vụ các mục tiêu Quản lý, bảo vệ, qui hoạch phát triển và giúp cho lãnh đạo đưa ra nhũng quyết định đúng đắn Ea Súp cần có bộ bản đồ biến động đất rừng được cập nhật thường xuyên

Xuất phát từ những nhu cầu thực tiễn trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu

đề tài: “Tích hợp viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) để đánh giá biến động đất rừng huyện Ea Súp tỉnh Đắk Lắk”

1.2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

1.2.1 Mục đích nghiên cứu :

Việc đánh giá biến động sử dụng đất rừng trên cơ sở phân tích hai bản đồ hiện trạng sử dụng đất được thành lập ở hai thời điểm thu nhận ảnh vệ tinh (năm 2004 và năm 2009) của khu vực huyện Ea Súp

Đánh giá sự thay đổi của các loại hình sử dụng đất và thảm rừng giai đoạn 2004 và 2009 trên cơ sở tích hợp Viễn thám và GIS

1.2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu hiện trạng đất rừng tại địa bàn huyện Ea Súp tại hai thời điểm 2004-2009 bằng cách sử dụng tư liệu viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) Đề tài sử dụng ảnh vệ tinh SPOT-5 năm 2004 và 2009

Đề tài tập trung nghiên cứu sự biến động sử dụng đất mà đặc biệt làđất rừng trong phạm vi huyện Ea Súp giai đoạn 2004 và 2009

1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Khẳng định tính ưu việt của việc sử dụng công nghệ viễn thám và GIS trong công tác đánh giá biến động đất và thảm thực vật rừng

- Việc ứng dụng các tư liệu viễn thám cùng với hệ thông tin địa lý (GIS) vào công tác thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao mang tính thời sự với độ chính xác đảm bảo cho việc tự động hóa một số khâu trong quy trình công nghệ thành lập bản đồ này

Đưa ra quy trình cụ thể về khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám

và hệ thống thông tin địa lý, kỹ thuật xử lý ảnh số trong đánh giá biến động đất và thảm rừng vào thực tiễn ở huyện Ea Súp

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI :

Góp phần khẳng định khả năng ứng dụng kỹ thuật phân loại có giám định

tư liệu vệ tinh có độ phân giải cao (SPOT 5) để đánh giá biến động sử dụng đất

Xây dựng được một hệ thống phân loại đất đai, thảm rừng tương đối phù hợp với khả năng nhận biết và phân loại các đối tượng của phương pháp

xử lý số trên tư liệu viễn thám

Chỉ ra sự thay đổi cụ thể của các loại đất và thảm rừng trong huyện Ea Súp giai đoạn năm 2004 và năm 2009

II TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI RỪNG VIỆT NAM

2.1.1 Đặc trưng cơ bản của rừng Việt Nam

Rừng nước ta thể hiện những đặc trưng cơ bản của rừng nhiệt đới Theo điều tra thống kê, ở nước ta có khoảng 7004 loài thực vật bậc cao thuộc

1850 chi và 289 họ (Thái Văn Trừng - 1978) và 1332 loài động vật ( theo tài liệu của UBKHKT nhà nước và Võ Quý - 1981) Ngoài ra, khu hệ thực vật phong phú của Việt Nam là nơi hội tụ của ba luồng thực vật di

cư từ khu hệ Malaixia – Indonexia; khu hệ Himalaya - Vân Nam - Quí Châu; khu hệ Ấn Độ - Miến Điện [21] Rừng nước ta có nhiều loại gỗ

quý và dược liệu có giá trị Nó được phân bố hầu hết ở vùng trung du và vùng núi, chiếm ba phần tư đất đai toàn quốc và chiếm một vị trí chiến lược quan trọng trong việc phát huy tác dụng phòng hộ và quốc phòng Trải dài trên 15 độ vĩ ở vùng nhiệt đới bắc bán cầu, chịu ảnh hưởng của đại dương, địa hình chia cắt đã làm cho hệ sinh thái rừng Việt Nam đa dạng từ rừng thông ôn đới, rừng thông á nhiệt đới, rừng hỗn giao lá kim, rừng hỗn giao lá rộng, rừng nhiệt đới cho đến rừng xích đạo[21] Đặc điểm của rừng nhiệt đới là có nhiều gỗ quý nhưng lại mọc chậm Điều đáng lo ngại là diện tích rừng mưa nhiệt đới ngày càng thu hẹp, chất lượng rừng ngày càng bị thoái hoá do nạn cháy rừng, do phương thức trồng trọt du canh du cư, do chăn nuôi gia súc, do khai hoang canh tác nông nghiệp và khai thác rừng không hợp lý Điều đó không chỉ làm suy giảm tài nguyên rừng mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến cân bằng sinh thái, bảo vệ môi trường sống Theo thống kê của Liên hiệp quốc, hàng năm có 11.000.000 ha rừng nhiệt đới bị phá huỷ Riêng khu vực châu Á - Thái Bình Dương hàng năm mất đi 1.800.000 ha rừng, tương đương mỗi ngày mất đi 5000 ha rừng nhiệt đới[22] Ở Việt Nam, dựa trên số liệu thống kê diện tích mất rừng hàng năm đã được công bố khoảng 100.000 ha vào thời điểm trước năm 1976[23].

2.1.2 Phân loại trạng thái rừng Việt Nam

Để phân loại trạng thái rừng cần phải tìm hiểu khái niệm về kiểu rừng Theo quan điểm của các nhà Lâm sinh học thì “kiểu rừng là những khoảnh rừng hay tập hợp những khoảnh rừng có sự đồng nhất về các điều kiện thực vật rừng, về các thành phần cây gỗ, về số lượng tầng thứ,

về hệ động vật cho nên nó có yêu cầu cùng một số biện pháp tác động

kỹ thuật như nhau nếu trong điều kiện kinh tế - xã hội giống nhau”[21] Như vậy sự phân chia về kiểu rừng không những cần phải chú ý đến hình thái bên ngoài, đến sự khác nhau về cấu trúc địa lý mà còn phải hiểu được

sự khác biệt về đặc điểm lâm học như sản lượng và chất lượng rừng, đặc điểm tái sinh và hình thành rừng cũng như nguồn gốc và xu hướng phát triển tiếp theo của nó

Sự phân chia các kiểu rừng đã được bắt đầu vào những năm 90 của thế kỷ thứ XIX bởi các nhà lâm học người Nga và đến thế kỷ thứ XX thì

đã xuất hiện nhiều khái niệm về kiểu rừng Nhìn chung đến thời kỳ này

đã xuất hiện hai trường phái lớn về kiểu rừng xuất phát từ nhiệm vụ thực

tế của lâm học (trường phái Mô-rô-dốp) và xuất phát từ quan điểm địa lý thực vật đứng đầu là A.Caiander và V.N Su-ca-sép[21] Trong đó Mô-rô-dốp đã đặt tên kiểu rừng theo loài cây ưu thế và theo địa hình hoặc đất đai, đôi khi theo cả điều kiện về độ ẩm và đất Học thuyết về kiểu rừng của Mô-rô-dốp đã mở ra cho sự phát triển một loạt các khuynh hướng, các luận điểm về kiểu rừng khác nhau sau này

Trong thực tế các hệ thống phân loại rừng được dưa trên cơ sở phân chia theo các loài cây ưu thế và theo thành phần thực vật nói chung

thường chỉ được áp dụng phù hợp với vùng ôn đới Còn ở vùng nhiệt đới,

á nhiệt đới có rất nhiều loài cây mọc và tạo thành rất nhiều quần thể hoặc quần xã thực vật, có thể hàng trăm, hàng ngàn loài cây khác nhau và không có loài nào chiếm ưu thế Vì vậy việc phân loại rừng ở những vùngnày theo quan điểm trên là rất khó khăn và phải dựa vào quan điểm sinh thái trên cơ sở điều kiện nơi mọc, tức là phải dựa vào hình dạng bên ngoài và những đặc trưng về cấu trúc hình thái của nó Hình thái bên ngoài của thảm thực vật (độ rậm, độ che phủ của rừng, đất không có rừng ) và đặc điểm cấu trúc (thường xanh, lá rộng, lá kim ) của nó đã được ứng dụng rộng rãi để mô tả và xây dựng bản đồ thảm thực vật của nhiều nước trên thế giới và bản đồ thảm thực vật thế giới[21]

a Hệ thống phân loại rừng cũng như phân loại sử dụng đất lâm nghiệp tổng quát nằm trong hệ thống phân loại đất đai toàn quốc hệ thốngphân loại thay đổi theo từng giai đoạn và có hai hệ thống phân loại chủ yếu sau:

- Đất rừng được phân loại độc lập bao gồm: Đất có rừng tự nhiên, đất có rừng trồng, đất được sử dụng vào mục đích trồng rừng, khoanh nuôi, bảo

vệ phục hồi rừng tự nhiên, nghiên cứu thí nghiệm [Luật đất đai 1993]

- Đất lâm nghiệp trong nhóm đất nông nghiệp: Chỉ bao gồm đất đã có rừng phân loại theo mục tiêu sử dụng đó là đất có rừng sản xuất, rừng phòng hộ và rừng đặc dụng [Luật đất đai sửa đổi năm 2003]

b Các hệ thống phân loại rừng chi tiết dùng cho nghành lâm nghiệp.Dựa trên hệ thống phân loại sử dụng đất toàn quốc, phân loại sử dụng đất lâm nghiệp đã được bổ sung nhằm phục vụ kiểm kê rừng, đánh giá và quyhoạch sử dụng đất lâm nghiệp đáp ứng yêu cầu của thực tiễn sản xuất và trình độ quản lý đất đai từ trung ương đến địa phương

Quyết định gần đây nhất của Bộ trưởng Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn về việc công bố diện tích rừng và đất lâm nghiệp toàn quốc năm 2002 thể hiện hệ thống phân loại sử dụng đất lâm nghiệp như sau:

+ Tre luồng: rừng phòng hộ, rừng đặc dụng, rừng sản xuất

+ Cây đặc sản: rừng phòng hộ, rừng đặc dụng, rừng sản xuất

* Đất trống không có rừng

- Ia: Đất trảng cỏ

- Ib: Đất cây bụi

- Ic: Đất cây bụi, cây gỗ tái sinh rải rác, độ tàn che 0,1

- Núi đá không có rừng cây

2.1.3 Một số hệ thống phân loại rừng áp dụng ở các địa phương

a- Phân loại rừng ở huyện KonPlong tỉnh Kom Tum ( Dự án JICA 2002)

1999-Bảng 2.1: Phân loại đất lâm nghiệp dự án JICA 1999-2002

STT Phân loại theo nhóm nghiên cứu Phân loại theo việt nam Môtả

1 Rừng nguyên sinh IV Rừng tự nhiên chưa bị tác động

2 Rừng thứ sinh loại 1 IIIc Rừng tự nhiên ít bị tác động

3 Rừng thứ sinh loại II IIIb Rừng tự nhiên bị tác động TB

4 Rừng thứ sinh loại III IIIc Rừng tự nhiên bị tác động mạnh

5 Rừng nửa rụng lá Rừng phục hồi trên trảng cây bụi và sau nương rẫy

6 Rừng rụng lá (khộp) IIb Rừng non phục hồi trên trảng cây bụi

7 Trảng cây bụi có nhiều cây gỗ tái sinh tự nhiên

Ic,IIa

Trảng cây bụi có nhiều cây gỗ tái sinh

8 Trảng cỏ Ia Trảng cỏ

b- Phân loại rừng ở huyện Quỳ Châu (Nghệ An)

Tại đây cũng áp dụng hai hệ thống phân loại để thực hiện dự án quy hoạch đất lâm nghiệp trong huyện Dựa vào hệ thống phân loại theo trạng thái thực bì của rừng đất lâm nghiệp được chia thành:

+ Rừng hỗn giao + Tre nứa

- Rừng trồng ( Theo loài cây và cấp tuổi)

* Đất chưa sử dụng

* Đất khác

2.1.4 Khái quát về thảm thực vật khu vực huyện Ea Súp

Ea Súp có chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, nhiệt độ trung bình hàng năm là 24,70 biên độ nhiệt trung bình của các tháng dao động từ 4 -

90 Tổng số giờ nắng trong năm là 2900 giờ Là vùng có lượng mưa trungbình thấp trong tỉnh ( bình quân 1666mm/năm), mưa tập trung nhiều vào

tháng 7,8,9 chiếm hơn 50% lượng mưa cả năm Độ cao trung bình so với mực nước biển của Ea Súp là 180m.

Do điều kiện khí hậu khắc nghiệt, thiếu nước vào mùa khô và lũ lụt về mùa mưa nên cây trồng phát triển chậm, tuy nhiên trong các điều kiện tự nhiên khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm và ổn định trong một thời gian lịch sửlâu dài chúng tôi dự đoán rằng trước khi bị con người tàn phá thì toàn bộ diện tích đất rừng của Ea Súp đặc biệt là khu vực liền kề với vườn quốc gia Yok Đôn đã từng được bao phủ bởi các kiểu rừng nguyên sinh rậm thường xanh nhiệt đới mưa mùa ẩm chủ yếu cây lá rộng vì vậy thảm thực vật tại Ea Súp chủ yếu là các thảm rừng kín vùng thấp được phân chia như sau:

Bảng 2.2: Phân loại đất rừng huyện Ea Súp

Mã Loại thảm rừng Mô tả

1 Rừng kín Cây gỗ lá rộng thường xanh, độ tàn che >70%

2 Rừng trung bình Cây gỗ lá rộng thường xanh, nửa rụng lá, độ tànche 50% - 70%

3 Rừng khộp Rừng gỗ lá rộng rụng lá, độ tàn che 5% - 40%

4 Cây gỗ rải rác và cây bụi, cỏ Đất gồm cây bụi, cỏ có thể xen một

ít cây gỗ hỗn tạp, độ cao cây từ 3 – 7 m

5 Đất trống Chủ yếu là đất do phá rừng chưa được trồng mới

6 Đất hồ, ao Các đập nước trong rừng

7 Loại khác Thổ cư, Lúa, nương rẫy …

2.2 CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM

2.2.1 Khái niệm về viễn thám

Viễn thám là môn khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến đối tượng mà bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp Viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để điều tra và

đo đạc những đặc tính của đối tượng Các tín hiệu này được những thiết

bị đặt trên các phương tiện bay tiếp nhận ghi lại hoặc truyền về các trạm thu thu nhận và xử lý trên mặt đất để xử lý Trên cơ sở nguyên lý cơ bản này, phương pháp viễn thám nói chung, viễn thám trong đất đai và điều tra rừng nói riêng đã được hình thành và phát triển ngày càng hoàn thiện trong sự phát triển không ngừng của các lĩnh vực kỹ thuật có liên quan [18]

Vậy hiểu một cách đầy đủ, phương pháp viễn thám được tổ chức thực hiện cả ở trên không và ngay trên mặt đất Do tất cả các đối tượng tự nhiên trên bề mặt trái đất, ở một góc độ nào đó đều được phản ánh một phần đặc điểm, nội dung trên tư liệu viễn thám, nên kỹ thuật viễn thám thực chất là một kỹ thuật liên ngành bao gồm nhiều lĩnh vực nội dung, kỹ thuật của các chuyên môn phức tạp khác nhau, đồng thời ứng dụng của chúng cũng vô cùng phong phú Dưới đây chúng tôi trình bày những nét

cơ bản nhất về lịch sử phát triển kỹ thuật viễn thám nói chung và viễn thám ứng dụng trong nghiên cứu đất đai nói riêng cùng một số công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước.

2.2.2 Định nghĩa viễn thám

Viễn thám được định nghĩa như một khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đối tượng (vật thể) màkhông có những tiếp xúc trực tiếp với chúng

Hình 2.1 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám

Từ khi vệ tinh viễn thám bắt đầu hoạt động trên quỹ đạo, đã có nhiều dự

án phát huy khả năng chụp ảnh của nó Những ứng dụng của kỹ thuật viễn thám trong lĩnh vực giám sát môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên rất phổ biến và là phương pháp rất hiệu quả trong việc thu thập và cập nhật thông tin cho một vùng hay toàn lãnh thổ, trong đó ngành bản đồhọc thừa hưởng nhiều thành tựu đáng kể nhất

Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của phương pháp chụp ảnh và thu thập thông tin của các đối tượng trên bề mặt đất Bắt đầu năm 1858 người ta đã sử dụng khinh khí cầu chụp ảnh nhằm mục đích vẽ bản đồ địa hình Năm 1909, Wilbur Wright đã chụp được những bức ảnh đầu tiên vùng Centocalli, Italia từ máy bay Vào những năm 1930 người

ta bắt đầu chụp ảnh màu và nghiên cứu tạo ra các lớp cảm quang nhạy vớibức xạ gần hồng ngoại để loại bỏ những ảnh hưởng tán xạ và mây mù củakhí quyển Năm 1950, cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA)

nghiên cứu ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ, và sau đó những thành công trong việc tạo ra các bộ cảm biến có độ phân giải cao đặt trên vệ tinh có thể thu nhận và cung cấp thông tin trong việc nghiên cứu lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương

Các phương tiện mang các bộ cảm biến có thể là khinh khí cầu, máy bay,

vệ tinh v.v… gọi là vật mang Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét

Ngoài việc thu nhận thông tin từ ảnh đa phổ, ảnh radar cũng được sử dụng rộng rãi trong viễn thám với ưu thế không bị ảnh hưởng bởi thời tiết Sự ứng dụng của nó trong lĩnh vực thăm dò tài nguyên đã trở nên rất

đa dạng và phong phú Ngày nay tia laser cũng đã được ứng dụng trong viễn thám cùng với nhiều loại bộ cảm ưu viêt hơn so với các thế hệ bộ cảm trước kia [4]

2.2.3.Hiện trạng và khả năng ứng dụng của viễn thám

Lịch sử về viễn thám cho thấy, sự phát triển của kỹ thuật viễn thám luôn gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên được chụp vào năm 1839, tới năm 1849 Aime Laussedat người Pháp đã khởi đầu một chương trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình[26] Đến giữa thế kỷ thứ 19 người ta đã sử dụng kinh khí cầu để

chụp ảnh từ trên không và bức ảnh hàng không đầu tiên được chụp từ kinh khí cầu cũng là do Laussedat chụp vào năm 1858 Sang đầu thế kỷ thứ 20 người ta đã thử nghiệm chụp ảnh từ trên không bằng máy bay và bức ảnh đầu tiên được chụp từ máy bay đã được Wibur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli, Italia[27].

Vào giữa những năm 1930 người ta đã chụp ảnh màu và tiến hành nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảm quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng tán xạ và

mù khí quyển Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai người ta đã nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cảmquang cho việc chụp ảnh màu hồng ngoại Đến năm 1956 việc thử

nghiệm khả năng chụp ảnh hồng ngoại từ máy bay đã được tiến hành trong việc phân loại và phát hiện các kiểu loại thực vật Năm 1960 được

sự bảo trợ của cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ, nhiều cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được tiến hành Những thành tựu trong lãnh vực này đã đưa đến sự phóng vệ tinh Landsat vào những năm 70 thế kỷ trước Việc phóng vệ tinh nhân tạo đã tạo ra khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu trong đó có cả trái đất

và môi trường xung quanh chúng Hiện nay tư liệu viễn thám vệ tinh được sử dụng rộng rãi nhất là các vệ tinh khí tượng và vệ tinh tài nguyên

Vệ tinh NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) đượcphóng lần đầu tiên lên quỹ đạo năm 1978 và đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải không gian 1,1 km Từ năm 1972 tới nay Hoa

Kỳ đã phóng nhiều vệ tinh tài nguyên Hai vệ tinh đầu trang bị bộ cảm đa phổ 4 kênh MSS với độ phân giải 80m Vệ tinh Landsat3 đã được trang bị

bổ xung thêm một kênh hồng ngoại với độ phân giải 240m Ngoài tư liệuMSS vệ tinh Landsat 4 và 5 còn cung cấp thêm loại tư liệu là TM với 7 kênh phổ, trong đó có 6 kênh độ phân giải không gian là 30m ở dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần, 1 kênh độ phân giải không gian 120m cho dải sóng hồng ngoại nhiệt Năm 1986 Pháp cũng đã phóng vệ tinh SPOT với bộ cảm HRV có 3 kênh phổ độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc

có độ phân giải 10m Gần đây, năm 1988 Nhật bản phóng vệ tinh quan sát biển MOS-1, vệ tinh này trang bị bộ cảm MESSR có độ phân giải không gian 50m Ấn Độ cũng đã phóng thành công vệ tinh tài nguyên với

bộ cảm có các thông số kỹ thuật tương đương với MSS Đến tháng 8 năm

1996 cơ quan thiết kế kỹ thuật chính là NASDA của Nhật Bản đã phóng

vệ tinh ADEOS lên quỹ đạo với mục đích chủ yếu là giải quyết các vấn

đề về môi trường khí hậu thế giới Với mục đích này ADEOS mang nhiềuloại bộ cảm phục vụ nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó bộ cảm AVNIR có mục đích rất quan trọng nhằm nghiên cứu trạng thái lớp phủ thực vật[27], [28] Mới đây Pháp đã phóng tiếp vệ tinh SPOT.4 vào tháng 3 năm 1998 Vệ tinh này khác với SPOT.3 là có thêm đầu chụp với tên Vegetation gồm 4 kênh phổ độ phân giải 1km Đến tháng 4 năm 1999

Mỹ đã phóng vệ tinh LANDSAT.7 với đầu chụp có tên ETM gồm 7 kênhphổ giống LANDSAT.TM và 1 kênh toàn sắc độ phân giải 15mét.

Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống Viễn thám siêu cao tần chủ động radar đã được sử dụng ngay từ đầu thế kỷ 20 cho việc theo dõi và phát hiện các vật thể chuyển động và nghiên cứu tầng ion Ngày nay sự ứng dụng của nó đã trở nên rất đa dạng và phong phú trong lĩnh vực thăm dò tài nguyên Người ta đã sử dụng viễn thám radar để nghiên cứu đại dương, khí quyển, các cấu trúc trên bề mặt và gần bề mặt của vỏ trái đất Gần đây viễn thám radar chủ động càng phát triển mạnh mẽ có khả năng nghiên cứu xác định được sinh khối của thực vật Vì vậy các ứng dụng của viễn thám radar chủ động rất đa dạng, phong phú và có nhiều triển vọng

Nói chung, sự ra đời và phát triển của khoa học kỹ thuật viễn thám luôn gắn liền với lịch sử ra đời và phát triển của viễn thám trong Lâm nghiệp Dưới đây là tóm tắt một số các công trình nghiên cứu của các tác giả trên thế giới và trong nước

2.2.3.1 Trên thế giới

Mặc dầu bức ảnh hàng không đầu tiên được chụp bằng kinh khí cầu do một người Pháp có tên Laussedat chụp từ năm 1858, nhưng mãi đến tháng 9 năm 1887 mới có một kỹ sư Lâm nghiệp người Đức thử nghiệm đoán đọc cây rừng trên ảnh hàng không[29] Theo GS.TS Vũ Tiến Hinh, TS.Phạm Ngọc Giao thì Spurr.S đã chia lịch sử viễn thám trong Lâm nghiệp trên thế giới thành ba giai đoạn chính [23]:

Giai đoạn một: Từ cuối thế kỷ thứ 19 đến trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, đánh dấu bằng sự ra đời ảnh hàng không, kính lập thể và những thử nghiệm lẻ tẻ ban đầu về ứng dụng của chúng trong Lâm nghiệp Thí

dụ một số thí nghiệm của Rudolf Kobsa và Ferdinand Wang (Áo–1892), Hugershoff.R (Đức-1911), Hans Dock (Áo-1913)

- Giai đoạn hai: Từ chiến tranh thế giới lần thứ nhất đến cuối chiến tranh thế giới lần thứ hai Giai đoạn này đã ghi nhận thành công của một số tác giả ở một số nước: Xây dựng bản đồ rừng từ ảnh hàng không ở vùng Maurice thuộc Canada, bản đồ thực vật rừng ở Anh(1924), điều tra trữ lượng rừng từ ảnh hàng không ở Mỹ(1940) Thí nghiệm các phương pháp

đo tán, đo chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff Tuy nhiên giai đoạn này vẫn chưa xây dựng hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đoán đọc ảnh hàng không

- Giai đoạn ba: Từ chiến tranh thế giới lần thứ hai đến nay: Cùng với sự phát triển về khoa học và kỹ thuật, việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám ngày càng phát triển rộng rãi ở nhiều nước Kỹ thuật viễn thám phát triển theo chiều hướng ngày càng phong phú, tinh vi, chính xác và cập nhật hơn với hai hệ thống chính là “ Interkosmos” và “Landsat” Song song với hai hệ thống trên là hệ thống các trạm thu và xử lý thông tin có ở nhiều nước trên thế giới như Canada, Brazin, Ấn Độ, Thái Lan, Trung

Quốc Gần đây hệ thống vệ tinh Spot, ADEOS đã nâng cao hơn nữa khả năng của kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong Lâm nghiệp".

Song song với sự cải tiến về thiết bị bay chụp và tính năng thông tin, các

kỹ thuật xử lý thông tin cũng không ngừng đạt được những tiến bộ về mặtphương pháp Từ những kỹ thuật xử lý khai thác thông tin dựa trên

nguyên tắc quang cơ và nhận biết bằng mắt, đến xử lý tự động theo

nguyên tắc xử lý số Ngày nay kỹ thuật xử lý số ảnh viễn thám có khả năng liên kết với hệ thông tin địa lý nên rất thuận lợi trong việc khai thác thông tin tạo ra các tờ bản đồ chuyên đề thứ cấp mang những thông tin theo ý muốn Đặc biệt là khả năng lưu trữ kết quả phân loại rất đơn giản Đây là khả năng mà những phương pháp truyền thống không thể làm được

Phương pháp xử lý ảnh số đã được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến ngay từ những năm 1970 ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Canada, Thuỵ Điển, Pháp, Nhật Bản, Bỉ Sau đó nhanh chóng phổ cập tại các nước trong khu vực châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan, Indonesia, Philipine, Malaysia[29] Tại các quốc gia này, xử lý ảnh số

đã được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như Lâm nghiệp, Nông nghiệp, Địa chất, Phát triển đô thị

Trong Lâm nghiệp, bằng phương pháp này, hàng loạt các loại bản đồ khác nhau được thành lập như bản đồ sinh thái thảm rừng, bản đồ che phủrừng Đồng thời sử dụng tư liệu đa thời gian để theo dõi đánh giá biến động Cùng với hệ thống phương pháp mới, các công cụ tương ứng đã được thiết kế và đưa vào sử dụng rất có hiệu quả như các máy tính có cấuhình mạnh Bên cạnh đó, các chương trình xử lý ảnh chuyên dụng có các tính năng mạnh cũng được phát triển ngày càng nhiều như: Pericolor, Dragon, DID, PCI Một số năm gần đây đã xuất hiện một số chương trình phần mềm tổng hợp bao gồm cả xử lý ảnh và làm bản đồ như Idrisi, Ilwis, Erdas Điều này chứng tỏ Viễn thám và GIS đã được cấu thành trong một hệ thống chặt chẽ Đồng thời hệ thống xử lý, phân tích và quản

lý số liệu cũng đã được xem xét và đã hình thành trong những chức năng

cơ bản của các phần mềm

2.2.3.2 Viễn thám tại Việt Nam

Ở nước ta, công nghệ viễn thám và GIS tuy còn non trẻ nhưng cũng đã được nhiều ngành, nhiều người quan tâm Viễn thám bắt đầu được ứng dụng từ những năm tám mươi và đã mang lại nhiều kết quả nhưng vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu đa dạng của thực tiễn Ngành Địa chính

đã nghiên cứu ứng dụng GIS khá sớm trong việc quản lý đất đai, và nó đã

tỏ ra hết sức tiện lợi trong việc tự động hoá một số công việc của ngành Năm 2002 Tổng cục địa chính ( nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) đã giao cho Trung tâm Viễn thám thực hiện sản xuất thử về sử dụng ảnh vệ tinh để thành lập bản đồ HTSDĐ cấp huyện tại huyện Ngọc Hiển, Đầm Dơi, Cái Nước thuộc tỉnh Cà Mau Qua đánh giá kết quả thử nghiệm cho

thấy ảnh vệ tinh SPOT5 đáp ứng được yêu cầu trong xây dựng bản đồ HTSDĐ tỷ lệ 1/ 10.000 và 1/ 25.000.

Bên cạnh các dự án tổng thể về ứng dụng viễn thám và GIS, các lĩnh vực như khí tượng, địa chất, khoáng sản thì viễn thám trở thành một công cụ đắc lực trong công tác điều tra, khảo sát đo đạc các điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường Kết quả các công trình nghiên cứu đã làm giàu thêm về cơ sở dữ liệu và phương pháp luận trong nghiên cứu các dự án

Nhìn chung việc ứng dụng viễn thám và GIS ở nước ta bước đầu đã có nhiều kết quả đáng kể Tuy vậy, việc ứng dụng còn ở quy mô nhỏ, tản mạn về chủ đề chưa định hướng được nhiệm vụ lâu dài Các dự án còn cótính thử nghiệm chưa được ứng dụng rộng rãi và có hệ thống.Thực tế viễnthám ở nước ta chưa giải quyết triệt để những vấn đề thực tiễn đặt ra nhằm đáp ứng công tác quản lý nhà nước ở tầm vĩ mô về các vấn đề quantrọng như quản lý tài nguyên thiên nhiên, quản lý về quy hoạch sử dụng đất Việc truyền bá và ứng dụng viễn thám và GIS vào các công việc của các cơ quan địa phương ở nước ta có thể nói chưa được đặt đúng vị trí quan trọng của nó Mặc dù đã có nhiều nỗ lực của các cơ quan quản lý nhà nước và rất nhiều lực lượng tham giavào hoạt động phát triển viễn thám và GIS và kết quả đã có nhiều nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của việc ứng dụng viễn thám và GIS trong việc hỗ trợ công tác quản lý nhà nước và công tác nghiệp vụ chuyên ngành nhưng vẫn còn một khoảng cách lớn giữa nhận thức và ứng dụng thực tế

2.2.4 Nguyên lý và tính chất phổ của ảnh viễn thám

a Nguyên lý

Năng lượng chính thường được sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời (năng lượng điện từ) Khái niệm sóng giải thích cho sự truyền năng lượng điện từ, những năng lượng chỉ được cảm nhận khi sóng tương tác với vật chất Sự tương tác với vật chất có thể thay đổi phụ thuộc vào mật

độ, hướng, bước sóng, sự phân cực và pha của bức xạ tới Khoa học viễn thám đo đạc và ghi lại những sự thay đổi đó và các nhà khoa học phân tích các hình ảnh và tư liệu, kết quả là phân biệt các tính chất của vật thể tạo ra những sự thay đổi đó

Sự tương tác này kết quả bức xạ tới có thể là: được truyền qua, bị hấp thu,phát xạ bởi vật chất, bị tán xạ, bị phản xạ

Năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi các bộ cảm với các đặc tính phổ của vật thể đó Thông tin về đốitượng được nhận biết thông qua xử lý trên máy tính hoặc giải đoán trực tiếp từ hình ảnh của đối tượng

với cực trị truyền dần theo hướng có bước sóng ngắn hơn, khi nhiệt độ của vật chất tăng lên

Phổ điện từ kéo dài từ bước sóng rất ngắn của vùng tia gamma đến bước sóng dài của vùng sóng radio Dải sóng nhìn thấy được (sóng ánh sáng)

từ 0.4μm đến 0.7μm chỉ chhiếm một đoạn ngắn của phổ điện từ Nhìn m đến 0.7μm đến 0.7μm chỉ chhiếm một đoạn ngắn của phổ điện từ Nhìn m chỉ chhiếm một đoạn ngắn của phổ điện từ Nhìn chung dải phổ điện từ dùng trong viễn thám bắt đầu từ vùng tia cực tím (0.3μm đến 0.7μm chỉ chhiếm một đoạn ngắn của phổ điện từ Nhìn m ¡ 0.4μm đến 0.7μm chỉ chhiếm một đoạn ngắn của phổ điện từ Nhìn m), sóng ánh sáng (0.4μm đến 0.7μm chỉ chhiếm một đoạn ngắn của phổ điện từ Nhìn m ¡ 0.7μm đến 0.7μm chỉ chhiếm một đoạn ngắn của phổ điện từ Nhìn m), hồng ngoại gần, hồng ngoại sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Hình 2.2 thể hiện bảng phân loại sóng điện từ và các kênh sử dụng trong viễn thám

Hình 2.2 Phân loại sóng điện từ và các kênh sử dụng trong viễn thám.Quá trình lan truyền của sóng điện từ qua môi trường vật chất sẽ tạo ra phản xạ, hấp thụ, tán xạvà bức xạ sóng điện từ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng (ví dụ cây có màu xanh đó là sóng phản xạ,còn màu xanh lơ và đỏ là sóng đã bị hấp thụ) đặc trưng này của vật thể gọi là đặc trưng phổ

Những đặc tính phổ do năng lượng bức xạ và phản xạ của vật thể, các vật thể khác nhau sẽ phản xạ sóng điện từ có bước sóng khác nhau; cùng một vật thể ở những bước sóng điện từ khác nhau sẽ phản xạ khác nhau Ứng dụng những tính chất này trong viễn thám người ta chụp ảnh vật thể qua nhiều kênh khác nhau để đối chiếu phân tích và xử lý phục vụ công tác phân loại ảnh và giải đoán ảnh

2.2.5 Các loại vệ tinh và ảnh vệ tinh

2.2.5.1 Vệ tinh SPOT và ảnh vệ tinh SPOT

Hệ thống vệ tinh SPOT của Pháp được triển khai thiết kế chế tạo từ

những năm 1977 Vệ tinh SPOT-1 được đưa lên quỹ đạo từ năm 1986 có trọng lượng 1750kg với độ cao bay là 822 km Độ rộng của băng quét là 60km theo phương dây dọi Góc nghiêng của thiết bị quét ảnh so với phương dây dọi về hai phía vuông góc với hướng bay có giá trị ± 27o với

độ rộng của băng quét là 80 km Ảnh Pan có 6000 Pixel trên mỗi đường quét, ảnh MS có 3000 Pixel.Chuyển động của vệ tinh SPOT-1 đồng bộ với chuyển động quay của trái đất, bề mặt của trái đất được quét lại trên cùng một địa hính sau 26 ngày [30]

Các vệ tinh SPOT-2, SPOT-3, SPOT- 4 có các thông số như SPOT-1 được đưa lên quỹ đạo vào các năm 1990,1994,1998 trong đó SPOT-3 bị thiệt hại không thành công như dự kiến Hệ thống vệ tinh SPOT-5 có cải tiến nhất định được đưa lên quỹ đạo vào tháng 5 năm 2002 và đi vào hoạtđộng Thiết bị quét ảnh cho ảnh Pan với độ phân giải 5m theo phương thẳng đứng và 10m khi trục quang nghiêng về hai phía vuông góc với hướng bay Mỗi đường quét Pan có 12000 Pixel và mỗi đường quét ảnh mầu có 6000 Pixel Hình 3.5 là hình ảnh của hệ thống vệ tinh SPOT-5 Các thông số chính của hệ thống SPOT theo bảng 3.3

Hình 2.3: Hệ thống vệ tinh SPOT -5

Bảng 2.3: Các thông số của hệ thống SPOT

Hệ thống Năm phóng Số Pixel trên đường quét Độ lớn Pixel thực địa GSD Độ rộng băng quét Góc nghiêng trục quang Độ cao quỹ đạo

2.2.5.2 Vệ tinh Landsat và ảnh vệ tinh Landsat

Landsat là vệ tinh viễn thám đầu tiên được Uỷ ban hàng không vũ trụ Mỹ(NASA) được phóng lên quỹ đạo vào năm 1972 Từ năm 1994, ảnh vệtinh Landsat do công ty EOSAT phân phối tuy nhiên những ảnh quá 2 năm được đưa vào lưu trữ và do trung tâm dữ liệu Cục Địa chất Mỹ phân phối

Vệ tinh đầu tiên trong serie Landsat là ERTS-1 phóng ngày 23/7/1972 Sau đổi 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 đã không thành công Landsat-7 phóng tháng 4/1999 Hiện nay có hai vệ tinh hoạt động đó là Landsat-5 và 7 và được đặc trưng bởi các thông số chính sau đây:

+ Độ cao bay: 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 980

+ Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại

+ Thời điểm bay qua xích đạo 9h30’ sáng

+ Chu kỳ lặp lại 17 ngày

+ Bề rộng tuyến chụp 185km

+ Bộ cảm: 2 bộ cảm là MSS (Multispectral Scanner) và TM ( Thematic Mapper)

Bảng 2.4 : Các thông số chính của bộ cảm TM và ETM:

Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải

Kênh1 0,45-0,52 Micromet Xanh chàm(Blue) 30 m

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

Kênh 3 0,63-0,69 Micromet Đỏ(Red) 30 m

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

Kênh 5 1,55-1,75 Micromet Hồng ngoại 30 m

Kênh 6 10,4-12,5 Micromet Hồng ngoại nhiệt 30 m

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

Kênh 8 0,52-0,90 Micromet

(panchromatic) Xanh lục(Green), Đỏ(Visible Red), Gần hồng

ngoại(Near infrared)

15 m

2.2.5.3 Vệ tinh IRS và ảnh vệ tinh IRS:

Là vệ tinh viễn thám của Ấn Độ do trung tâm viễn thám quốc gia quản lý.Ngày nay ảnh IRS-1 sử dụng ngoài Ấn Độ do EOSAT là người phân phốiđộc quyền Các vệ tinh đang hoạt động là ISR-1C (phóng tháng 12/1995)

và IRS-ID (phóng năm 1997)

Hai vệ tinh được trang bị máy móc như nhau gồm :

+ Máy quét ảnh PAN 5,8 m độ rộng 70km

+ 4 kênh LISS 23 m độ rộng dải chụp 140km

+ 2 kênh WIFS 180 m độ rộng dải chụp 810km

2.2.5.4 Vệ tinh MOS-1 MESSR và ảnh vệ tinh MOS-1 MESSR:

Vệ tinh MOS-1 do cơ quan phát triển vũ trụ Nhật Bản ( NASDA) phóng năm 1986 Năm 1990 Nhật Bản phóng tiếp vệ tinh MOS-1b Tư liệu của

vệ tinh này phủ kín lãnh thổ Việt Nam và có ý nghĩa quan trọng trong công tác nghiên cứu môi trường Trên vệ tinh MOS-1 có ba loại bộ cảm

là MOS VTIR , MRS và MESSR trong đó MESSR có ý nghĩa hơn cả trong việc nghiên cứu tài nguyên môi trường ở tỷ lệ trung bình Các thông

số kỹ thuật của bộ cảm MESSR được nêu trong bảng:

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của bộ cảm MESSR

Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải

Kênh1 0,51-0,59 Micromet Xanh lục(Green) 50 m

Kênh 2 0,61-0,69 Micromet Đỏ( Red) 50 m

Kênh 3 0,72-0,80 Micromet Gần hồng ngoại 50 m

Kênh 4 0,80-1,10 Micromet Hồng ngoại 50 m

2.2.6 Dữ liệu ảnh số dùng trong viễn thám

Ảnh viễn thám ghi nhận giá trị sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thểthông qua bộ cảm biến Các giá trị này thường được lưu dưới dạng số Ảnh được thể hiện bởi ma trận – mỗi phần tử của ma trận được gọi là pixel Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian và có giá trị

nguyên hữu hạn ứng với từng cấp độ xám đó là giá trị độ sáng, giá trị này thể hiện cường độ bức xạ hay tán xạ năng lượng điện từ của vật thể từ mặt đất

Các pixel thường có hình dạng vuông và được xác định bằng tọa độ là chỉ

số hàng (tăng dần từ trên xuống) và chỉ số cột (từ trái sang phải) Kích thước mỗi pixel phải được chọn tối ưu; nếu quá lớn thì chất lượng ảnh sẽ kém; ngược lại thì dung lượng thông tin cần lưu trữ lại quá lớn

Độ phân giải của ảnh viễn thám được định nghĩa là diện tích nhỏ nhất trên mặt đất được ghi nhận tương ứng cho một pixel Tuỳ theo mục đích

và lĩnh vực ứng dụng mà lựa chọn độ phân giải ảnh thích hợp Hình 2.4 thể hiện cấu trúc ảnh vệ tinh cơ bản thường được sử dụng

Hình 2.4 Dữ liệu ảnh vệ tinh được sử dụng để cung cấp thông tin

Ảnh viễn thám được ghi lại theo nhiều dải phổ khác nhau gọi là dữ liệu ảnh đa phổ Các thông tin của dữ liệu ảnh số được lưu theo đơn vị Bit (Binary digit) Thông thường các ảnh viễn thám được ghi theo 6, 7, 8 hoặc 10 bit Trong xử lý ảnh số bằng máy tính, đơn vị thường xử dụng là byte (1 byte = 8 bit) Do đó, đối với ảnh thu được mã hóa có số bit nhỏ hơn hoặc bằng 8 thì được lưu dưới dạng byte Dạng lưu này rất phổ biến bởi vì mỗi pixel sẽ nhận một giá trị nguyên từ 0 ¡ 255 và có thể thể hiện

256 cấp độ xám Đối với ảnh có số bit lớn hơn 8 được lưu dưới dạng 2 byte và có thể thể hiện đến 65536 cấp độ xám

Bảng 2.6 Cách lưu dữ liệu số ứng với từng loại ảnh vệ tinh

Bộ thu dữ liệu Vệ tinh Chế độ lưu(bit)

∗ Khuôn dạng BSQ (Band Sequence): Các kênh phổ được lưu tuần tự hết kênh này sang kênh khác Khuôn dạng BSQ có ưu điểm là dễ đọc,

chọn kênh bất kỳ, thuận tiện khi xuất ảnh Đây là khuôn dạng được dùng khá phổ biến

∗ Khuôn dạng BIL (Band Interleavel by Line): Từng hàng được ghi theo thứ tự của số kênh Nói khác đi mỗi hàng được ghi tuần tự theo kênh phổ sau đó lặp lại theo số thứ tự của từng hàng

∗ Khuôn dạng BIP: (Band Interleavel by Pixel): Mỗi pixel được ghi tuần

tự theo các kênh nghĩa là các kênh phổ được lưu theo hàng và cột của từng pixel Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác Khuôn dạng BIP rất thuận tiện trong phân loại ảnh tự động

Ngoài các thông tin về ảnh của đối tượng, trong file ảnh còn chứa nhiều thông tin bổ trợ khác dưới dạng khuôn dạng WSF, LTWG

2.2.7 Khả năng cung cấp thông tin của ảnh viễn thám

Nhờ vào việc đo phổ phản xạ của các vật thể đã cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích được đặc điểm của lớp phủ mặt đất thông quacác dữ liệu thu được từ vệ tinh Nhìn chung các thông tin phân tích phản ánh ba lớp đối tượng là đất, nước và thực vật Thực vật có sự phản xạ rất cao trong vùng gần hồng ngoại Đất cho sự phản xạ khá cao đối với hầu hết các vùng phổ Nước hầu như không phản xạ trong vùng hồng ngoại Trong cùng một nhóm đối tượng từ việc đo phản xạ phổ chúng ta có thể tách ra từng loại đối tượng riêng biệt Đối với thực vật có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến bức xạ phổ của chúng (ví dụ cùng loại cây nhưng trạng thái sinh trưởng khác nhau sẽ cho giá trị bức xạ phổ khác nhau) Chính nhờ đặc điểm này ảnh viễn thám được ứng dụng để theo dõi sự phát triển của cây rừng

Thông tin viễn thám có mối liên hệ chặt chẽ với phản xạ phổ từ các đối tượng do đó, việc nghiên cứu cẩn thận các đặc trưng phổ này sẽ làm cho khả năng cung cấp thông tin của viễn thám sẽ trở nên phong phú và rất hiệu quả trong việc đánh giá hiện trạng lớp phủ (đánh giá biến động) mặt đất

Tách thông tin trong viễn thám có thể chia làm 5 loại:

∗ Phân loại: là quá trình tách, gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian cho bởi hình ảnh của đối tượng

∗ Phát hiện biến động: nghiên cứu sự thay đổi hình dạng đối tượng, thay đổi vùng của lớp phủ mặt đất hoặc cấu trúc địa chất, các dòng chảy, sông ngòi,… dựa trên dữ liệu ảnh đa thời gian

∗ Chiết các đại lượng vật lý: Dựa trên các đặc trưng phổ của đối tượng

có thể tách và nhận được các thông tin như nhiệt độ, trạng thái của khí quyển, độ cao của vật thể…

∗ Chiết các chỉ số: tính toán xác định các chỉ số mới của đối tượng (chỉ

số thực vật, chỉ số nước,…)

∗ Xác định các đặc điểm: Tính toán xác định các dấu hiệu để dự đoán thiên tai, xác định dấu hiệu phục vụ khảo cổ,… Phương pháp tách thông

tin viễn thám có thể thực hiện theo thủ công (bằng mắt và kinh nghiệm),

tự động trên máy tính hay phối hợp cả hai Mỗi phương pháp đều có ưu

và nhược điểm riêng của nó Ngày nay bằng công nghệ thông tin hiện đại người ta đang phát triển những hệ chuyên gia với chương trình máy tính

có khả năng mô phỏng tri thức chuyên gia của con người để phục vụ cho công việc giải đoán ảnh tự động

Nhìn chung dữ liệu ảnh viễn thám độ phân giải thích hợp theo yêu cầu được phân tích, giải đoán, xử lý để tạo ra dữ liệu hoặc cập nhật bản đồ và

có khả năng cung cấp các thông tin về kinh tế xã hội, nguồn xây dựng và cập nhật cơ sở dữ liệu phục vụ công tác quản lý trong nhiều lĩnh vực (tài nguyên môi trường, đô thị, khí tượng, thủy văn, địa chất, nông nghiệp…) rất hiệu quả

2.2.8 Giải đoán ảnh viễn thám bằng mắt

a Giải đoán ảnh bằng mắt

Giải đoán ảnh là quá trình tách thông tin định tính và định lượng từ ảnh viễn thám để thành lập các bản đồ dựa trên các tri thức chuyên môn hoặc kinh nghiệm của người giải đoán (hình dạng, vị trí, cấu trúc, chất lượng, điều kiện, mối quan hệ giữa các đối tượng…)

Trong việc xử lý thông tin viễn thám thì giải đoán bằng mắt là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện và có thể ápdụng trong nhiều lĩnh vực

Cơ sở để giải đoán bằng mắt là dựa vào các dấu hiệu đoán đọc trực tiếp hoặc gián tiếp và giải đoán

b Các dấu hiệu giải đoán:

Về nguyên tắc chung, các dấu hiệu giải đoán được xếp vào hai nhóm chính là các yếu tố ảnh và các yếu tố địa kỹ thuật

Các yếu tố ảnh: Tông ảnh, cấu trúc ảnh, kiểu mẫu, hình dạng, kích thước, bóng, vị trí, màu,…

Các yếu tố địa kỹ thuật: Địa hình, thực vật, hiện trạng sử dụng đất, mạng lưới sông suối, hệ thống các khe nứt lớn và các yếu tố dạng tuyến

c Các khóa giải đoán

Tiêu chuẩn để phân biệt một đối tượng với các yếu tố giải đoán về đối tượng đó gọi là khóa giải đoán

Các khóa giải đoán được thiết lập dựa vào kinh nghiệm và kiến thức chuyên môn cùng những nghiên cứu trên một tấm ảnh cụ thể của người phân tích Nghĩa là dựa vào cả các yếu tố ảnh, phần mô tả ảnh và các thành phần của của hình ảnh Thông thường khóa được dùng cho một bứcảnh hoặc cho một vùng có thời gian chụp ảnh, công nghệ tạo ảnh giống nhau Bảng 3.2 thể hiện khoá giải đoán một số đối tượng trên ảnh (trên các kênh và trên ảnh tổng hợp màu giả FCC)

Bảng 2.7 Khoá giải đoán ảnh Landsat (ảnh tổng hợp màu giả FCC)

Đối tượng Kênh 4 Kênh 5 Kênh 6 Kênh 7 BGR (4,5,7) RGB (4,5,7)

2.2.9 Giải đoán ảnh vệ tinh bằng xử lý số.

Hiện nay các tư liệu thu được trong viễn thám chủ yếu ở dạng số Nên phương pháp phân loại ảnh bằng xử lý số giữ một vai trò quan trọng và không thể thiếu được trong viễn thám hiện đại[27] Phân loại ảnh bằng phương pháp xử lý số thông thường bao gồm 5 giai đoạn :

1 Nhập số liệu 2 Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh

3 Biến đổi ảnh 4 Phân loại 5 Xuất kết quả

Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống, bức xạ hoặc hình học nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các trung tâm thu số liệu vệ tinh

Biến đổi ảnh: Thực chất biến đổi ảnh là các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng, biến đổi tuyến tính được thực hiện trên các máy tính nhỏ như máy vi tính trong khuôn khổ của một phòng thí nghiệm

Phân loại: Mục đích của việc phân loại đa phổ là tách các thông tincần thiết phục vụ việc theo dõi các đôí tượng hoặc phục vụ thành lập bản

đồ chuyên đề là khâu quan trọng của việc khai thác tư liệu viễn thám

Xuất kết quả: Xuất kết quả là nhiệm vụ cuối cùng của tất cả các khâu xử lý Kết quả có thể dưới dạng phim ảnh (tương tự), dạng số hay các bản đồ đường nét Các kết quả dạng số ngày càng được khai thác sử dụng nhiều vì nó là đầu vào tốt nhất cho việc sử dụng công nghệ mới (GIS) Trên cơ sở ứng dụng hệ thông tin địa lý, nhiều chủng loại thông tinkhác nhau cũng được đưa vào xử lý tạo ra một kết quả chính xác và phong phú hơn nhiều so với trường hợp chỉ sử dụng riêng tư liệu viễn thám.

Việc phân loại ảnh bằng phương pháp xử lý số không thể thiếu mộttrong năm bước cơ bản đã nêu ở trên Trong phần này chúng tôi chỉ giới thiệu những nét chung liên quan đến quá trình phân loại đa phổ

Trong xử lý số tư liệu viễn thám đa phổ, việc phân loại được thực hiên bằng cách gán cho một khoảng cấp độ xám nhất định thuộc một nhóm đối tượng nào đó có các tính chất tương đối đồng nhất với mục đích phân biệt các nhóm đó với nhau trong khuôn khổ ảnh cho trước Dựavào các tính chất phổ hoặc cấu trúc không gian đặc tính của đối tượng ta

có thể phân loại theo một quy luật nào đó Phân loại có thể được thực hiện dựa trên nguyên lý giải đoán bằng mắt hoặc có sự trợ giúp của máy tính Hiện nay việc sử dụng máy tính để phân loại ngày càng được phổ cập và mang lại các kết quả đáng khả quan hơn

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của quá trình phân loại bằng xử lý số

Trình tự phân loại gồm 6 bước cơ bản:

Bước 1: Định nghĩa các lớp - Các lớp phân loại cần được định nghĩa rõ ràng và được lựa chọn có tính đến đặc thù của tư liệu ảnh

Bước 2: Tuyển chọn đặc tính – Các đặc tính phổ hoặc cấu trúc cho phép phân biệt các lớp cần được tập hợp

Bước 3: Chọn vùng mẫu – Các tệp mẫu cần được lựa chọn dựa vào kết quả của bước 1 và 2 Các số liệu lấy từ tệp mẫu có ý nghĩa quyết định trong việc thành lập chỉ tiêu phân loại

Bước 4: Chọn lựa các phương pháp phân loại- Có thể áp dụng nhiều cáchphân loại khác nhau trong khuôn khổ tệp mẫu và so sánh kết quả đạt được

để lựa chọn cách phân loại tối ưu nhất

Bước 5: Phân loại- Dựa trên các luật quyết định và các chỉ tiêu đã thiết lập, các pixel sẽ được phân loại tuần tự theo các lớp đã chọn

Bước 6: Kiểm tra các kết quả phân loại – Các kết quả sau phân loại cần được kiểm tra độ tin cậy Nếu chỉ tiêu chính xác không được bảo đảm,

cần phải thay đổi hoặc điều chỉnh các chỉ tiêu phân loại một cách phù hợpnhằm đạt được kết quả tốt hơn.

Việc xác định các tham số thống kê tệp mẫu phụ thuộc cụ thể vào phương pháp phân loại sẽ được sử dụng Tuy nhiên phần lớn các phương pháp phân loại đều sử dụng các tham số như giá trị trung bình tệp mẫu,

ma trận phương sai - hiệp phương sai [27], [28]

Trong viễn thám một số cách phân loại thường được sử dụng là Phân loại xác suất cực đại, phân loại hình hộp, phân loại khoảng cách ngắn nhất và phân loại theo cây quyết định

+ Phân loại xác suất cực đại được sử dụng nhiều trong xử lý ảnh viễn thám, nó thuộc vào nhóm phương pháp có kiểm định Nguyên lý của phương pháp này là mỗi pixel được tính xác suất thuộc vào một lớp nào

đó và nó được gán vào lớp mà xác suất thuộc vào lớp đó là lớn nhất Xác suất này được xác định theo [27], [28] với công thức:

Lk = P(k/X) = P(k)*P(X/k)/P(i)*P(X/i).P(i)*P(X/i)

Trong đó: P(k) : Xác suất tiền định của lớp k

P(X/k) : Xác suất điều kiện có thể lấy được X thuộc vào lớp

k Thông thường người ta coi P(k) là hằng số cho tất cả các lớp

và P(i)*P(X/i) cũng được coi như vậy cho nên thực chất xác suất Lk chỉ phụ thuộc vào P(X/k)

Trong trường hợp các quan trắc có hàm phân bố chuẩn theo Gauss thì đại lượng Lk có thể tính theo công thức sau:

k

P(i)*P(X/i)  : Định thức của ma trận phương sai – hiệp phương saiPhương pháp phân loại xác suất cực đại có nhiều ưu việt xét theo quan điểm lý thuyết xác suất Tuy vậy khi sử dụng nó cần phải chú ý tới mấy điểm sau:

Số lượng, mật độ và diện tích của các khu vực lấy mẫu phải đủ lớn và hợp lý để giá trị trung bình cũng như ma trận phương sai-hiệp phương sai tính cho một lớp nào đó có giá trị đúng với thực tế

Khi độ tương quan giữa các kênh phổ gần nhau quá cao thì ma trận

nghịch đảo của ma trận phương sai – hiệp phương sai sẽ không ổn định

Vì vậy trong trường hợp này cần áp dụng những phương pháp làm giảm

số kênh phổ, như phương pháp phân tích thành phần chính

Trường hợp hàm phân bố của các đối tượng nghiên cứu không tuân theo luật phân bố chuẩn Gaus thì không nên sử dụng phương pháp này

+ Phân loại hình hộp là phương pháp phân loại có kiểm định đơn giản nhất Trong phương pháp này mỗi trục phổ được chia thành nhiều lớp dựa

trên các giá trị tối đa tối thiểu của tệp mẫu lớp tương ứng Các pixel nằm trong không gian giới hạn bởi các miền xác định trên các trục phổ như vậy sẽ được phân loại vào nhóm tương ứng Phương pháp này có tốc độ thực hiện trên máy tính rất cao nhưng chỉ bảo đảm độ chính xác với các đối tượng tương đối đồng nhất Vì vậy khả năng áp dụng của phương pháp này nhiều khi còn bị hạn chế.

+ Phân loại theo khoảng cách ngắn nhất được sử dụng để phân loại các đối tượng trong không gian phổ đa chiều Khoảng cách giữa các pixel như thước đo đánh giá sự thuộc về một lớp nào đó của pixel đang khảo sát Các khoảng cách thường được sử dụng trong viễn thám đó là khoảng cách Ơclít, Khoảng cách Ơclít chuẩn hoá và khoảng cách Mahalanobis Việc lựa chọn loại khoảng cách nào là tuỳ thuộc vào tính chất và từng trường hợp cụ thể Theo [28] thì:

Trường hợp phương sai của các lớp khác nhau ta có thể sử dụng khoảng cách Ơclít (công thức3.4) và coi nó như hệ số đồng dạng

d2k = (X - k¬) (X - k).k)/((2)n/2[k]1/2) .(X - k) k)/((2)n/2[k]1/2) (3.4)

Và khoảng cách Ơclít chuẩn hoá được xác định theo công thức (3.5)

d2k = (X - k¬) k-1.(X - k).k)/((2)n/2[k]1/2) .(X - k) k-1.(X - k) k)/((2)n/2[k]1/2) (3.5)Trong trường hợp tồn tại mối tương quan giữa các kênh phổ thì khoảng cách Mahalanobis được sử dụng thay cho các khoảng cách khác Khoảng cách này được xác định theo công thức (3.6):

d2k = (X - k¬) ¬k-1 (X - k).k)/((2)n/2[k]1/2) .(X - k) P(i)*P(X/i) k)/((2)n/2[k]1/2) (3.6)Trong các công thức (3.7), (3.8), (3.9) trên đây, thì:

2.2.10.1 Nhu cầu ứng dụng viễn thám trong thực tiễn

Do thực trạng ứng dụng viễn thám ở Việt Nam còn ở mức thấp so với thế giới thậm chí so với các nước trong khối ASEAN nên các nhu cầu vẫn chưa được đáp ứng đầy đủ Nhiệm vụ ứng dụng viễn thám cũng đã được

xác định trong “ Đề án tổng thể về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam” bao gồm:

a Ứng dụng công nghệ viễn thám trong công tác khí tượng thuỷ văn và điều tra, khảo sát tài nguyên, trước hết là tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, tài nguyên đất, cũng như công tác bản đồ trên phạm vi toàn quốc

Nước ta là một trong những nước khu vực châu Á nằm trong vùng có khí tượng và thời tiết khắc nghiệt và biến động (nhất là các tỉnh trung bộ và bắc trung bộ) như bão, lũ lụt, áp thấp nhiệt đới v.v…Việc ứng dụng viễn thám trong hàng thập niên qua đã tỏ ra là phương pháp hiệu quả nhất trong công tác dự báo

Trong công tác nghiên cứu địa chất, tìm kiếm thăm dò khoáng sản có ích,

đo vẽ chụp ảnh từ vũ trụ, dự đoán tìm kiếm nước ngầm bằng phương pháp viễn thám đã nói lên ý nghĩa của viễn thám với địa chất trong giai đoạn phát triển hiện tại và đặc điểm của chúng trong tương lai theo phạm

vi hoàn thiện của công nghệ và trình độ nghiên cứu Từ những khả năng nhận được những hình ảnh với tỷ lệ khác nhau, việc thành lập các bình đồ

và bản đồ ảnh địa chất là khả năng thực tế để làm chi tiết hoá, làm sáng tỏ

và kiểm tra những bản đồ đã được thiết lập từ trước Việc ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu địa chất đặc biệt hữu hiệu đối với những vùng núi cao hiểm trở mà các phương pháp truyền thống khó có thể đạt được mức

độ chi tiết về những thông tin và độ chinh xác như mong muốn

Đối với ngành Tài Nguyên và Môi Trường, trong công tác quy hoạch sử dụng đất để bảo vệ tài nguyên đất, tài nguyên rừng nhằm phát triển kinh

tế bảo vệ môi trường theo hướng phát triển bền vững, đã quy định 5 năm tiến hành kiểm kê đất kiểm kê rừng trên phạm vi toàn quốc để theo dõi việc sử dụng đất và rừng và những biến động của nóvới việc thành lập hàng loạt các loại bản đồ chuyên đề trong đó có bản đồ HTSDĐ Tuy nhiên việc theo dõi biến động mang tính cập nhật thường xuyên vẫn chưa thể thực hiện được trên phạm vi rộng

Giải pháp duy nhất có tính khả thi là việc ứng dụng rộng rãi và thường xuyên kỹ thuật viễn thám, cụ thể là sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh kết hợp với điều tra khảo sát để nâng cao độ tin cậy của thông tin và dữ liệu

b Ứng dụng công nghệ viễn thám cho mục đích bảo vệ môi trường, phòng chống thiên tai

Trong nông nghiệp và lâm nghiệp việc chuyển đổi cây trồng và vật nuôi

và khai thác rừng không theo quy hoạch và kế hoạch phân bổ đất đai đã phá vỡ sự cân bằng sinh thái và làm suy giảm chức năng bảo vệ môi trường của rừng

Trong công nghiệp sự phát triển mạnh mẽ các nhà máy và khu công nghiệp đã thải vào môi trường không khí một lượng khí thải độc hại vượt tầm kiểm soát cuả các nhà quản lý

Với tốc độ xây dựng như hiện nay trên cả nước việc khai thác cát trên cácsông ngòi đã làm thay đổi dần các dòng chảy và làm sạt lở các vùng bờ Đối với vùng biển việc khai thác các mỏ dầu và mỏ khí đốt một mặt tác động đến hệ sinh thái dưới lòng đại dương, một mặt ảnh hưởng đến mặt nước vùng đại dương khi có sự cố tràn dầu

Tất cả các điều kiện tác động môi trường vừa nêu xảy ra trên diện rộng vàvào mọi thời điểm Với khả năng giám sát trên những vùng rộng lớn và chu kỳ quan sát là rất ngắn thì biện pháp dùng ảnh vệ tinh có thể đáp ứng được các yêu cầu về giám sát môi trường và dự báo thiên tai mà không lệ thuộc vào thời tiết

c Ứng dụng công nghệ viễn thám để phục vụ các chương trình phát triển kinh tế-xã hội

Khả năng của viễn thám trong việc theo dõi sự phát triển mùa màng trongnông nghiệp, theo dõi sự tăng trưởng của cây trồng, dự đoán và dự báo được năng suất lúa v v theo dõi phát hiện được những vùng cá ở đại dương phục vụ cho việc khai thác và đánh bắt hải sản; quy hoạch phát triển vùng, phát triển đô thị, xây dựng các công trình thuỷ điện v.v .đã cho khả năng cung cấp thông tin cho các dự án phát triển kinh tế của quốcgia

d Ứng dụng viễn thám trong điều tra nghiên cứu về biển

Bờ biển nước ta trải dài suốt từ Bắc chí Nam với hơn 3000 Km Đây là tàinguyên đặc biệt của nước ta mà chưa được nghiên cứu và khai thác nhiều.Các chuyên đề nghiên cứu về biển rất đa dạng như các hải lưu, nhiệt độ,

độ mặn, các nguồn lợi hải sản

Việc đo đạc và lập bản đồ đáy biển theo phương pháp truyền thống vẫn chưa đạt được độ chính xác mong muốn Sự phát triển của các rạn san hô

và sự xói mòn ngầm thường làm thay đổi hải đồ sau vài năm Việc đo đạc

và lập bản đồ đáy biển có thể được lập bằng việc phân tích các tư liệu ảnh

vệ tinh như Landsat, ảnh Radar của bề mặt biển v.v… các nghiên cứu về sóng có liên quan đến sự tương tác của không khí, giữa các khối nước, nhiệt độ từng lớp nước v.v… hoăc các nghiên cứu về độ sâu nước biển dựa vào sự hấp thụ hoặc phản xạ hầu hết các dải sóng của quang phổ điệntừ

e Ứng dụng viễn thám phục vụ các nhiệm vụ an ninh- quốc phòng

Cùng với công cuộc xây dựng kinh tế phát triển đất nước, việc bảo vệ an ninh quốc gia toàn vẹn lãnh thổ cuả Tổ quốc là nhiệm vụ hàng đầu Trongthời đại hiện đại hoá quân sự trên thế giới, việc giám sát an ninh quốc gia bằng những phương tiện từ xa như kỹ thuật viễn thám có tầm quan trọng lớn Đặc biệt với những quốc gia có bờ biển dài như nước ta càng có ý nghĩa hơn Việc xử lý những dữ liệu vệ tinh để cung cấp nhanh cho hệ thống quốc phòng nhằm có những quyết định đúng đắn trong chiến thuật, chiến lược để bảo vệ vùng trời vùng biển và sự tòan vẹn lãnh thổ Kỹ thuật viễn thám hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu này

f Đẩy mạnh công tác nghiên cứu triển khai

Những nhu cầu thực tiễn về viễn thám cần thiết phải được đẩy mạnh côngtác nghiên cứu và triển khai việc ứng dụng viễn thám Tuỳ theo nhu cầu

cụ thể của từng lĩnh vực mà trong giai đoạn 2001-2010 cần tiến hành các nghiên cứu nhằm ứng dụng có hiệu quả các loại tư liệu viễn thám Ngoài việc khai thác các phần mềm xử lý ảnh viễn thám, cũng cần đầu tư phát triển thêm các phần mềm khác theo hướng liên kết giữa viễn thám, GIS

và định vị vệ tinh-GPS (Global Positioning System) Nghiên cứu thiết kế chế tạo các thiết bị như trạm thu ảnh vệ tinh khí tượng, hệ thống cảm biến(Sensor) và các thiết bị hỗ trợ khác Xa hơn nữa, cần có kế hoạch phát triển vệ tinh nhỏ nhằm đáp ứng ứng tốt nhất nhu cầu phát triển khoa học

kỹ thuật đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế bền vững và bảo đảm an ninh quốc phòng

2.2.10.2 Nhu cầu tích hợp viễn thám và GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu Công tác ứng dụng viễn thám đơn thuần chỉ mới đáp ứng được các

nghiên cứu về bề mặt đất và lớp phủ của nó, chưa phát huy được những phân tích không gian và chưa liên kết được những thuộc tính khác của các đối tượng trên bề mặt đất của một vùng hay toàn bộ lãnh thổ và do đóchưa đáp ứng được việc ra những quyết định của các nhà quản lý

Trên thế giới đã sử dụng rộng rãi dữ liệu ảnh vệ tinh để cập nhật biến động đất và thành lập các loại bản đồ chuyên đề Chu kỳ cập nhật tuỳ theo mức độ phát triển của mỗi nước Với sự đa dạng về độ phân giải của ảnh vệ tinh màbản đồ cũng được thành lập ở nhiều tỷ lệ khác nhau Ngày nay với loại ảnh vệ tinh độ phân giải cao 1m - 5m hoặc nhỏ hơn nữa có thể thành lập được bản đồ chuyên đề tỷ lệ 1/5000 đạt được độ chính xác mong muốn

Tổng cục Địa chính (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) cũng đã có những thử nghiệm về công tác thành lập bản đồ HTSDĐ một số huyện của tỉnh Cà Mau phục vụ quy hoạch sử dụng đất, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cũng ứng dụng viễn thám và GIS để thành lập các bản đồ chuyên đề phục vụ các dự án “ Đánh giá đất phục vụ cho quy hoạch sử dụng đất và phát triển bền vững” Tuy nhiên mô hình tích hợp viễn thám và GIS trong cập nhật dữ liệu, thành lập bản đồ chuyên đề và đánh giá biến động sử dụng đất vẫn còn phải được nghiên cứu kỹ lưỡng

để lập quy trình ứng dụng phục vụ các ngành khoa học

Nếu có những nghiên cứu sâu về độ chính xác tư liệu ảnh vệ tinh trong công tác thành lập bản đồ HTSDĐ và mô hình tích hợp với GIS sẽ mang lại nhiều hiệu quả kinh tế trong công tác quản lý đất đai và đánh giá biến động đất Đồng thời đưa việc ứng dụng viễn thám vào thực tiễn nhằm đuổi kịp trình độ ứng dụng viễn thám ở khu vực và trên thế giới trong thời kỳ phát triển kinh tế của nước ta hiện nay

Nhu cầu tích hợp viễn thám và GIS trong xây dựng cơ sở dữ liệu là nhân

tố quan trọng có tính quyết định để đẩy mạnh ứng dụng và phát triển công

nghệ viễn thám và GIS vừa rút ngắn thời gian điều tra, đo đạc thu thập dữliệu vừa ứng dụng kỹ thuật mới trong công tác quản lý đất đai, thành lập bản đồ chuyên đề và nâng cao trình độ nhân lực tham gia điều khiển khai thác hệ thống viễn thám và GIS [19].

2.3 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS

2.3.1 Khái niệm về GIS

Ngày nay các quốc gia phát triển mạnh trên cơ sở các ngành khoa học phát triển mạnh mẽ, trong đó có nền tảng của ngành công nghệ thông tin

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) được định nghĩa tổng quát như là: “hệ thống các công cụ nền máy tính dùng thu thập, lưu trữ, truy cập và biến đổi phân tích và thể hiện dữ liệu liên quan đến vị trí trên bề mặt trái đất

và tích hợp các thông tin này vào quá trình lập quyết định”

GIS hiện đang chứng tỏ là một phương tiện hữu hiệu trong nhiều ngành khoa học và kinh tế, quản lý giám sát mọi hoạt động của con người nhằm phối hợp một số lĩnh vực khác để quản lý và khai thác tài nguyên thiên nhiên, làm chủ xã hội Các nước phát triển đã có những chính sách,

những dự án ứng dụng GIS trong mọi hoạt động của xã hội

Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS nhưng chúng đều có điểm giống nhau như: bao hàm khái niệm dữ liệu không gian phân biệt giữa hệ thông tin quản lý và GIS Về khía cạnh bản đồ học thì GIS bao gồm tất cả các thông tin và dữ liệu được khái quát để thể hiện thế giới thực và các hiện tượng đang diễn ra trong thế giới xung quanh ta

Theo quan niệm của nhiều tác giả, sự ra đời của GIS thực chất là sự kế thừa các ý tưởng trong ngành địa lý bản đồ Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển đủ mạnh GIS có khả năng thực thi được hầu hết các phép phân tích bản đồ bằng các phương pháp định lượng mới mà GIS tạo ra

Thuật ngữ GIS sử dụng rất thường xuyên trong nhiều lĩnh vực khác nhau như địa lý, kỹ thuật tin học, các hệ thống tích hợp sử dụng trong các ứng dụng môi trường, tài nguyên, trong khoa học về xử lý dữ liệu không gian,

… Năm thành phần quan trọng cấu thành GIS: phần cứng, phần mềm, dữliệu, ứng dụng và con người

Thông tin của GIS được đặc trưng bởi ba thành phần cơ bản: dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và thời gian

a Dữ liệu không gian

Là dữ liệu thể hiện vị trí của các đối tượng trên bề mặt trái đất theo một

hệ tọa độ tham chiếu thống nhất Hai mô hình dữ liệu thường được sử dụng trong GIS để thể hiện các đối tượng là:

- Mô hình dữ liệu vector: các đối tượng địa lý được biểu diễn dưới dạng điểm, đường, vùng và kèm theo các thuộc tính dùng mô tả đối tượng Tọa

độ tham khảo (x, y, z) hoặc tọa độ địa lý và các phép toán hình học về tọa

độ giúp xác định tọa độ các điểm trong hệ thống Đường được định nghĩa như là chuỗi các điểm và vùng được lưu trữ như là chuỗi các điểm với

điểm đầu và điểm cuối trùng nhau Để biểu diễn các dữ liệu vector hai loại cấu trúc dữ liệu thường được sử dụng là Spaghetti và Topology

- Mô hình dữ liệu Raster: hệ thống dữ liệu raster thể hiện vị trí các đối tượng dưới dạng ảnh Đó là một ma trận hay “các ô vuông” đều đặn được sắp xếp theo hàng và cột từ trái sang phải và từ trên xuống Mỗi vị trí được xác định chỉ số hàng và cột ở ngay ô đó

b Dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian) để mô tả tính chất của đối tượng Đối tượng địa lý có thể có nhiều thuộc tính tùy thuộc vào mức độ quan trọng của đối tượng Dữ liệu thuộc tính thường được phân loại vào một trong hai nhóm: dạng chữ hoặc dạng số

Trong GIS dữ liệu thuộc tính thường lưu trữ trong máy tính dưới dạng bảng, tách biệt với dữ liệu không gian Khi cần biểu diễn hoặc phân tích,

dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính được liên kết lại với nhau thông qua các trường thuộc tính chung

c Thời gian

Các đối tượng địa lý có thể thay đổi qua nhiều mốc thời gian (các thửa đất bị chia cắt do chuyển đổi quyền sử dụng, loại đất bị thay đổi do mục đích sử dụng, các đường mới được xây dựng, sự sạt lở,…) Yếu tố thời gian trong GIS đóng vai trò rất quan trọng để theo dõi sự biến động của đối tượng với đầy đủ ý nghĩa lịch sử của nó

2.3.2 Các chức năng của GIS

GIS gồm 4 chức năng chính: nhập dữ liệu, quản lý dữ liệu, phân tích dữ liệu và hiển thị dữ liệu

- Nhập dữ liệu: Nhập dữ liệu bao gồm tất cả các khía cạnh chuyển đổi dữ liệu dạng bản đồ, số liệu thu thập ở thực địa, dữ liệu viễn thám thành dữ liệu dạng số tương ứng Đây là bước căn bản để tạo cơ sở dữ liệu bản đồ cho GIS

- Quản lý dữ liệu (lưu trữ và quản lý): Chức năng lưu trữ và quản lý dữ liệu trong GIS liên quan đến tạo lập cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính

Dữ liệu thuộc tính thường được quản lý dưới dạng mô hình quan hệ; trong khi đó dữ liệu không gian được quản lý dưới dạng mô hình dữ liệu vector và raster Hai mô hình dữ liệu vector và raster có thể chuyển đổi qua lại với nhau tuỳ theo mục đích phân tích hay hiển thị của người sử dụng

Quản lý dữ liệu trong GIS đóng vai trò quan trọng trong việc truy cập cơ

sở dữ liệu phục vụ việc phân tích dữ liệu thông qua các thuật toán đã được thiết kế để sử dụng kết quả phân tích cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong thực tế

- Phân tích dữ liệu: Khác với các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu thông thường như: DBMS (Database Management system), CAD (Computer Aided Design), Corel Draw,… chức năng quan trọng của GIS là cho phép

thực hiện các phân tích dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính để trợ giúp cho quá trình lập quyết định

Để có thể thực hiện việc phân tích dữ liệu một cách hiệu quả đòi hỏi dữ liệu phải được lưu trữ, tổ chức, sắp xếp hợp lý, phân tích dữ liệu có thể được chia vào 4 nhóm chính:

+ Phân tích dữ liệu không gian

+ Phân tích dữ liệu thuộc tính

+ Phân tích kết hợp dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính

+ Định dạng xuất

2.3.3 Cấu trúc dữ liệu trong GIS

Dữ liệu không gian trong GIS được quản lý dưới dạng mô hình raster và vector Ngày nay hầu hết các phần mềm GIS đều có thể chuyển đổi hai dạng mô hình dữ liệu này với nhau

2.3.3.1 Dữ liệu raster

Dữ liệu raster được định nghĩa bằng cách chồng lưới ô lên các đối tượng địa lý Giá trị của ô là giá trị đo được hoặc ghi nhận được của đối tượng khi đối tượng lấp đầy ô Trường hợp đối tượng không chiếm đầy ô thì giá trị ô được ghi nhận theo các nguyên tắc sau:

- Chiếm đa số về diện tích

- Đối tượng tâm ô

- Đối tượng chạm ô (cho các đối tượng dạng tuyến)

- Theo trọng số (cho các đối tượng có đặc tính quí hiếm)

2.3.3.2 Dữ liệu vector

Trong mô hình dữ liệu vector các đối tượng địa lý được biểu diễn dưới dạng điểm, đường, vùng và kèm theo thuộc tính của nó Vị trí các đối tượng được lưu trữ theo một hệ tọa độ tham chiếu (X,Y) Hai loại cấu trúc dữ liệu thường được dùng cho mô hình dữ liệu này là:

- Cấu trúc dữ liệu Spaghetti:

Mỗi đối tượng địa lý được mô tả bằng cách sử dụng các thực thể hình họcđộc lập xác định bởi tọa độ và (hoặc) các phương trình thông số Mối quan hệ giữa các đối tượng không được mã hóa Hạn chế của cấu trúc này

là không có những thông tin Topology về các vùng, không biết quan hệ giữa các thực thể địa lý, do đó không hữu hiệu đối với hầu hết các dạng phân tích không gian Tuy nhiên, cấu trúc này khá hữu hiệu để tái sản xuất bản đồ số

- Cấu trúc dữ liệu Topology Cấu trúc dữ liệu Topology được sử dụng rộng rãi nhất nhằm giải quyết các vấn đề liên quan tới các mối quan hệ không gian của các đối tượng địa lý

Cấu trúc này gồm 3 thành phần Topology Các mối quan hệ của các đối tượng địa lý dựa trên 3 thành phần này

∗ Arc – note topology

+ Xác định mối quan hệ giữa các điểm bằng cách xác định những điểm nào thuộc về một đường

+ Xác định mối quan hệ giữa các đường (arcs hoặc lines) bằng cách xác định những đường nào nối với nhau để tạo thành mạng các tuyến đường

∗ Polygon – arc topology:

Xác định polygon bằng cách xác định những arc nào tạo thành ranh giới polygons

∗ Left – right topology

Xác định mối quan hệ giữa các polygon bằng cách định nghĩa From – node tới To – node lúc đó left polygon và right – polygon được xác định

Trong đó:

- Arc: chuỗi các điểm bắt đầu và kết thúc tại node

- Node:

+ Điểm giao nhau của hai hoặc nhiều arc

+ Điểm kết thúc của một arc

+ Điểm riêng biệt

- Polygon: chuỗi khép kín các arc thể hiện ranh giới các vùng 2.3.4 Khả năng phân tích thơng tin trong GIS

Một trong những ưu điểm nổi bật của các hệ thống GIS là khả năng phân tích và tích hợp dữ liệu của nĩ để giúp đưa ra những quyết định đúng đắn.GIS vừa cĩ thể phân tích dữ liệu khơng gian vừa phân tích dữ liệu thuộc tính

Phép phân tích dữ liệu khơng gian trong GIS sử dụng các thuật tốn để chuyển đổi định dạng dữ liệu, các phép chuyển đổi hình học dùng để gán tọa độ mặt đất vào lớp dữ liệu trong GIS GIS cịn cho phép ta chuyển đổigiữa các phép chiếu để lựa chọn phép chiếu thích hợp cho bản đồ chuyên

đề

Trong trường hợp do nhiều nguyên nhân khác nhau các lớp bản đồ cĩ các

vị trí địa vật khơng trùng khớp với nhau khi chồng lên nhau hay trong cơng tác tiếp biên bản đồ các địa vật cũng khơng thật sự trùng khít với nhau thì trong GIS các chức năng khớp đối tượng và ghép biên sẽ làm thỏa mãn các yêu cầu đặt ra

Ngồi ra, phép phân tích dữ liệu thuộc tính cũng dùng những thuật tốn

để truy cập, kiểm tra liên kết dữ liệu thơng qua các trường thuộc tính chung

Tùy theo mỗi phần mềm mà các thuật tốn dùng cho chức năng truy vấn thuộc tính khác nhau từ đơn giản đến phức tạp

Sức mạnh của GIS là khả năng phân tích tích hợp dữ liệu khơng gian và

dữ liệu thuộc tính cùng nhau Trên cơ sở đặc tính này phép phân tích GIS

cĩ thể thực hiện các chức năng chồng lớp, tìm kiếm lân cận, liên kết và rút số liệu phân loại – đo lường Chức năng chồng lớp các lớp thơng tin khác nhau giúp các nhà phân tích đánh giá định lượng tương quan giữa các yếu tố tham gia Nhiều hơn nữa, các chức năng liên kết, định dạng cĩ