tích hợp ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (gis) để xác định biến động đất đai giai đoạn 2010 2014 trên địa bàn quận hoàng mai, thành phố hà nội

Công nghệ viễn thám có những ưu việt cơ bản sau Nguyễn Thị Thu Hiền, 2014: - Độ phủ trùm không gian của tư liệu bao gồm các thông tin về tài nguyên, môi trường trên diện tích lớn của trá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

TRẦN TRỌNG KHÔI

TÍCH HỢP ẢNH VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐỂ XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI GIAI ĐOẠN 2010-2014 TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN HOÀNG MAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

TRẦN TRỌNG KHÔI

TÍCH HỢP ẢNH VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐỂ XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI GIAI ĐOẠN 2010-2014 TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN HOÀNG MAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ THỊ GIANG

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn đã chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Trần Trọng Khôi

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, những ý kiến đóng góp, chỉ bảo quý báu của các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Quản lý đất đai, trường Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam

Để có được kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi còn nhận được sự hướng dẫn chu đáo, tận tình của GVC.TS Lê Thị Giang là người hư-ớng dẫn trực tiếp tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài và viết luận văn

Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của UBND Quận Hoàng Mai, phòng Tài nguyên và Môi trường, ủy ban nhân dân các phường của quận, các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp, sự động viên, tạo mọi điều kiện của gia đình và người thân

Với tấm lòng biết ơn, tôi xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó !

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Trần Trọng Khôi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1.3 Phương pháp xử lý thông tin viễn thám 4

1.1.4 Ứng dụng công nghệ viễn thám 10

1.2 Tổng quan về Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 15

1.2.2 Các thành phần chính của GIS 16

1.2.3 Ứng dụng của Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 17

1.2.4 Giới thiệu các phần mềm được sử dụng nghiên cứu 17

1.3 Kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động đất đai 18

1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS ở

1.5.2 Yêu cầu về tư liệu để tạo ảnh biến động 26

1.5.3 Các phương pháp đánh giá biến động 26

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, ĐỊA ĐIỂM, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 31

2.1.1 Đánh giá điều kiện tự nhiên-kinh tế xã hội quận Hoàng Mai 31

2.1.2 Xây dựng bản đồ sử dụng đất năm 2010 và 2014 quận Hoàng Mai 31

2.1.3 Xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2010-2014 quận

2.1.4 Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của phương pháp tích hợp ảnh viễn

thám và Hệ thống thông tin địa lý xác định biến động đất đai 31

2.3.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 31

2.3.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 32

2.3.3 Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám bằng phần mềm ERDAS 32

2.3.4 Phương pháp sử dụng phần mềm ARCGIS 10 để chồng xếp bản đồ,

2.3.5 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 32

2.3.6 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu 33

2.3.7 Phương pháp minh hoạ trên bản đồ, biểu đồ 33

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội 34

3.1.3 Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội 39

3.1.4 Tình hình quản lý và sử dụng đất đai của quận giai đoạn 2010 -2014 41

3.2 Xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất quận Hoàng Mai năm 2010 và năm

3.4 Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2010 – 2014 60

3.5 Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của phương pháp tích hợp ảnh viễn thám và

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) để xác định biến động đất đai 63

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám 91.2 Bảng ma trận biến động giữa hai thời gian a và b 293.1 Các chỉ số khí hậu trung bình trong các tháng của quận Hoàng Mai 353.2 Cơ cấu sử dụng các loại đất chính năm 2014 41

3.6 Thống kê diện tích các loại hình lớp phủ 593.7 So sánh diện tích giải đoán và diện tích thông kê năm 2010 593.8 So sánh diện tích giải đoán và diện tích thống kê năm 2014 593.9 Biến động các loại đất giai đoạn 2010 - 2014 62

3.23 Thống kê tổng diện tích quận Hoàng Mai trên bản đồ lớp phủ năm

3.24 Bảng thuộc tính bản đồ biến động sử dụng đất quận Hoàng Mai 62

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là nguồn tài nguyên có hạn, là cơ sở không gian của mọi quá trình sản xuất Đất đai là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá của các quốc gia Trong quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa và dưới sức ép của gia tăng dân số thì việc sử dụng đất đai hiệu quả, hợp lý đã trở thành vấn đề sống còn của mỗi quốc gia, mỗi dân tộc

Để quản lý và sử dụng hiệu quả, bền vững tài nguyên đất đai thì việc xác định biến động đất đai có vai trò hết sức quan trọng Từ việc xác định được biến động đất đai trong một giai đoạn cụ thể người ta có thể nắm rõ cơ cấu các loại đất,

vị trí, diện tích các loại đất đồng thời xác định được sự chu chuyển giữa các loại đất

Từ đó giúp các cấp lãnh đạo có căn cứ khoa học để đưa ra chính sách phù hợp giúp cho việc quản lý đất đai đạt hiệu quả hơn, nâng cao mức sống cho người dân, tìm ra biện pháp giải quyết những vấn đề bất hợp lý trong sử dụng đất, nhằm mục đích sử dụng đất ngày càng đem lại hiệu quả cao hơn cả về kinh tế, xã hội và môi trường

Để nghiên cứu biến động sử dụng đất người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau như: số liệu thống kê hàng năm, số liệu kiêm

kê hoặc từ các cuộc điều tra Các phương pháp này có độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và kinh phí, đồng thời chúng không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất này sang loại đất khác và vị trí không gian của sự thay đổi đó

Sự phát triển của hệ thống thông tin địa lý (GIS) và ảnh viễn thám đã mở ra nhiều hướng ứng dụng trong nhiều ngành khoa học và quản lý Đặc biệt trong công tác nghiên cứu biến động đất đai, công nghệ này hỗ trợ đắc lực cho quản lý cơ sở dữ liệu, phân tích dữ liệu để lựa chọn các giải pháp quản lý, sử dụng bền vững và có hiệu quả tài nguyên đất đai Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất từ tư liệu viễn thám đa thời gian sẽ khắc phục được những nhược điểm trên Trong phạm vi đề tài , tôi tập trung nghiên cứu phương pháp tích hợp ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý để xác định biến động đất đai tại khu vực nghiên cứu

Hoàng Mai là một quận của thành phố Hà Nội được thành lập theo Nghị định

số 132/2003/NĐ-CP ngày 6 tháng 01 năm 2003 của Chính phủ gồm 14 phường với

vị trí địa lý thuận lợi, tốc độ đô thị hóa trên địa bàn quận Hoàng Mai đang diễn ra mạnh mẽ nên diện tích các loại đất có nhiều biến động Với tính cấp thiết phải xác định biến động đất đai, phục vụ cho công tác quản lý đất đai quận Hoàng Mai, tôi

tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tích hợp ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý

(GIS) để xác định biến động đất đai giai đoạn 2010-2014 trên địa bàn quận Hoàng Mai, thành phố Hà Nội”

2 Mục đích của đề tài

Xác định biến động đất đai giai đoạn 2010-2014 trên địa bàn quận Hoàng Mai bằng công nghệ viễn thám và GIS (Geography infomation system)

3 Yêu cầu của đề tài

- Nắm vững công nghệ giải đoán ảnh viễn thám, tích hợp tư liệu viễn thám

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Công nghệ viễn thám

1.1.1 Tổng quan về viễn thám

Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay

Từ những năm 60 của thế kỷ 20 với sự xuất hiện của vệ tinh nhân tạo đầu tiên thì kỹ thuật không gian đã có sự phát triển vượt bậc Vệ tinh là công cụ quan trọng trong nghiên cứu của khoa học hiện đại Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu Quan trắc trái đất và quan trắc không gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyển chuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển Rất nhiều những yếu tố, những

vị trí trong khí quyển và trên trái đất trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với vệ tinh khí tượng đều có thể thực hiện được Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều

số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ

Nước ta nhiều đồi núi, địa hình phức tạp (độ cao, độ dốc, hướng, khe suối thung lũng…) điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn diễn biến phức tạp Cùng với

sự ấm lên của khí hậu toàn cầu các hiện tượng thời tiết bất thường như hạn hạn, lũ lụt ngày càng gia tăng và mức độ gây tổn hại ngày càng lớn, nhiệt độ tăng cao kết hợp với hạn hán dẫn tới nguy cơ cháy rừng, sự phát sinh phát triển của sâu bệnh đối

với mùa màng ngày càng trầm trọng Vì vậy việc sử dụng các thông tin viễn thám tích hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cùng với các quan trắc thu được từ bề mặt sẽ đáp ứng khách quan và đa dạng các thông tin cần thiết phục vụ công tác nghiên cứu giám sát và dự báo khí tượng thuỷ văn, khí tượng nông nghiệp và môi trường mà đặc biệt là phục vụ cho công tác giám sát và cảnh báo tác hại của thiên tai để có các biện pháp phòng tránh và ứng cứu kịp thời

1.1.2 Khái niệm viễn thám

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

tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Hay hiểu đơn giản viễn thám là sự thu thập và phân tích thông tin về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến đối tượng 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

1.1.3 Phương pháp xử lý thông tin viễn thám

1.1.3.1 Các phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình chiết tách thông tin định tính cũng như định lượng từ ảnh như hình dạng, vị trí, cấu trúc, đặc điểm, chất lượng, điều kiện…Mối quan hệ tương hỗ giữa các đối tượng dựa trên tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của người giải đoán ảnh Việc tách thông tin trong viễn thám có thể chia thành 5 loại, cụ thể:

- Phân loại đa phổ: là quá trình tách gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian của đối tượng

- Phát hiện biến động: là phát hiện và tách các biến động dựa trên tư liệu ảnh

đa thời gian (ví dụ: xác định biến động thổ nhưỡng)

- Chiết tách các thông tin tự nhiên: tương ứng với việc đo nhiệt độ, trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ

- Xác định các chỉ số: là việc tính toán các chỉ số mới (ví dụ: chỉ số thực vật, chỉ số ô nhiễm)

- Xác định các đối tượng đặc biệt: là xác định các đặc tính hoặc các hiện tượng

đặc biệt như thiên tai, cháy rừng, chỉ ra các đường đứt gãy, đặc điểm khảo cổ…

Hiện nay có 2 phương pháp giải đoán ảnh viễn thám là phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt và phương pháp giải đoán ảnh bằng công nghệ xử lý số (Bảo Huy, 2012)

1.1.3.2 Giải đoán ảnh bằng mắt

Giải đoán ảnh là quá trình tách thông tin định tính cũng như định lượng từ ảnh viễn thám tạo ra bản đồ chuyên đề dựa trên 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) Giải đoán ảnh bằng mắt là phương pháp chủ yếu dựa vào sự phân biệt của mắt người hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các dụng cụ quang học (Trần Quốc Vinh, Lê Thị Giang, 2006) Đây là phương pháp nhận biết chủ yếu mang tính chất định tính Mặc dù khả năng nhận biết của phương pháp là định tính nhưng tùy thuộc rất lớn vào kinh nghiệm nhận biết cảu người xử lý cũng như công cụ nhận biết thông tin.Tùy thuộc theo các tính năng của công cụ xử lý (Kính lập thể, bàn sang, máy tổ hợp màu, thiết bị Zoom transpersope và pantograph, máy đo diện tích ) mà tiến trình của phương pháp này có khác nhau Và việc giải đoán ảnh tương tự (giải đoán ảnh bằng mắt) được tiến hành theo quy trình như sau:

a) Đọc ảnh: Đọc ảnh có liên quan đến việc nghiên cứu các đặc tính của các

sự vật thấy được trên ảnh một cách rõ ràng tùy theo mục đích của người giải đoán, kinh nghiệm giải đoán và kiến thức về khu vực đang giải đoán Đây là một khâu rất quan trọng, nó sẽ giúp cho người giải đoán nhận diện các đặc tính cần nghiên cứu một cách dễ dàng và từ đây xây dựng chìa khóa giải đoán của loạt bộ ảnh

b) Phân tích ảnh: Trong bước này, người giải đoán sẽ chọn những đặc tính nào quan trọng cần chú ý để đi sâu vào giải đoán và khai thác Những đặc tính quan trọng đó thay đổi tùy theo từng lĩnh vực khoa học, mục đích phục vụ… như: nhà địa chất thường chọn độ dốc và lớp phủ của đất, đá; nhà nghiên cứu về thực vật thì lại

lý thú đến loại thực vật, sự phân bố cũng như hiện trạng sử dụng đất cho các loại cây trồng… cũng ở bước này, bản chú dẫn chi tiết cũng được xây dựng, việc khoanh contour sau đó sẽ được dựa trên các đặc tính đã được xây dựng trên bảng

chú dẫn

c) Phân loại: Sau khi đã xây dựng bảng chú dẫn cùng các contour trên toàn vùng giải đoán, dựa trên cơ sở của các đặc tính trên bản chú dẫn, người giải đoán tiến hành phân loại và xếp hạng cho từng contour khác nhau Xác định các contour

có các đặc tính tương tự nhau Tùy theo từng ngành khác nhau mà việc phân loại sẽ được thực hiện để sao cho được nhiều chi tiết chừng nào tốt chừng đó

d) Suy đoán: Sau khi phân loại và tách ra thành các nhóm riêng biệt, tiến hành suy đoán ra các tên chuyên môn tùy theo ngành đã đưa đến việc đặc tên theo giả thuyết Việc suy đoán này được dựa trên các đặc tính trong ảnh kết hợp với kinh nghiệm và các tư liệu thu nhập được từ các nghiên cứu trước Đây là giải đoán quan trọng để giúp cho việc khảo sát thực tế ngoài đồng có định hướng

Để trợ giúp cho công tác đoán đọc người ta thành lập các mẫu đoán đọc Tất

cả các chuẩn đoán đọc cùng với các thông tin về thời gian chụp, mùa chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào mẫu đoán đọc Một bộ mẫu đoán đọc không chỉ gồm phần ảnh

mà còn mô tả bằng lời

1.1.3.3 Giải đoán ảnh bằng công nghệ xử lý số

Xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh số (digital image) chứ không phải dạng ảnh tương tự (analogue) (Trần Quốc Vinh, Lê Thị Giang, 2006) Ưu điểm của phương pháp là có thể phân tích các tín hiệu phổ một cách rất chi tiết (256 mức hoặc hơn) Phương pháp với sự trợ giúp của máy tính

và các phần mềm chuyên dụng có thể tách chiết rất nhiều thông tin phổ của đối tượng, từ đó nhận biết các đối tượng một cách tự động (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) Tuy nhiên, quá trình xử lý ảnh số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn kiến thức chuyên môn với hiểu biết về đối tượng của người phân tích

Các tư liệu thu được trong viễn thám phần lớn là ở dưới dạng số cho nên vấn

đề đoán đọc điều vẽ ảnh bằng xử lý số trong viễn thám giữ một vai trò quan trọng

và trở thành phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại Phương pháp giải đoán ảnh bằng công nghệ số bao gồm các bước sau:

- Nhập số liệu: Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy

chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp Trong trường hợp ảnh số

thì tư liệu ảnh được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT và các băng từ CCT Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu Các ảnh tương tự cũng được chuyển thành dạng số thông qua các máy quét

- Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được

hiệu chỉnh hệ thống 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 Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống, nó bao gồm các bước sau :

+ Hiệu chỉnh bức xạ: Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu một

mức độ nhiễu xạ nhất định Nhằm loại trừ các nhiễu kiểu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) Khi thu các bức xạ từ mặt đất trên các vật mang trong vũ trụ, người ta thấy chúng có một số sự khác biệt so với trường hợp quan sát cùng đối tượng đó ở khoảng cách gần Điều này chứng tỏ ở những khoảng cách xa như vậy tồn tại một lượng nhiễu nhất định gây bởi ảnh hưởng của góc nghiêng và độ cao mặt trời, một số điều kiện quang học khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, độ mù Chính vì vậy, để bảo đảm được sự tương đồng nhất định về mặt bức xạ cần thiết phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ

+ Hiệu chỉnh khí quyển: Bức xạ mặt trời trên đường truyền xuống mặt đất bị

hấp thụ, tán xạ một lượng nhất định trước khi tới được mặt đất và bức xạ phản xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới được bộ cảm Do vậy, bức xạ mà

bộ cảm thu được chứa đựng không phải chỉ riêng năng lượng hữu ích mà còn nhiều thành phần nhiễu khác Hiệu chỉnh khí quyển là một công đoạn 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 được hiểu như sự sai lệch vị trí

giữa tọa độ ảnh thực tế đo được và tọa độ ảnh lý tưởng được tạo bởi một bộ cảm có thiết kế hình học lý tưởng và trong các điều kiện thu nhận lý tưởng Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng được mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnh đo và hệ toạ độ quy chiếu chuẩn Hệ toạ độ quy chiếu chuẩn có thể là hệ toạ độ mặt đất (hệ tọa độ vuông góc hoặc hệ tọa độ địa lý) hoặc hệ toạ độ ảnh khác

- Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý, tăng cường chất lượng, biến đổi tuyến

tính là giai đoạn tiếp theo Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính nhỏ và bao gồm các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến đổi tuyến tính

+ Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách đặc tính

Tăng cường chất lượng có thể được định nghĩa như một thao tác chuyển đổi nhằm thể hiện ảnh với cường độ, độ tương phản phù hợp với thiết bị hiển thị ảnh Chiết tách đặc tính là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đưa ra dưới dạng các hàm số (Phạm Vọng Thành, 2001)

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

Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, một trong những ưu điểm 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 đỏ, lục, chàm cho ba kênh phổ nào đó Có hai phương pháp trộn màu

đó là cộng màu và trừ màu

Nếu ta chia toàn bộ dải sóng nhìn thấy thành 3 vùng cơ bản là đỏ, lục, chàm

và sau đó lại dùng ánh sáng trắng chiếu qua kính lọc đỏ, lục, chàm tương ứng ta thấy hầu hết các mầu tự nhiên đều được khôi phục lại Phương pháp tổ hợp màu này được gọi là tổ hợp mầu tự nhiên

Trong viễn thám, các kênh phổ không được chia đều trong dải sóng nhìn thấy nên không thể tái tạo lại được các mầu tự nhiên mặc dù cũng sử dụng ba mầu cơ bản đỏ, lục, chàm Tổ hợp màu như vậy gọi là tổ hợp màu giả Tổ hợp mầu giả thông dụng nhất trong viễn thám là khi ta gán màu đỏ cho kênh hồng ngoại, màu lục cho kênh đỏ, màu chàm cho kênh lục Trong tổ hợp màu này, thực vật có màu

đỏ (với mức độ khác nhau của mầu đỏ thể hiện mức độ dày đặc của thảm thực vật), đất trống thường có cường độ rất cao nên có màu trắng, nước có màu xanh là tổ hợp của hai màu chàm và màu lục

- Phân loại đa phổ: Nhằm tách các thông tin cần thiết phục vụ theo dõi

các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác tư liệu viễn thám

Mục đích của quá trình phân loại là tự động phân loại tất cả các pixel trong ảnh thành các lớp phủ đối tượng Có hai phương pháp phân loại cơ bản là phân loại không kiểm định và phân loại có kiểm định (Phạm Vọng Thành, 2001)

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

+ Trong phân loại không kiểm định không sử dụng dữ liệu mẫu làm cơ sở để phân loại mà dùng các thuật toán để xem xét các pixel chưa biết trên một ảnh và kết hợp chúng thành một số loại dựa trên các nhóm tự nhiên hoặc các loại tự nhiên có trên ảnh

- Xuất kết quả: Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả Ở

đây, ranh giới giữa viễn thám, bản đồ máy tính, làm bản đồ số và hệ thống thông tin địa lý bị xoá nhoà Có thể lựa chọn một cách không hạn chế các sản phẩm đầu ra

Ba dạng tổng quát thường được sử dụng: các sản phẩm bản đồ đồ hoạ, các dữ liệu đưa ra bằng bảng, các file thông tin bằng số

1.1.3.4 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

Bảng 1.1 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

- Có thể phân tích được các thông tin phân bố không gian

- Kết quả xử lý được chuẩn hoá

- Chiết xuất được các đặc tính vật

- Rất khó ứng dụng kinh nghiệm của người điều vẽ

- Chiết xuất ít thông tin về bối

1.1.4.1 Nghiên cứu và quản lý tài nguyên thực vật, rừng

Từ năm 1972, khi vệ tinh Landsat được phóng lên quỹ đạo, ảnh số được thu theo quy trình tự động và ổn định Nhiều trạm thu ảnh vệ tinh được xây dựng ở nhiều nơi trên thế giới và ảnh vệ tinh của bất kỳ một nơi nào cũng được thu ở nhiều trạm mặt đất, phân bố đều trên thế giới mở giai đoạn mới được gọi là giai đoạn “bầu trời mở” Tiếp sau đó là các vệ tinh của SPOT, IRS (ấn Độ), JERS (Nhật) và đến nay là các vệ tinh có độ phân giải siêu cao, đa giải phổ đã mở ra nhiều ứng dụng mới một cách hoàn chỉnh

Viễn thám được áp dụng đầu tiên ở Viện Điều tra quy hoạch rừng với tư liệu ảnh máy bay Hệ thống mẫu giải đoán đơn giản được xây dựng cho từng loại rừng theo kiểu chụp ảnh, kiểu tán lá,… Các bản đồ về tài nguyên rừng, sinh khối rừng đã được thành lập Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn cầu nghiên cứu thực phủ

theo ngày, vụ, mùa vụ, năm, tháng và theo giai đoạn; Điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng Thực vật là đối tượng đầu tiên mà ảnh viễn thám vệ tinh thu nhận được thông tin Trên ảnh viễn thám chúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trưởng thành và sâu bệnh dựa trên chỉ

số thực vật, nghiên cứu cháy rừng qua ảnh vệ tinh

Từ năm 1978, ảnh vệ tinh được đưa vào Việt Nam thì ngành Lâm nghiệp là một trong những cơ sở áp dụng đầu tiên trong chương trình quốc gia về nghiên cứu không gian và đề án tài trợ của Thụy Điển Hệ thống máy điều vẽ tổng hợp màu và các tư liệu Landsat được phân tích giải đoán, xây dựng bản đồ rừng trong phạm vi toàn quốc và cấp tỉnh

1.1.4.2 Giám sát tài nguyên thiên nhiên

Hiện nay công nghệ viễn thám tuy mới phát triển nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các nước phát triển Công nghệ viễn thám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm

vi toàn cầu Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây

là lý do dẫn đến tính phổ cập của công nghệ này Viễn thám là khoa học thu nhận,

xử lý và suy giải các hình ảnh thu nhận từ trên không của trái đất để nhận biết được các thông tin về đối tượng trên bề mặt trái đất mà không cần tiếp xúc nó Như vậy, viễn thám là phương pháp thu nhận thông tin khách quan về bề mặt trái đất và các hiện tượng trong khí quyển nhờ các máy thu (sensor) được đặt trên máy bay, vệ tinh nhân tạo, tầu vũ trụ hoặc đặt trên các trạm quỹ đạo Công nghệ viễn thám có những

ưu việt cơ bản sau (Nguyễn Thị Thu Hiền, 2014):

- Độ phủ trùm không gian của tư liệu bao gồm các thông tin về tài nguyên, môi trường trên diện tích lớn của trái đất gồm cả những khu vực rất khó đến được như rừng nguyên sinh, đầm lầy và hải đảo;

- Có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên, môi trường trái đất do chu

kỳ quan trắc lặp và liên tục trên cùng một đối tượng trên mặt đất của các máy thu viễn thám Khả năng này cho phép công nghệ viễn thám ghi lại được các biến đổi của tài nguyên, môi truờng giúp công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên thiên nhiên

và môi trường;

- Sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng (ghi nhận đối tượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám được ứng dụng cho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ của trái đất;

Hình 1.1 Mầu nước biển phân tích từ ảnh MERIS

Hình 1.2 Nhiệt độ nước biển phân tích từ ảnh NOAA

- Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là dữ liệu cơ bản cho việc thành lập và hiện chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và hệ thống CSDL địa lý quốc gia

Với những ưu điểm trên, công nghệ viễn thám đang trở thành công nghệ chủ

đạo cho quản lý, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi truờng ở nước ta hiện nay

1.1.4.3 Nghiên cứu môi trường

Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, công nghệ viễn thám được coi như một công cụ quan trắc hữu ích nhằm theo dõi những biến động của môi trường theo thời gian, phát hiện kịp thời những ảnh hưởng bất lợi của các hiện tượng thiên nhiên và tác động của con người lên sự phát triển bền vững Những hiện tượng thiên nhiên thường được quan trắc là theo dõi những diễn biến lũ lụt và đánh giá tác động của chúng, đồng thời đề xuất các biện pháp dự báo và phòng tránh hiệu quả; theo dõi hiện tượng cháy rừng và các dạng mất rừng, thái hóa rừng Quan trắc đánh giá những tai biến môi trường như sạt lở đất, hoặc xói mòn đất, thoái hóa đất, thoái hóa rừng Ngoài những hiện tượng biến đổi trong thiên nhiên có tính chất toàn cầu, trên diện rộng như suy giảm diện tích rừng, sa mạc hóa, thay đổi bề mặt nhiệt độ nước biển, một số hiện tượng ô nhiễm có tính chất liên lục địa cũng được quan trắc và xử lý bằng công nghệ viễn thám

Việc tích hợp tư liệu viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường mang ý nghĩa to lớn bởi nhiều ưu điểm như giàu thông tin, chu kỳ thu nhận thông tin ngắn, xử lý thông tin trên diện rộng, không phụ thuộc vào tình hình kinh tế-xã hội trên mặt đất Đây là công cụ hữu hiệu giúp cho việc nghiên cứu, điều tra tài nguyên và nắm bắt thông tin nhanh chóng, đồng bộ trên diện rộng

Dữ liệu viễn thám khi tích hợp với GIS sẽ là nguồn tư liệu khách quan mang tính kế thừa và đổi mới liên tục trong bản đồ số, thực sự trở thành công cụ hiệu quả trong nghiên cứu sự biến động của các thành phần tài nguyên-môi trường trên bề mặt đất và là tư liệu đáng tin cậy cho các nhà chuyên môn tham khảo trong nhiều lĩnh vực

Tiêu biểu nhất là ứng dụng công nghệ viễn thám- GIS để đánh giá tác động môi trường lưu vực sông sông Cầu, qua đó đã xây dựng được cơ sở dữ liệu

về hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ mặt đất lưu vực sông này, có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng đối với vấn đề quy hoạch và quản lý môi trường lưu vực sông Cầu của 6 tỉnh phía Bắc gồm Bắc Ninh, Bắc Giang, Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh

Phúc và Hải Dương

1.1.4.4 Sử dụng tư liệu viễn thám để thành lập bản đồ

Trong công tác quản lý đất đai, bản đồ hiện trạng sử dụng đất và các loại bản

đồ chuyên đề là tài liệu rất quan trọng để quản lý, thiết kế, quy hoạch sử dụng đất và nghiên cứu khoa học Hiện nay, có nhiều phương pháp thành lập bản đồ hiện trạng

sử dụng đất, trong đó phương pháp giải đoán ảnh viễn thám kết hợp với công nghệ GIS được xem là có hiệu quả cao trong xử lý thông tin, giảm sát quá trình thay đổi, cập nhật thông tin, thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và đánh giá biến động sử dụng đất

Một số khả năng sử dụng các tư liệu ảnh vệ tinh phổ biến trong công tác thành lập bản đồ như:

- Tư liệu ảnh Landsat MSS: được sử dụng để tạo ra các sản phẩm bản đồ ảnh, một số loại bản đồ chuyên đề, cập nhật và hiệu chỉnh các loại bản đồ cảnh quan, bản đồ bay, bản đồ địa hình và đồng thời biên vẽ lược đồ nông sâu của biển bởi vì vệ tinh Landsat có thể cung cấp lượng thông tin vô cùng phong phú bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắn Tư liệu MSS trở thành nguồn dữ liệu mới cho các mục đích thành lập bản đồ (Đình Thảo, 2010)

- Tư liệu ảnh Landsat TM, Spot và Mapsat:

+ Ảnh Landsat TM có độ phân giải cao, độ chính xác mặt bằng hình ảnh sau khi xử lý có thể đáp ứng công tác thành lập hoặc hiệu chỉnh bản đồ tỷ lệ 1/25.000 đến 1/50.000

+ Ảnh Spot có thể sử dụng để thành lập các loại bản đồ tỷ lệ đến 1/25.000 với khoảng cao đều 20-25m

+ Ảnh đa phổ Mapsat của Mỹ: có thể dùng để thành lập bản đồ tỷ lệ 1/50.000 (mô hình số độ cao) với khoảng cao đều 20m Độ phân giải mặt đất là 10m đối với ảnh toàn sắc và 30m đối với ảnh đa phổ

+ Ảnh Radar: có khả năng thể hiện các thông tin về địa hình, địa chất, thực vật và lớp đất mỏng Ở những vùng khô, radar có thể xuyên qua bề mặt trái đất đến một độ sâu nào đó Điều này rất quan trọng cho việc nghiên cứu nước ngầm và mỏ

Tư liệu ảnh này được dùng để thành lập bản đồ từ rất sớm Năm 1968, ảnh radar đã

được sử dụng để xây dựng bản đồ tỷ lệ 1/1000.000 ở Panama đã gây một chú ý lớn trong lĩnh vực Trắc địa - bản đồ Vì vùng này bị mây che phủ quanh năm nên tất cả các dạng chụp ảnh khác ở vùng này đều không thực hiện được Tiếp sau đó ảnh radar được sử dụng thành lập bản đồ vùng Nam Mỹ và thu được những thành tựu rất lớn Các sản phẩm bản đồ được thành lập từ ảnh Radar ở tỷ lệ 1/250.000 được sử dụng phổ biến trong thực tế cho nên tư liệu ảnh Radar được xem là những tư liệu bổ sung cho việc thành lập bản đồ tỷ lệ nhỏ và trung bình

1.2 Tổng quan về Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

1.2.1 Khái niệm về GIS

Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS, về cơ bản ta có thể hiểu Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tập các công cụ để thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến đổi

và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện mục đích

cụ thể Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua:

• Vị trí địa lý của đối tượng thông qua một hệ toạ độ

• Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí

• Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topo)

GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ

- Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể

- Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS

- Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý

- Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia

Định nghĩa tổng quát theo BURROUGHT thì: “GIS như là một tập hợp các

công cụ cho việc thu thập, lưu trữ, thể hiện và chuyển đổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực để giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ các mục đích cụ thể”

1.2.2 Các thành phần chính của GIS

Một hệ thống thông tin địa lý được kết hợp bới 5 thành phần chính là:

Phần cứng-Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng

thực hiện các chức năng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và xử lý thông tin của phần mềm (Trần Thị Băng Tâm, Lê Thị Giang, 2003) Hệ thống này gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer) được liên kết với nhau trong mạng LAN hay Internet

Phần mềm: Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phần mềm có tối thiểu 4 nhóm chức năng sau đây:

- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau

- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính

- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian

- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau

Phần mềm được phân thành ba lớp: hệ điều hành, các chương trình tiện ích

đặc biệt và các chương trình ứng dụng

Cơ sở dữ liệu- GIS phải bao gồm một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin

không gian (thông tin địa lý: cặp tọa độ x,y trong hệ tọa độ phẳng hoặc địa lý) và các thông tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định Thời gian được mô tả như một kiểu thuộc tính đặc biệt Quan hệ được biểu diễn thông qua thông tin không gian và/hoặc thuộc tính (hình 1)

Người sử dụng- Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham

gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng của GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống

hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc

Phương pháp- Mỗi dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và

người sử dụng hệ thống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý và công nghệ GIS

1.2.3 Ứng dụng của Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Ngày nay, GIS là một công cụ trợ giúp quyết định sự thành công trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có khả năng đánh giá hiện trạng của quá trình, các thực thể của tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ

sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào Do đó, việc ứng dụng hệ thống thông tin địa lý là rất cần thiết, phù hợp với xu thế tin học hóa xã hội và yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của tất cả các quốc gia

Nhờ những khả năng phân tích và xử lý đa dạng, kỹ thuật GIS hiện nay được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, được xem là “công cụ hỗ trợ quyết định”

là trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường GIS được ứng dụng để quản

lý các tài nguyên như:

vụ cho đề tài

1.2.4.2 Phần mềm ARCGIS DESKTOP 10

Đây là phần mềm tổng thể hoàn chỉnh có khả năng khai thác hết các chức năng của GIS nhờ các công cụ rất mạnh mẽ để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin

và xuất bản tạo nên một hệ thống thông tin địa lý hoàn chỉnh có khả năng:

- Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính )

- Cho phép sử dụng nhiều loại định dạng dữ liệu khác nhau thậm chí các những dữ liệu lấy từ internet

- Truy vẫn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính

- Thành lập các bản đồ chuyên đề và các bản in có chât lượng trình bày chuyên nghiệp

ARCGIS Desktop là một bộ phần mềm ứng dụng bao gồm: ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe

1.3 Kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động đất đai

Biến động sử dụng đất và sự thay đổi lớp phủ thực vật là vấn đề quan trọng trong một loạt các vấn đề nghiên cứu về biến đổi môi trường toàn cầu

Để nghiên cứu biến động sử dụng đất người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau như: số liệu thống kê hàng năm, số liệu kiêm

kê hoặc từ các cuộc điều tra Các phương pháp này có độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và kinh phí, đồng thời chúng không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất này sang loại đất khác và vị trí không gian của sự thay đổi đó

Sự phát triển của hệ thống thông tin địa lý (GIS) và ảnh viễn thám đã mở ra nhiều hướng ứng dụng trong nhiều ngành khoa học và quản lý Đặc biệt trong công tác nghiên cứu biến động đất đai, công nghệ này hỗ trợ đắc lực cho quản lý cơ sở dữ liệu, phân tích dữ liệu để lựa chọn các giải pháp quản lý, sử dụng bền vững và có hiệu quả tài nguyên đất đai Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất từ tư liệu viễn thám đa thời gian sẽ khắc phục được những nhược điểm trên

Hiệu quả của ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám là:

- Giảm chi phí thời gian, lao động

- Số liệu chính xác

- Dữ liệu được quản lý, lưu giữ ở trạng thái động

- Có thể áp dụng ở bất kỳ quy mô nào

- Tạo cơ hội cho việc phân tích, tạo ra kiến thức, giải pháp mới trên cơ sở nền dữ liệu gắn với thuộc tính thông tin địa lý

Việc nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động sử dụng đất đã được thực hiện ở nhiều quốc gia Trong đó phương pháp được sử dụng hiệu quả nhất là kết hợp tư liệu ảnh viễn thám và GIS:

* Hy Lạp

Ở Hy Lạp, việc thành lập bản đồ biến động lớp phủ và bản đồ biến động sử dụng đất tỷ lệ lớn từ tư liệu ảnh viễn thám đã được nghiên cứu thực nghiệm trên khu vực đảo Lesvos thuộc vùng biển Địa Trung Hải Khu vực nghiên cứu rộng 163.000ha, tư liệu ảnh thu thập được gồm 6 thời điểm kéo dài trong 27 năm Gồm ảnh Landsat MSS 1975, TM 1987, TM 1995, TM 1999, ETM 2000, ETM 2001 Các ảnh vệ tinh được phân loại độc lập theo phương pháp xác suất cực đại dựa trên các vùng mẫu được lựa chọn từ số liệu mặt đất, từ ảnh hàng không và ảnh

vệ tinh độ phân giải cao như Ikonos, Quickbird

Dữ liệu ảnh sau phân loại được xử lý dựa trên mạng xác suất điều kiện gồm các nút thể hiện sự thay đổi ngẫu nhiên và các cạnh thể hiện sự phụ thuộc vào các điều kiện giả định Sau đó sử dụng phương pháp so sánh để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất ở các thời điểm từ mạng đó Khi đó độ chính xác của bản đồ biến động sử dụng đất phụ thuộc vào độ chính xác của ảnh sau nắn chỉnh, độ chính xác phân loại và độ chính xác của bản đồ biến động sử dụng đất

* Malaysia

Ở Malaysia, để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất của huyện Rawang tỉnh Selangor, Trung tâm viễn thám Kalaysian đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat TM chụp năm 1988 và năm 1995 trên khu vực nghiên cứu rộng 441km2

Ảnh chụp năm 1988 được nắn chỉnh hình học theo bản đồ địa hình, sau đó ảnh chụp năm 1995 được nắn theo ảnh năm 1988 theo phương pháp nắn ảnh về ảnh với sai số trung phương nhỏ hơn 0,5 pixel (Mariamni Halid, 2012)

Sử dụng tất cả các kênh để tổ hợp màu giả Dùng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian và thành lập bản đồ lớp phủ Để tìm ra thông tin về sử dụng đất

từ các lớp phủ, tác giả đã kết hợp với dữ liệu bản đồ và các tri thức cơ sở sau đó biểu diễn chúng theo đúng quy phạm Cuối cùng kết hợp bản đồ hiện trạng sử dụng đất, các hiểu biết về lớp phủ thực vật để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất

* Thái Lan

Để nghiên cứu ảnh hưởng của các hoạt động con người đến sự thay đổi sử dụng đất và lớp phủ thực vật, các nhà nghiên cứu đã chọn thực nghiệm 5 vùng nghiên cứu trên toàn bộ lãnh thổ phía Bắc (huyện Mae Chaem thành phố Chiang Mai), phía Tây (Kanchanaburi), phía Nam (The Ao Sawi Area), phía Đông (The Eastern Sea Board) phía Đông Bắc (Phusithan, Sakol Nakorn-Nakorn Phanom) (Brandon R, Bottomley, B, A, 1998)

Tư liệu nghiên cứu là ảnh vệ tinh Landsat năm 1990, 1999 Phương pháp nghiên cứu là phương pháp được sử dụng rộng rãi Đầu tiên tiến hành phân loại độc lập hai ảnh vệ tinh sau đó sử dụng chức năng phân tích không gian của GIS để tính toán biến động và thành lập bản đồ biến động

* Belarus

Quá trình đô thị hóa dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng của lớp phủ thực vật và

sử dụng đất Để xác định thay đổi sử dụng đất đô thị và vùng ngoại ô của hai thành phố Polost và Novopolost, người ta đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh SPOT

Tư liệu viễn thám của khu vực nghiên cứu là ảnh SPOT 3 chụp ngày 24/6/1994 độ phân giải 20m (kênh toàn sắc 10m) và ảnh SPOT 5 chụp ngày 19/6/2002 độ phân giải 10m Các ảnh được nắn chỉnh hình học về lưới chiếu UTM-

84 Các kết quả phân tích thực hiện bằng phần mềm PCI Geomatic

Nghiên cứu được thực hiện theo hai phương pháp đó là phương pháp phân loại ảnh đa thời gian và phương pháp so sánh sau phân loại

Ảnh đa thời gian năm 1999-2002 được tạo ra trên 3 kênh ảnh XS1, XS2, XS3 Ảnh năm 2002 được tái chia mẫu theo phương pháp người láng giếng gần nhất để có cùng độ phân giải với ảnh năm 1994 (Maryna Rymasheukaya, 2010) Và dùng phép biến đổi Histogram để chuyển từ hệ RGB sang hệ HIS Phương pháp này không cần hiệu chỉnh khí quyển nhưng cần thận trọng trong quá trình lựa chọn vùng biến động và không biến động

Đối với phương pháp so sánh sau phân loại tác giả đã phân loại bằng nhiều phương pháp khác nhau để chọn ra phương pháp có độ chính xác cao nhất như phân loại không kiểm định, phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại, phương pháp sử

dụng trí tuệ nhân tạo

Kết quả thực nghiệm đạt được như sau (Maryna Rymasheukaya, 2010):

- Phương pháp thứ nhất: Có ba ảnh khác nhau được tạo ra từ ba kênh ảnh, tuy nhiên bản đồ biến động cuối cùng được tạo ra từ hai kênh XS1 và XS2 Ảnh của kênh XS3 tương tự như kênh XS2 Giá trị của các pixel biến động được thể hiện ở biên của biểu đồ phân bố, giá trị pixel không thay đổi dao động xung quanh giá trị trung bình Độ chính xác của lớp thay đổi tương đối thấp chỉ đạt 64,3%, độ chính xác vùng không thay đổi đạt 94,8%, độ chính xác toàn bộ 85,8%, hệ số Kappa 0,63

- Phương pháp thứ hai: Ba phương pháp phân loại được thực hiện trên ảnh

1994 và 2002, độ chính xác toàn bộ từ 75% đến 86,3% Phương pháp phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại và phương pháp trí tuệ nhân tạo đạt độ chính xác từ 83,1% đến 86,3% Tuy nhiên, ma trận sai số được tạo ra cho thấy kết quả độ chính xác toàn bộ của bản đồ biến động tương ứng là 71% và 69%, thấp hơn so với phương pháp phân loại trực tiếp từ ảnh đa thời gian

Sự nhầm lẫn giữa các lớp phân loại như đất nông nghiệp và đất trồng cỏ, đất xây dựng và đất giao thông là nguyên nhân dẫn đến sai sót trong kết quả phân loại,

do đó ảnh hưởng đến kết quả biến động

Như vậy, việc vận dụng GIS và viễn thám sẽ hỗ trợ rất lớn cho nhiều đối tượng trong đó có nhà quản lý, nhà khoa học và người sử dụng Đối với nhà quản lý

sẽ hỗ trợ công tác quy hoạch và ra các chính sách; đối với nhà khoa học, nghiên cứu

hỗ trợ phân tích các vấn đề có tính hệ thống cao; đối với người sử dụng sẽ được cung cấp thông tin cụ thể, chính xác, đầy đủ và cập nhật thường xuyên, được cung cấp các giải pháp để lựa chọn trong quản lý và sử dụng tài nguyên

1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS ở Việt Nam

Từ thập kỷ 50 của thế kỷ XX (vệ tinh nhân tạo đầu tiên được phóng lên quỹ đạo) đến nay trong không gian đang tồn tại hàng trăm vệ tinh khác nhau của các quốc gia Khả năng khai thác vệ tinh là vô cùng to lớn, từ mục đích quân sự đến viễn thông, thương mại, phát triển kinh tế Đặc biệt là những bức ảnh do vệ tinh chụp giúp con người điều tra tài nguyên thiên nhiên, giám sát được sự biến động

của thời tiết, thiên nhiên, môi trường…Sự biến động khác thường của tự nhiên trong những năm qua đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển và ứng dụng các công nghệ hiện đại trên thế giới nhằm dự báo sớm nhất những thảm họa có thể xảy ra do

sự biến động tiêu cực của thiên nhiên Việt Nam - đất nước đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng cho nên việc giám sát biến động phức tạp về tài nguyên, môi trường ngày càng vô cùng quan trọng đặc biệt là với sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý Trước nhu cầu cấp bách của thực tế Chính phủ Việt Nam và Chính phủ Pháp đã ký một nghị định thư tài chính để thực hiện đề tài

“Xây dựng hệ thống giám sát tài nguyên và môi trường tại Việt Nam” Mục tiêu của

dự án là xây dựng một hệ thống công nghệ viễn thám - hệ thống thông tin địa lý đủ mức hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam trong giai đoạn 10 năm trước mắt, có khả năng cung cấp cho giai đoạn sau; nhằm thu nhận các loại ảnh vệ tinh chủ yếu,

xử lý ảnh; thành lập hệ thống thông tin; nâng cấp hệ thống viễn thám ứng dụng cho các ngành ở nước ta phục vụ mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường Sau hơn 3 năm xây dựng, ngày 09/7/2009 Trạm thu ảnh vệ tinh Việt Nam và Trung tâm dữ liệu viễn thám Quốc gia chính thức đi vào hoạt động Đây là hai sản phẩm chính của dự án “Xây dựng hệ thống giám sát tài nguyên và môi trường tại Việt Nam” Nó không chỉ là niềm tự hào của những cơ quan, đơn vị tham gia xây dựng, cung cấp thiết bị công nghệ, quản lý, vận hành, khai thác sử dụng mà còn là niềm tự hào của đất nước ta Có thể nói đây là bước khởi đầu quan trọng, đặt nền móng cơ bản cho việc ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở tầm Quốc gia Là trạm thu thứ 5 trong khối ASEAN nhưng Trạm thu ảnh vệ tinh Việt Nam được lắp đặt các thiết bị kỹ thuật sử dụng công nghệ mới nhất từ Châu Âu, Mỹ và những thiết bị chuyên ngành do Tập đoàn hàng không vũ trụ quốc phòng EADS-DSC (Pháp) lập riêng cho dự án, đã tạo ra tính năng tự động cao Hầu như toàn bộ quá trình thu nhận tín hiệu, xử lý tín hiệu và dữ liệu ảnh ban đầu đều tự động Trạm thu được 5 loại ảnh

vệ tinh là Spot 2, Spot 4, Spot 5, ENVISAT ASAR và ENVISAT MERIS có độ phân giải 2,5m; 10m; 20m; 30m…có thể phục vục cho nhiều nhiệm vụ trong lĩnh vực điều tra cơ bản, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường

Ngoài ra sự kết hợp giữa viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) còn

đem lại nhiều ứng dụng to lớn như:

- Trong nghiên cứu lâm nghiệp:

Ngày 25 tháng 6 năm 2005, Công ty GeoInfo và Trung tâm Tài nguyên & Môi trường, Viện điều tra quy hoạch rừng đã phối hợp thực hiện hợp đồng: Ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong việc thiết kế hệ thống hỗ trợ ra quyết định kế hoạch trồng rừng 5 năm của Ban Quản lý rừng phòng hộ đầu nguồn sông Bồ

- Trong quản lý tổng hợp đới bờ (QLTHĐB):

Từ tháng 9 năm 2000 dự án Việt Nam - Hà Lan về quản lý tổng hợp đới bờ (VNICZM) do Bộ Tài nguyên và Môi trường thông qua Cục Bảo vệ Môi trường phối hợp với tập đoàn tư vấn NEDECO bắt đầu được triển khai tại 3 tỉnh ven biển Việt Nam là Nam Định, Thừa Thiên Huế, Bà Rịa Vũng Tàu Mục tiêu của dự án là hướng tới xây dựng một chương trình QLTHĐB dài hạn nhằm hỗ trợ Việt Nam trong quy hoạch và phát triển một cách bền vững đới bờ cùng với tài nguyên thiên nhiên và cộng đồng dân cư sinh sống trong khu vực này (Đình Thảo, 2002) Việc áp dụng các phương tiện tiên tiến hỗ trợ cho QLTHĐB như viễn thám và GIS được xác định là một trong những nhiệm vụ trọng tâm thuộc kế hoạch hoạt động của dự án trong những năm qua

- Trong quan trắc sự cố tràn dầu:

Theo đề nghị của Cục Bảo vệ Môi trường, cuộc họp khẩn cấp giữa đại diện Cục Bảo vệ Môi trường và Viện Vật lý và Điện tử đã họp vào ngày 08/02/2007 để đánh giá và xác định nguyên nhân sự cố tràn dầu tại Quảng Nam trong giai đoạn cuối tháng 1 đến đầu tháng 2 năm 2007 bằng công nghệ viễn thám sử dụng ảnh MoDis kết hợp với GIS (Viện Vật lý và điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2012) Ảnh MoDis với độ phủ rộng, đa phổ và quan trắc hàng ngày sẽ cung cấp nhiều thông tin về không gian và thời gian kết hợp với dữ liệu GIS sẽ đưa ra các phương án xử lý tràn dầu xa bờ

- Trong quản lý dải ven biển:

Dự án do Trung tâm Viễn thám thực hiện từ tháng 2/2000 đến tháng 6/2002 Mục tiêu của dự án nhằm tăng cường năng lực cho Trung tâm Viễn thám trong việc ứng dụng công nghệ viễn thám để thành lập bản đồ phục vụ công tác quản lý dải ven

biển, nhằm góp phần hỗ trợ Việt Nam trong công tác quản lý và phát triển bền vững dải ven biển Kết quả thực hiện dự án là đã cung cấp tư liệu và phần mềm xử lý ảnh

vệ tinh Đã nhận 67 cảnh ảnh vệ tinh radar của cơ quan vũ trụ Châu Âu và 19 cảnh ảnh vệ tinh Landsat 7; đã tiếp nhận 3 phần mềm ENVI xử lý ảnh vệ tinh radar và ảnh quang học Việc kết hợp tư liệu ảnh viễn thám và dữ liệu GIS đã thành lập được bộ bản đồ chuyên đề phục vụ công tác quản lý dải ven biển tại 3 vùng là: Vùng 1 (vùng Miền Bắc) bao gồm dải ven biển Quảng Ninh - Hải Phòng - Thái Bình - Nam Định - Ninh Bình, vùng 2 (vùng Miền Trung) bao gồm dải ven biển tỉnh Quảng Trị - Thừa Thiên Huế - Đà Nẵng, vùng 3 (vùng Miền Nam) bao gồm dải ven biển Bà Rịa Vũng Tàu - TP.Hồ Chí Minh - Tiền Giang và Trà Vinh - Sóc Trăng - Bạc Liêu Bản đồ được thành lập ở tỷ lệ 1/100.000 trong hệ quy chiếu HN-72 với 9 chủ đề là địa lý chung, hiện trạng sử dụng đất, đô thị hóa và cơ sở hạ tầng, đất ngập nước, rừng ngập mặn và rừng tràm, bồi tụ - xói lở dải ven biển, ngập lụt, sinh thái dải ven bờ và nhạy cảm môi trường (Đình Thảo, 2002)

Hình 1.3 Sơ đồ ngập lụt tỷ lệ 1/100.000 thu nhỏ (Huế)

1.5 Khái quát chung về biến động

1.5.1 Khái niệm về biến động

Biến động là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như

môi trường xã hội

1.5.2 Yêu cầu về tư liệu để tạo ảnh biến động

- Tư liệu cùng một khu vực

- Tư liệu phải là cùng loại hoặc có tính chất tương tự như nhau

- Ảnh phải được chụp trong các thời gian khác nhau

1.5.3 Các phương pháp đánh giá biến động

Phát hiện biến động sử dụng đất và lớp phủ bề mặt là việc làm cần thiết trong việc hiện chỉnh bản đồ lớp phủ bề mặt và trợ giúp cho việc theo dõi, quản lý tài nguyên thiên nhiên

Sự biến động thông 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 hiện chỉnh theo tư liệu viễn thám

Các biến động có thể được chia làm hai loại chính sau: biến động theo mùa

và biến động hàng năm Thông thường hai loại biến động này pha trộn với nhau rất phức tạp trong khuôn khổ một bức ảnh, do vậy người giải đoán cần sử dụng các tư liệu cùng thời gian, cùng mùa trong năm để có thể phát hiện được các biến động thực sự

Có rất nhiều các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau, tuy nhiên có thể chia thành hai nhóm chính đó là: phương pháp so sánh sau phân loại (từ bản đồ

về bản đồ); phương pháp quang phổ (từ ảnh về ảnh) Việc sử dụng cách này hay cách khác phụ thuộc vào đối tượng biến động cần xác định, dữ liệu thu thập được,

độ chính xác yêu cầu …

1.5.3.1 Tạo ảnh biến động từ ảnh gốc theo từng band phổ

Phương pháp chung là so sánh các giá trị độ sáng của hình ảnh (DN) của từng band giữa hai thời điểm chụp ảnh khác nhau, bằng cách tạo ảnh hiệu số của hai band đó:

DN(1,2) = DN(1) – DN(2)

Trong đó:

DN(1): Giá trị DN của pixel trong ảnh chụp ở thời gian (1)

DN(2): Giá trị DN của pixel trong ảnh chụp ở thời gian (2)

DN(1,2): Giá trị DN của pixel ảnh biến động giữa hai thời gian (1) và (2) DN sẽ có

các giá trị (-), (+), hoặc bằng 0

+ Giá trị 0 là không có biến động

+ Giá trị (-), (+) là biến động theo hai hướng khác nhau Ví dụ đối với band Green (band 5 của MSS hay band 2 của TM) thì giá trị âm của DN(1,2) sẽ là biến động theo hướng tăng độ xanh, khi đó giá trị DN giảm đi Còn đối với các band khác, như band 4 của MSS hay band 1 của TM thì giá trị âm thể hiện nước biến đổi theo xu thế trong hơn, sạch hơn Đối với đất, đá thì khi DN(1,2) dương nghĩa là đất,

đá khô hơn hoặc nhiều cát hơn còn ngược lại khi DN(1,2) âm thể hiện trong thực tế nước nông hơn và bẩn hơn…

1.5.3.2 Phân loại dữ liệu đa thời gian

Tạo tổ hợp ảnh đa thời gian và phân loại chúng, khi đó những lớp biến động

sẽ có khác biệt phổ so với các lớp không biến động

Hình 1.4 Phương pháp phân loại dữ liệu đa thời gian

Trước khi phân loại ảnh người ta ghép (chồng phủ) hai ảnh có N kênh phổ để tạo nên một ảnh đa thời gian có 2N kênh phổ Kết quả phân loại ảnh chồng phủ gồm 2N kênh là một tập hợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi

Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào việc lấy mẫu để phân loại ảnh, sự thay đổi theo các mùa trong năm và ảnh hưởng của khí quyển

1.5.3.3 Tạo ảnh biến động từ ảnh của hai thời điểm khác nhau

Ảnh kết quả là vùng có sự thay đổi về phổ nhiều, sẽ là vùng có khả năng biến động còn vùng mà kết quả của phép trừ ảnh ít hoặc bằng 0 là vùng không có biến động

Ảnh 1

Ảnh 2

Ảnh đa thời gian

Phân loại Đánh giá

biến

Hình 1.5 Phương pháp đánh giá biến động tạo thay đổi phổ

Từ hai ảnh viễn thám ban đầu với việc sử dụng các kỹ thuật khác nhau sẽ tạo nên một hay nhiều kênh ảnh mới có sự thay đổi phổ Sự khác biệt phổ giữa các pixel có thể được tính cho từng pixel hoặc tính trên toàn cảnh cùng với tính trên từng pixel Phương pháp này chỉ rõ những khu vực biến động và không biến động cũng như mức độ biến động

dự báo sâu bệnh, hạn hán, diện tích và năng suất, sản lượng cây trồng…

Từ nhiều band phổ ảnh chỉ số thực vật của từng thời điểm sẽ được tạo nên theo phương pháp NDVI Công thức tính:

NDVI = (NIR + Red) (NIR – Red) Trong đó:

NDVI: Chỉ số thực vật NIR: Giá trị phản xạ phổ trong vùng cận hồng ngoại Red: Giá trị phản xạ phổ trong vùng ánh sáng đỏ Tạo ảnh hiệu số từ hai ảnh NDVI sẽ cho các giá trị biến động hoặc không biến động về chỉ số thực vật Đó là biến động về sinh khối của lá, biến động về diện tích Ví dụ:

Ảnh 1

Ảnh 2

Tạo thay đổi phổ

Phân loại Đánh giá

biến

Hình 1.6 Chỉ số thực vật qua hai mùa khác nhau trong năm

Qua ví dụ ta thấy giữa các mùa khác nhau thì chỉ số thực vật cũng khác nhau Vào mùa xuân khi lá cây xanh tốt thì chỉ số NDVI xác định được là 0,72; vào mùa thu khi lá cây chuyển sang màu vàng đỏ thì chỉ số NDVI xác định được là 0,14 Điều này chứng tỏ giữa các mùa có sự biến động về chất lượng lá

1.5.3.6 Tạo ảnh biến động từ ảnh đã phân loại

Để áp dụng được phương pháp này, để có kết quả chính xác và tiện so sánh việc phân loại phải được thực hiện theo nguyên tắc hai cùng: cùng hệ thống phân loại và cùng phương pháp phân loại Nguyên tắc đánh giá sự biến động của hai ảnh

đã phân loại là dựa vào ma trận biến động (ma trận hai chiều) Ví dụ như bảng sau:

Bảng 1.2 Bảng ma trận biến động giữa hai thời gian a và b

ảnh thời gian a

L1 L11 L21 L31 L41 L51 L2 L12 L22 L32 L42 L52 L3 L13 L23 L33 L43 L53 L4 L14 L24 L34 L44 L54 L5 L15 L25 L35 L45 L55 ảnh thời gian b

Trên ma trận, theo cột và theo hàng là tên các đơn vị đã được phân loại theo hai thời điểm a và b Theo đường chéo là các đơn vị không có sự biến động (được tô màu đánh dấu), còn lại là những biến động chi tiết của từng đơn vị (được khoanh tròn) Ví dụ L23 là đơn vị L2 của thời điểm a biến thành đơn vị L3 của thời điểm b

1.5.3.7 Phương pháp phân tích Vector

Là phương pháp nghiên cứu hướng biến động của các vector thông tin của từng pixcel trên ảnh Có thể áp dụng phương pháp để nghiên cứu xu thế biến động của nhiều yếu tố tự nhiên, môi trường như rừng, nước và đất

1.5.3.8 Nghiên cứu biến động sau phân loại

Là phương pháp thông dụng nhất được áp dụng để nghiên cứu biến động Bản chất của nó là so sánh sự biến động của kết quả phân loại ảnh

Để áp dụng phương pháp này cần lựa chọn hai tư liệu ảnh ở hai thời điểm khác nhau của cùng một khu vực nghiên cứu Độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của từng phương pháp phân loại do phải tiến hành phân loại độc lập các ảnh viễn thám

Hình 1.7 Phương pháp đánh giá biến động sau phân loại