KHAI THÁC TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG XÂM NHẬP MẶN TỶ LỆ 1:100.000 KHU VỰC THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu của đề tài 2 3. Nội dung nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Cơ sở dữ liệu 2 6. Kết cấu đồ án 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3 1.1 Tổng quan về xâm nhập mặn 3 1.1.1 Khái niệm xâm nhập mặn 3 1.1.2 Nguyên nhân xâm nhập mặn 3 1.1.3 Chỉ tiêu phân loại đất mặn 5 1.2 Tổng quan về viễn thám 6 1.2.1 Khái niệm viễn thám 6 1.2.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám 7 1.2.3 Phân loại viễn thám 9 1.2.4 Các tư liệu viễn thám 11 1.3 Khả năng ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu xâm nhập mặn 17 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN BẰNG ẢNH VIỄN THÁM 19 2.1 Phân tích ảnh bằng mắt 19 2.1.1 Khái niệm 19 2.1.2 Các dấu hiệu giải đoán ảnh 19 2.1.3 Chìa khóa giải đoán ảnh 22 2.2 Kỹ thuật xử lý ảnh số 23 2.2.1 Tiền xử lý 23 2.2.2 Tăng cường chất lượng ảnh 25 2.2.3 Phân loại ảnh 28 2.2.4 Chuyển đổi ảnh 31 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM KHAI THÁC TƯ LIỆU VỆ TINH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG XÂM NHẬP MẶNKHU VỰC THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG 34 3.1 Giới thiệu về khu vực nghiên cứu 34 3.1.1 Vị trí địa lý 34 3.1.2 Điều kiện tự nhiên 34 3.1.3 Kinh tế xã hội 36 3.2 Tư liệu sử dụng 37 3.2.1 Tư liệu ảnh sử dụng 37 3.2.2 Phần mềm ứng dụng 38 3.3 Quy trình xử lí ảnh vệ tinh thành lập bản đồ phân vùng xâm nhập mặn 39 3.4 Kết quả xác định phân vùng xâm nhập mặn 47 3.5 Đánh giá kết quả xâm nhập mặn 47 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 49 1. Kết luận 49 2. Kiến nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50  

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHU VỰC THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

Hà Nội - Năm 2017

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô giáo TS Nguyễn Thị Thúy Hạnh đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

này

Tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phương Thủy

MỤC LỤ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Cơ sở dữ liệu 2

6 Kết cấu đồ án 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về xâm nhập mặn 3

1.1.1 Khái niệm xâm nhập mặn 3

1.1.2 Nguyên nhân xâm nhập mặn 3

1.1.3 Chỉ tiêu phân loại đất mặn 5

1.2 Tổng quan về viễn thám 6

1.2.1 Khái niệm viễn thám 6

1.2.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám 7

1.2.3 Phân loại viễn thám 9

1.2.4 Các tư liệu viễn thám 11

1.3 Khả năng ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu xâm nhập mặn 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN BẰNG ẢNH VIỄN THÁM 19

2.1 Phân tích ảnh bằng mắt 19

2.1.1 Khái niệm 19

2.1.2 Các dấu hiệu giải đoán ảnh 19

2.1.3 Chìa khóa giải đoán ảnh 22

2.2 Kỹ thuật xử lý ảnh số 23

2.2.1 Tiền xử lý 23

2.2.2 Tăng cường chất lượng ảnh 25

2.2.3 Phân loại ảnh 28

2.2.4 Chuyển đổi ảnh 31

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM KHAI THÁC TƯ LIỆU VỆ TINH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ PHÂN VÙNG XÂM NHẬP MẶN KHU VỰC THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG 34

3.1 Giới thiệu về khu vực nghiên cứu 34

3.1.1 Vị trí địa lý 34

3.1.2 Điều kiện tự nhiên 34

3.1.3 Kinh tế xã hội 36

3.2 Tư liệu sử dụng 37

3.2.1 Tư liệu ảnh sử dụng 37

3.2.2 Phần mềm ứng dụng 38

3.3 Quy trình xử lí ảnh vệ tinh thành lập bản đồ phân vùng xâm nhập mặn 39

3.4 Kết quả xác định phân vùng xâm nhập mặn 47

3.5 Đánh giá kết quả xâm nhập mặn 47

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 49

1 Kết luận 49

2 Kiến nghị 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ENVI Enviroment for Visualizing Images Phần mềm xử lý ảnh viễn

thámEOE Encyclopedia of earth Bách khoa toàn thư thế

giớiGIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lýLDCM Landsat Data Continuity Mission Vệ tinh Landsat 8

NDSI Normalized Differential Salinity Index Chỉ số mặn hóa

NDVI Vegetation Index Image Chỉ số thực vật

4

World Geodetic Systerm 84 Hệ tọa độ thế giới xây

dựng năm 1984

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại đất mặn 5

Bảng 1.2: Các loại đất mặn và ảnh hưởng tới cây trồng 6

Bảng 1.3: Đặc điểm ảnh vệ tinh LDCM (Landsat 8) 13

Bảng 1.4: Các kênh của bộ cảm MODIS 14

Bảng 1.5: Độ phân giải phổ của ảnh nguồn các vệ tinh SPOT từ 1 đến 5 16

Bảng 3.1: Các giá trị M ρ, A ρ 41

Bảng 3.2: Phân ngưỡng giá trị theo chỉ số NDSI 43

Bảng 3.3: Phân ngưỡng giá trị theo chỉ số SI 43

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sự di chuyển của khối nước mặn vào tầng nước ngọt 3

Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của viễn thám 8

Hình 1.3: Các thành phần trong hệ thống viễn thám 8

Hình 1.4: Viễn thám chủ động và viễn thám bị động 10

Hình 1.5: Vệ tinh địa tĩnh và quỹ đạo cực 11

Hình 1.6: Vệ tinh Landsat8 trên quỹ đạo 12

Hình 1.7: Hai vệ tinh Aqua và Terra trên quỹ đạo 14

Hình 2.1: Thang độ sáng (hay độ xám) của ảnh đen trắng (10 cấp) 19

Hình 2.2: Bóng của tòa nhà khi chụp từ trên cao 20

Hình 2.3: Ảnh trước khi (ảnh trái) và sau khi hiệu chỉnh (ảnh phải) 24

Hình 2.4: Ảnh trước (ảnh trái) và sau (ảnh phải) biến đổi cấp độ xám 26

Hình 2.5: Histogram của ảnh 26

Hình 2.6: Histogram của ảnh có độ sáng khác nhau 27

Hình 2.7: Nguyên lý phân loại ảnh 28

Hình 2.8: Sự phân loại các đối tượng 29

Hình 3.1: Bản đồ hành chính thành phố Hải Phòng 34

Hình 3.2: Ảnh vệ tinh Landsat 8 37

Hình 3.3: Tóm tắt các bước thực hiện 39

Hình 3.4: Nhập dữ liệu vào phần mềm Envi 4.8 40

Hình 3.5: Đính các kênh ảnh vào một file 40

Hình 3.6: Thực hiện cắt ảnh Landsat8 41

Hình 3.7: Nhập công thức chuyển đổi giá trị cấp độ xám về giá trị phản xạ phổ 42

Hình 3.8: Sau khi chuyển giá trị cấp độ xám sang giá trị phản xạ phổ 42

Hình 3.9: Ảnh sau khi tính chỉ số NDSI (ảnh trái) và chỉ số SI (ảnh phải) 43

Hình 3.10: Phân ngưỡng độ mặn 44

Hình 3.11: Thực hiện đặt khổ giấy và tỷ lệ cho bản đồ 45

Hình 3.12: Chọn kiểu khung cho bản đồ 46

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là nước có nền nông nghiệp phát triển từ lâu đời nay Nhưng trongnhững năm gần đây nền nông nghiệp ở nước ta ngày càng đi xuống do ảnh hưởngcủa nhiều nguyên nhân như bão, lũ lụt, hạn hán, Trong số đó xâm nhập mặn cũng

là một nguyên nhân ảnh hưởng trầm trọng tới nền nông nhiệp ở nước ta Nước mặntiến sâu vào đất liền, trữ lượng nước ngọt đứng trước nguy cơ sụt giảm Thực tế nàyđang diễn ra ngày càng rõ rệt hơn Xâm nhập mặn chủ yếu xảy ra tại khu vực cửasông, nơi chịu tác động của thủy triều Không những thế nước biển ngày càng dângcao do ảnh hưởng của hiện tượng ấm dần lên toàn cầu do vậy các khu vực bị xâmnhập mặn sẽ ngày càng tăng nếu không có những biện pháp khắc phục kịp thời củacon người

Hải Phòng là địa phương nằm sát biển có mật độ sông lớn nhất trong vùngĐồng bằng Bắc Bộ, đạt 0,6 - 0,8 km/km2 Tổng chiều dài của toàn bộ sông ngòichảy qua Hải Phòng khoảng gần 280km Một vài năm trở lại đây, các sông lớn ởHải Phòng trải qua thời kỳ khô hạn nhất lịch sử, mực nước sông vào mùa khô luônxuống thấp gây ảnh hưởng rất lớn tới khả năng sinh trưởng và phát triển của thựcvật và nhất là sản xuất canh tác nông nghiệp ở đây Nhiều diện tích đất đã phảichuyển đổi cơ cấu cây trồng hoặc bỏ hoang do không có nước tưới, bên cạnh đó vàonhững mùa khô khi mà dòng chảy trên các sông chính nhỏ thì quá trình xâm nhậpmặn có khả năng gia tăng đáng kể do hoạt động của thủy triều sẽ lấn át dòng chảytrong sông

Trước tình trạng xâm nhập mặn này đã có nhiều phương pháp được đề ra đểphân vùng các vùng bị nhiễm mặn giúp dễ dàng trong việc đưa ra các giải phápkhắc phục phù hợp cho từng khu vực với độ nhiễm mặn khác nhau Trong đóphương pháp để xác định phân vùng xâm nhập mặn bằng công nghệ viễn thám vớinhiều dữ liệu ảnh vệ tinh như Landsat, Spot, Modis,… với độ phân giải không gian

và thời gian ngày càng cao cho phép theo dõi được các đối tượng trên mặt đất mộtcách nhanh chóng và chính xác đang được ứng dụng rộng rãi

Do vậy, với tính cấp thiết là phân vùng các vùng xâm nhập mặn để được đưa

ra được các biện pháp khắc phục hợp lý với từng khu vực Tôi đã chọn đề tài: “Khai

thác tư liệu ảnh vệ tinh thành lập bản đồ phân vùng xâm nhập mặn tỷ lệ 1:100.000khu vực thành phố Hải Phòng”.

2 Mục tiêu của đề tài

Thành lập bản đồ phân vùng xâm nhập mặn tỷ lệ 1:100.000 khu vực thành phốHải Phòng từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 8

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

- Cơ sở khoa học nghiên cứu xâm nhập mặn bằng ảnh viễn thám

- Thực nghiệm khai thác tư liệu ảnh vệ tinh thành lập bản đồ phân vùng xâmnhập mặn khu vực thành phố Hải Phòng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp các tài liệu liên quan đến nộidung nghiên cứu rồi phân tích đánh giá, lựa chọn phương pháp phù hợp

- Phương pháp viễn thám: Khai thác tư liệu ảnh viễn thám thực hiện tiền xử lý ảnh,chuyển đổi ảnh để xác định độ mặn của đất và tiến hành phân vùng xâm nhập mặn

- Phương pháp bản đồ: Biểu thị kết quả nghiên cứu bản đồ phân vùng xâmnhập mặn

5 Cơ sở dữ liệu

- Tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 8

- Bản đồ địa hình khu vực Hải Phòng

- Các tài liệu, giáo trình liên quan tới nội dung nghiên cứu

- Các tài liệu về điều kiện tự nhiên khu vực thành phố Hải Phòng

6 Kết cấu đồ án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu xâm nhập mặn bằng ảnh viễn thám.Chương 3: Thực nghiệm khai thác tư liệu ảnh vệ tinh thành lập bản đồ phân

vùng xâm nhập mặn khu vực thành phố Hải Phòng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về xâm nhập mặn

1.1.1 Khái niệm xâm nhập mặn

Nước ngọt là nguồn tài nguyên khan hiếm Theo tổ chức Khí tượng Thế giới,chỉ có 2,5% tổng lượng nước trên trái đất là nước ngọt, phần còn lại là nước mặn.Nguồn nước ngọt lớn nhất nằm dưới lòng đất và một phần nước mặt nằm rải rác ởnhiều khu vực trên thế giới Nước ngầm được sử dụng rộng rãi để bổ sung chonguồn nước mặt nhằm đáp ứng nhu cầu nước ngày càng tăng Tuy nhiên, một trongnhững vấn đề đối với hệ thống nước ngầm ở những vùng ven biển chính là xâmnhập mặn Xâm nhập mặn là quá trình thay thế nước ngọt trong các tầng chứa nước

ở ven biển bằng nước mặn do sự dịch chuyển của khối nước mặn vào tầng nướcngọt Xâm nhập mặn làm giảm nguồn nước ngọt dưới lòng đất ở các tầng chứanước ven biển do cả hai quá trình tự nhiên và con người gây ra [8]

Mặn hóa là quá trình tích tụ các muối và các kim loại kiềm trong môi trườngđất, nước khi các môi trường thành phần này từ chỗ chưa bị mặn trở thành mặn [2]

Hình 1.1: Sự di chuyển của khối nước mặn vào tầng nước ngọt

(Nguồn EOE, 2012)

1.1.2 Nguyên nhân xâm nhập mặn

a) Nguyên nhân khách quan: Do các quá trình, tiến trình xảy ra trong tự nhiên,

không có sự tác động của con người

vấn đề này đã được nỗ lực giải quyết trong bối cảnh đang diễn ra biến đổi khí hậunhư nước biển dâng, nhiệt độ tăng cao, ngập lụt, hạn hán, dông lốc, sạt lở bờ sông.Theo kịch bản thấp nhất vào năm 2020 vùng đồng bằng bắc bộ nhiệt độ tăng 0,60C,lượng mưa về mùa khô giảm ở hầu hết các vùng khí hậu nước ta Nghiên cứu vềkịch bản thấp nhất nước biển dâng vào năm 2020 cho thấy mực nước biển dâng caohơn 0,11m [4].

Nguyên nhân trước hết là phần lớn các tỉnh, thành phố có cao độ tự nhiênthấp Đây là điểm yếu dễ bị tổn thương nhất do lũ lụt và xâm nhập mặn Tình trạngxây dựng thủy điện và các hoạt động khai thác tài nguyên nước thượng nguồn cácsông gây thiếu hụt nguồn nước về hạ lưu, kết hợp với yếu tố nước biển dâng đẩymặn sâu vào nội đồng Xâm nhập mặn thường xảy ra vào mùa khô Vào mùa khôlượng nước đổ về từ thượng nguồn rất ít, và thường không có mưa dẫn đến mựcnước thấp, yếu tố gió chướng với thủy triều làm mặn xâm nhập sâu và nồng độ cao,thời tiết nắng nóng lượng bốc hơi cao, nước ngọt hao phí tự nhiên lớn [4]

b) Nguyên nhân chủ quan: Do quá trình sống, canh tác của con người gây tác động

đến các đặc điểm tự nhiên của đất

Nguyên nhân chủ quan chủ yếu là do lưu lượng nước ở thượng nguồn giảm,vận hành khai thác không hợp lý các công trình phục vụ đa mục tiêu và đặc biệt là

sự phối hợp giữa các ngành sử dụng nước chưa chặt chẽ dẫn đến tranh chấp nguồnnước giữa nhu cầu nước cho phát điện với sản xuất nông nghiệp, giao thông thủy lợi

và môi trường sinh thái trong đó chưa quan tâm đúng mức đến việc thau chua, rửamặn của các tỉnh ven biển ở đồng bằng sông Hồng Ngoài việc tích tụ trong đất docác tiến trình tự nhiên, muối cũng có thể được tích tụ do tưới tiêu không hợp lí củacon người trong quá trình canh tác Vì nước tưới thường là nước lấy trực tiếp từ cácsông,…Nước này thường chứa một lượng muối khoáng lớn (do nhận được từ cácvùng đất khác nhau mà nó chảy qua) Khi tưới, vì một lí do nào đó, hoặc do tướiquá nhiều, lượng muối này không được cây trồng sử dụng hết, lại không bị rửa trôi

đi nơi khác, nó sẽ tích lại… ngày càng lớn dần làm cho đất bị nhiễm mặn Khai thácnước ngầm quá mức để đáp ứng nhu cầu nước cho phát triển, những nguyên nhânnày đang làm tăng nguy cơ xâm nhập mặn

1.1.3 Chỉ tiêu phân loại đất mặn

Chỉ tiêu phân loại đất mặn:

(Theo: Hội Khoa học đất Việt Nam )

- Đất rất mặn thường ở dạng chưa thuần thục, tầng mặt thường dở đất dở nướcđang trong quá trình bồi lắng, dạng bùn lỏng lầy ngập Loại đất này có nồng độ Cl >0.25% và tổng số muối hòa tan > 1,0%

- Đất mặn nhiều thường phân bố ở nơi có địa hình thấp hơn, khi thủy triều lêncao khiến tầng đất mặn có độ mặn cao rất khó rửa nhanh vào đầu mùa mưa Tầngđất có độ sâu từ 50 – 80cm thường có lớp cát xám xanh của bãi thủy triều Loại đấtnày có nồng độ Cl từ 0.15 – 0.25% và tổng số muối hòa tan 0.5 - 1.0%

- Đất mặn trung bình đều chịu ảnh hưởng của biển chủ yếu thông qua ảnhhưởng của thủy triều

- Đất mặn ít thường ở xa biển, nằm sâu trong đất liền Quá trình nhiễm mặnnhanh chóng được rửa trôi

Dựa vào độ dẫn điện (EC), phần trăm Na trao đổi (ESP), tỉ lệ hấp thụ Na, và

độ pH để phân loại đất mặn Quá trình tích lũy các loại muối trung tính hòa tanđược gọi là quá trình mặn hóa Các muối này bao gồm chủ yếu là các anion Cl-,SO42- và các cation Na+, Mg2+, Ca2+ và K+ Nồng độ các muối này trong đất mặn rấtcao, làm ngăn cản sự sinh trưởng của thực vật EC của dịch trích bão hòa > 4dS/m.Các muối hòa tan thường tích tụ ở mặt đất do sự bốc hơi nước, hình thành nênnhững lớp muối trắng, vì vậy còn gọi đất này là đất kiềm trắng Ca và Mg chiếm tỉ

lệ cao trong phức hệ trao đổi của đất mặn, do đó ESP thường nhỏ hơn 15 và pHthường lớn hơn 8.5 Đôi khi nồng độ Na+ trong đất mặn cao hơn Ca2+ và Mg2+ do sựhiện diện của muối Na hòa tan

Bảng 1.2: Các loại đất mặn và ảnh hưởng tới cây trồng

Ảnh hưởng đến cây

trồng Không

Mặn ảnh hưởng khôngđáng kể

Năng suất của nhiềuloại cây có thể bị giớihạn

Mặn trung

Năng suất của nhiềuloại cây trồng bị giớihạn

1.2.1 Khái niệm viễn thám

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đíchnghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệuhàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar Viễn thám được ứngdụng trong nhiều ngành khoa học khác như quân sự, địa chất, địa lý, môi trường,khí tượng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học khác

 Khái niệm:

Viễn thám là một ngành khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu.

Thực hiện được những công việc đó chính là thực tiễn viễn thám, hay hiểu đơngiản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực

tiếp với đối tượng Mặc dù có rất nhiều khái niệm khác nhau về viễn thám, nhưng

mọi khái niệm đều có nét chung, nhấn mạnh: “Viễn thám là khoa học thu nhận từ

xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất”.

Một vài các khái niệm khác nhau về viễn thám của các tác giả khác nhau:

- Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật mà không cầnphải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976)

- Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vậttrên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976)

- Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ mộtkhoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó Năng lượng được đo trong các

hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm… (D.A LandGrete, 1978)

- Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của tráiđất, bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổđiện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất (JanesB.Capbell,1966)

- Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, mộtvùng, hoặc một hiện tượng, qua các phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiện khôngtiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát (Lillesand và Kiefer, 1986)

Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánhsáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặctính của đối tượng Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện, từ và trọng lực

vì những quan trắc thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trường lực nhiềuhơn là đo bức xạ điện từ

1.2.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám

a) Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám

Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đất hay các hành tinh mà nócòn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh Trên TráiĐất, người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhântạo để thu phát các ảnh viễn thám

Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của viễn thám (Nguồn: Nguyễn Ngọc Thạch, Giáo trình viễn thám)

Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của cácđối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau Kết quả của việc giảiđoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữađặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên Nhữngthông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhàchuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượngnghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất củađối tượng, tiến tới phân loại chúng

b, Các thành phần chính của một hệ thống viễn thám

Một hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ vớinhau Trình tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống viễn thám được mô tảtrong hình sau:

Hình 1.3: Các thành phần trong hệ thống viễn thám

(Nguồn: Nguyễn Ngọc Thạch, Giáo trình viễn thám)

Nguồn năng lượng (A): Thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám là nguồn

năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng cần nghiêncứu Trong viễn thám chủ động sử dụng năng lượng phát ra từ nguồn phát đặt trênmột vật mang, còn trong viễn thám bị động thì nguồn năng lượng chủ yếu là mặt trời

Những tia phát xạ và khí quyển (B): Bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối

tượng nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó đi qua

Sự tương tác với đối tượng (C): Sau khi truyền qua khí quyển đến đối tượng,

năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tùy thuộc vào đặc điểm của đối tượng vàsóng điện từ Sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ trởlại khí quyển

Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến (D): Sau khi năng lượng được phát ra

hoặc bị phản xạ từ đối tượng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóngđiện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin của đối tượng

Sự truyền tải thu nhận và xử lý (E): Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần

được truyền tải (thường dưới dạng điện từ) đến một trạm thu nhận dữ liệu để xử lýsang dạng ảnh Ảnh này là dữ liệu thô

Phân loại và phân tích ảnh (F): Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong

các mục đích khác nhau Để nhận biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giảiđoán chúng Ảnh được phân loại bằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau(phân loại bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự động, )

Ứng dụng (G): Đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được

thực hiện khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong quá trình xử lý ảnh vào cáclĩnh vực, bài toán cụ thể

1.2.3 Phân loại viễn thám

Sự phân biệt viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau:

- Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh;

- Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo;

- Dải phổ của các thiết bị thu;

- Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận

Các phương thức phân loại viễn thám:

a) Phân loại theo nguồn tín hiệu:

Viễn thám chủ động: Nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay;

Viễn thám bị động: Nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vật chất tự nhiên

Hình 1.4: Viễn thám chủ động và viễn thám bị động

(Nguồn: Nguyễn Ngọc Thạch, Giáo trình viễn thám)

Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ vũ trụ pháttriển đã trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu Các nước có nền công nghệ vũ trụphát triển đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết bị viễnthám khác nhau Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu có khả năng thunhận nhiều loại tư liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống

b) Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo

Có hai nhóm chính là viễn thám địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực.Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra làm hai nhóm vệ tinh là:

- Vệ tinh địa tĩnh: Là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của tráiđất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên;

- Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực): Là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuônggóc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của trái đất Tốc độ quay của vệtinh khác với tốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thuảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặplại là cố định đối với 1 vệ tinh

Hình 1.5: Vệ tinh địa tĩnh và quỹ đạo cực c) Phân loại theo bước sóng

- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: Mặt trời là nguồn nănglượng chính Ngoài ra, công nghệ LiDAR sử dụng tia lazer là trường hợp ngoại lệ

1.2.4 Các tư liệu viễn thám

a) Ảnh Landsat

Vệ tinh thế hệ thứ 8 - Landsat 8 đã được Mỹ phóng thành công lên quỹ đạovào ngày 11/02/2013 với tên gọi gốc Landsat Data Continuity Mission (LDCM) chophép sử dụng miễn phí dữ liệu ảnh Đây là dự án kết hợp giữa NASA và Cơ quan

Đo Đạc Địa chất Mỹ Landsat sẽ tiếp tục cung cấp các ảnh có độ phân giải trungbình (từ 15-100m), phủ kín ở các vùng cực cũng như vùng địa hình khác Nhiệm vụcủa Landsat 8 là cung cấp những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực nhưquản lý năng lượng và nước theo dõi rừng, giám sát tài nguyên môi trường, quyhoạch đô thị, khắc phục thảm hoạ và lĩnh vực nông nghiệp

Landsat 8 (LDCM) gồm 2 bộ cảm: Bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI Operational Land Imager) hoạt động với các kênh cũ của hệ thống Landsat trước vàcác kênh mới: một kênh xanh trầm (deep blue band), một kênh hồng ngoại sóng

-ngắn và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor) Những bộcảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảmLandsat thế hệ trước Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài.

Vệ tinh Landsat của Mỹ là hệ thống vệ tinh quỹ đạo gần cực (với góc mặtphẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 98,2°) Đầu tiên nó mang tên ERTS(Earth Resource Technology Sattellite) - kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái đất Hệ thống

vệ tinh Landsat cho tới nay có thể nói là hệ thống vệ tinh mang tính chất quốc tế Vệtinh Landsat đầu tiên được phóng vào năm 1972 Vệ tinh Landsat được thiết kế saocho thời gian thu ảnh là theo đúng giờ địa phương trên mọi vị trí của trái đất và cácthông số khác [12]

So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh

và chu kỳ lặp lại (16 ngày) Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat 7, bộcảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sát mây và chấtlượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển Bộ cảm TIRs thu nhận dữliệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tiêu thụ nước đặc biệt là khu vựckhô cằn Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết về bề mặt Trái Đất theo mùa ở độ phângiải không gian 3 m (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại sóngngắn); 100m ở kênh nhiệt và 15m ở kênh toàn sắc

Hình 1.6: Vệ tinh Landsat8 trên quỹ đạo

(Nguồn: USGS)

Bảng 1.3: Đặc điểm ảnh vệ tinh LDCM (Landsat 8)

(μmm)

Độ phân giải(m)

Kênh 11 - Thermal Infrared (TIR) 2

Hình 1.7: Hai vệ tinh Aqua và Terra trên quỹ đạo

(Nguồn: NASA)

Băng phổ được phân bổ theo độ phân giải như sau:

- Băng 1 – 2: độ phân giải 250m;

- Băng 3 – 7: độ phân giải 500m;

- Băng 8 – 36: độ phân giải 1000m

Nhiều sản phẩm dữ liệu thu được từ các quan sát của MODIS mô tả các đặcđiểm của đất, đại dương và khí quyển có thể được sử dụng để nghiên cứu các quátrình và xu hướng trên quy mô địa phương và toàn cầu Như đã đề cập, sản phẩmMODIS có sẵn từ nhiều nguồn

Mặc dù độ phân giải không cao, nhưng với tầm phủ rộng, thời gian quan trắcliên tục và đặc biệt là miễn phí, ảnh MODIS là nguồn tài liệu tham khảo giá trị caođối với các nhà khoa học 36 băng phổ giúp ảnh MODIS được ứng dụng ngày càngnhiều trong hầu hết lĩnh vực nghiên cứu hiện nay [14]

Bảng 1.4: Các kênh của bộ cảm MODIS

Kênh phổ Dải sóng Độ phân giải (m) Ứng dụng phổ biến

1 và 2 620-670 nm

841-876 nm

250250

Khoang ranh giới mây/đất.Nghiên cứu lớp phủ rừng.3

500500500500500

Đặc tính mây/đất

Màu của biểnphytopkankton/sinh-địa

100010001000

Hơi nước quyển khí

20

21

22

3.66-3.84μmm3.929-3.989μmm4.202-4.549μmm

100010001000

Nhiệt độ bề mặt/mây

23

24

4.433-4.080μmm4.482-4.549μmm

10001000

1000100010001000

10001000

Nhiệt độ bề mặt lớpphủ/mây33

34

35

36

13.185-13.485μmm13.485-13.758μmm13.758-14.085μmm14.085-14.385μmm

1000100010001000

sự tham gia của Bỉ và Thụy Điển Quỹ đạo gần cực nghiêng 98,8° chụp ảnh đượcbất cứ vị trí nào trên trái đất Quỹ đạo đồng bộ mặt trời cách trái đất 822km, chu kỳquỹ đạo là 101 phút Chu kỳ lặp 26 ngày Các thế hệ vệ tinh SPOT 1, 2, 3 có bộ cảmHRV (High Resolution Visible) với kênh toàn sắc (0,51 - 0,73mm) độ phân giải10m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20m, phân bố trong vùng sóng nhìn thấy gồmlục (0,50 - 0,59mm), đỏ (0,61 - 0,68mm), cận hồng ngoại (0,79 - 0,89mm) Mỗicảnh có độ bao phủ mặt đất là 60km x 60km Ảnh SPOT được sử dụng chủ yếutrong các lĩnh vực đo vẽ mới và hiện chỉnh bản đồ địa hình; thành lập bản đồ hiệntrạng sử dụng đất; và theo dõi biến động môi trường như mất rừng, xói mòn, pháttriển đô thị, Ảnh SPOT - 5 có độ phân giải cao, đặc biệt ảnh độ phân giải 2,5m mở

ra triển vọng của nhiều ứng dụng hơn

Bảng 1.5: Độ phân giải phổ của ảnh nguồn các vệ tinh SPOT từ 1 đến 5

SPOT 1, 2, 3 Kênh toàn sắc 0,51 - 0,73 Toàn sắc 10m

1.3 Khả năng ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu xâm nhập mặn

Ưu điểm của việc sử dụng công nghệ viễn thám giúp tiết kiệm thời gian, phủsóng rộng, nhanh hơn các phương pháp mặt đất, và tạo điều kiện cho giám sát dàihạn Kỹ thuật này cung cấp các hình ảnh đa phổ với độ phân giải có thể đạt được từtrung bình đến cao, cũng như là ảnh viễn thám siêu phổ Những dữ liệu cảm nhận từ

xa này đã được sử dụng thành công để theo dõi và lập bản đồ độ mặn của đất trongnhiều thập kỷ với kết quả khác nhau

Công nghệ viễn thám đã được ứng dụng một cách chuyên nghiệp để theo dõi

và lập bản đồ độ mặn của đất Viễn thám sử dụng năng lượng điện từ phản xạ từ cácđối tượng để nhận được thông tin về bề mặt trái đất với mức độ chi tiết khác nhau.Dựa trên quang phổ phản xạ của tính chất muối ở bề mặt đất đã được nghiên cứurộng rãi bằng cách sử dụng cảm biến từ xa và được sử dụng như là một chỉ thị trựctiếp cho sự phát hiện độ mặn của đất và bản đồ Tuy nhiên, khi độ ẩm đất cao hoặcmuối vỏ không nhìn thấy được trên bề mặt đất hoặc trộn với các thành phần kháccủa đất, cách tiếp cận trực tiếp này trở thành phức tạp và có thể mang lại kết quảkhông đáng tin cậy vì các yếu tố này ảnh hưởng đến phản xạ phổ đất Nhưng phân

bố thực vật hoặc các cây trồng chịu mặn rải rác trên bề mặt đất có thể là một dấuhiệu để xác định độ mặn từ đó có thể gián tiếp phát hiện và lập bản đồ các khu vực

Đa thời gian: Thông tin viễn thám được thu vào các giai đoạn khác nhau, nhờ vàotính chất này ta có thể theo dõi được diễn biến của hiện tượng theo thời gian thu ảnh, ởđây ta có thể theo dõi được diễn biến của quá trình xâm nhập mặn liên quan đến sựthay đổi của các yếu tố môi trường phân tích được trên ảnh như thủy hệ, thực vật

Đa độ phân giải: Bao gồm nhiều độ phân giải như phân giải phổ, phân giảikhông gian, phân giải mặt đất với các mức cao thấp khác nhau tùy thuộc vào chấtlượng thu Ngày nay mọi độ phân giải của ảnh đều được nâng cao, đặc biệt là độphân giải không gian giúp ta giải đoán các đối tượng một cách chính xác kể cả cácđối tượng nhỏ bé mà những vệ tinh trước đây không thể thu nhận được

Đa phương pháp: Xử lý thông tin viễn thám có nhiều phương pháp khác nhau

như giải đoán ảnh bằng mắt, bằng số với nhiều phần mềm xử lý ảnh Điều này chophép ta lựa chọn phương pháp và phần mềm phù hợp nhất cho nghiên cứu.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN

BẰNG ẢNH VIỄN THÁM2.1 Phân tích ảnh bằng mắt

2.1.1 Khái niệm

Giải đoán bằng mắt là sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để chiết tách cácthông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh Trong việc xử lí thông tin viễn thámthì giải đoán ảnh bằng mắt là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể áp dụngtrong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Việc phân tích ảnhbằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang học Phân tích hay giảiđoán bằng mắt là sử dụng mắt thường hoặc có sự trợ giúp của các dụng cụ quanghọc từ đơn giản đến phức tạp như: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, máy tổnghợp màu,… nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt người Phân tích ảnh bằngmắt là công việc có thể áp dụng một cách dễ dàng trong mọi điều kiện và có thểphục vụ cho nhiều nội dung nghiên cứu khác nhau: nghiên cứu lớp phủ mặt đất,nghiên cứu rừng, thổ nhưỡng, địa chất, địa mạo, thủy văn, môi trường,…

Cơ sở để giải đoán bằng mắt là đưa vào các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặcgián tiếp và chìa khóa giải đoán

Phân tích bằng mắt là công việc tổng hợp, kết hợp nhiều thông số của ảnh, bản

đồ, tài liệu thực địa và kiến thức chuyên môn

2.1.2 Các dấu hiệu giải đoán ảnh

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

a) Các yếu tố ảnh

- Tone ảnh: Là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ từ bề mặt đối tượng, là

dấu hiệu hết sức quan trọng để xác định đối tượng Tone ảnh được chia ra nhiều cấpkhác nhau, trong giải đoán bằng mắt thường có 10-12 cấp Sự khác biệt của toneảnh phụ thuộc vào nhiều tính chất khác nhau của đối tượng

Hình 2.1: Thang độ sáng (hay độ xám) của ảnh đen trắng (10 cấp)

của nhiều đặc tính rất rõ ràng của nhiều cá thể riêng biệt.

- Hình dạng (Shape): Là hình ảnh bên ngoài đối tượng, thông thường đó là hình

ảnh 2 chiều Đối với ảnh lập thể có thể nhìn thấy cả chiều cao của đối tượng Hình dáng

là yếu tố đầu tiên giúp cho người phân tích có thể phân biệt các đối tượng khác nhau

- Kích thước (Size): Là thông số về độ lớn, độ dài, độ rộng của đối tượng Kích

thước liên quan đến tỉ lệ của ảnh Về hình dạng có thế giống nhau nhưng kích thướckhác nhau thì có thể là hai đối tượng khác nhau

- Mẫu (Pattern): Là sự sắp xếp trong không gian của các đối tượng Một dạng

địa hình đặc trưng sẽ bao gồm sự sắp xếp theo một quy luật đặc trưng của các đốitượng tự nhiên, là hợp phần của dạng địa hình đó

- Kiến trúc: Là tần số thay đổi của độ sáng trên ảnh Đó là sự tập hợp các đặc

điểm của hình ảnh như hình dạng, kích thước, mẫu để tạo nên một đặc điểm riêngbiệt của đối tượng hay nhóm đối tượng Cấu trúc là đặc điểm tương đối khái quátsong lại rất đặc trưng, giúp cho người phân tích có thể nhận diện và phân biệt mộtcách nhanh chóng từng đối tượng tập hợp thành một dạng địa hình đặc trưng

- Bóng: Là phần bị che lấp không có ánh sáng mặt trời chiếu tới, do đó không

có ánh sáng để phản hồi tới thiết bị thu Bóng thường được thể hiện bằng tone ảnhđen trắng và màu xẫm đến đen trên ảnh màu Bóng có thể phản ánh lên độ cao đốitượng Bóng là yếu tố quan trọng tạo nên cấu trúc đặc trưng cho các đối tượng Tuynhiên bóng cũng là phần mà thông tin về đối tượng không có hoặc rất ít, vì vậy phải

bổ xung lượng thông tin ở vùng bóng

Hình 2.2: Bóng của tòa nhà khi chụp từ trên cao.

- Vị trí: Vị trí của đối tượng trong không gian địa lý của vùng nghiên cứu là

thông số rất quan trọng giúp cho người giải đoán có thể phân biệt đối tượng

- Màu: Màu của đối tượng trên ảnh màu giả giúp cho người giải đoán có thể

phân biệt được nhiều đối tượng có đặc điểm tone ảnh tương tự như nhau trên ảnhđen trắng Tổ hợp màu giả thông dụng trong ảnh Landsat là xanh lơ, xanh lục và đỏ,thể hiện các nhóm yếu tố cơ bản là: thực vật từ màu hồng đến màu đỏ, nước xanh lơnhạt đến xanh lơ xẫm, đất trồng đá lộ có màu trắng Vì vậy khi giải đoán các đốitượng trên ảnh màu giả phải có những định hướng ngay từ đầu về tổ hợp màu giả,

từ đó mới tránh được những sự hiểu nhầm lẫn ngay từ đầu

b) Các yếu tố địa kỹ thuật

- Địa hình: Địa hình cho phép phân biệt các yếu tố trên ảnh, từ đó định hướng

rất rõ trong phân tích Kiểu địa hình: dãy núi thấp cấu tạo bởi núi đá vôi, đồng bằngđồi, đồng bằng phù sa sông, đồng bằng tịch tụ sông biển, đồng bằng tích tụ do biển,đồng bằng tích tụ bãi triều

- Thực vật: Sự phân bố của một kiểu thảm và đặc điểm của nó là một dấu hiệu

hết sức quan trọng để phân biệt các dạng đối tượng khác như các đạng địa hình

- Hiện trạng sử dụng đất: Đây vừa là mục tiêu, vừa là dấu hiệu quan trọng giải

đoán bằng mắt Hiện trạng sử dụng đất cung cấp những thông tin gián tiếp và quantrọng để xác định các đối tượng khác

- Mạng lưới thủy văn- sông suối: Cũng là dấu hiệu quan trọng hàng đầu trong

phân tích ảnh Mạng lưới sông suối có quan hệ rất mật thiết với dạng địa hình, độdốc lớp vỏ phong hóa, nền thạch học, mạng lưới thủy văn là sản phẩm của quá trìnhtác động của dòng nước chảy trên mặt với vật chất nền, đồng thời nó cũng cho biếtđặc điểm cấu trúc địa chất của khu vực

Có các mạng lưới thủy văn cơ bản là:

Ngoài các dạng cơ bản dó người ta còn chia ra các dạng trung gian: Á song song,

á phân nhánh, hoặc còn chia theo mật độ: Phân nhánh mật độ cao, mạng mật độ cao