Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Luận văn đề cập đến các phương pháp xử lý ảnh viễn thám để xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất, đánh giá tác động của thuỷ điện tới
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Trần Đăng Ninh
ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT VÀ LỚP PHỦ MẶT ĐẤT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SƠN LA
BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội, 2018
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Trần Đăng Ninh
ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT VÀ LỚP PHỦ MẶT ĐẤT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SƠN LA
BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS
Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐINH THỊ BẢO HOA XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG
Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn
thạc sĩ khoa học
PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trần Đăng Ninh
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, các thầy cô trong Cục Bản đồ, Bộ Tổng Tham mưu, Quân đội nhân dân Việt Nam và các thầy, cô giáo trong Viện Địa lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận văn
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa, người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập, công tác và thực hiện luận văn này
Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô
và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!
TÁC GIẢ LUẬN VĂN Trần Đăng Ninh
Trang 5MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 7
MỞ ĐẦU 11
1 Tính cấp thiết 11
2 Mục tiêu nghiên cứu 13
3 Nhiệm vụ nghiên cứu 13
4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13
5 Phương pháp nghiên cứu 15
6 Cơ sở tài liệu 16
7 Kết quả đạt được 16
8 Ý nghĩa của luận văn 16
9 Bố cục của luận văn 17
CHƯƠNG I: CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG
SỬ DỤNG ĐẤT VÀ LỚP PHỦ MẶT ĐẤT BẰNG CÔNG NGHỆ
VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 18
1.1 Phương pháp luận đánh giá biến động sử dụng đất và lớp phủ
mặt đất bằng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý 18
1.1.1 Các khái niệm, định nghĩa 18
1.1.2 Phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong
xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất 20
1.1.3 Phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong
xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất 28
Trang 61.2 Cơ sở tư liệu phục vụ xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất
khu vực nghiên cứu 29
1.2.1 Tư liệu sử dụng 29
1.2.2 Phương pháp xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất cho khu vực nghiên cứu 30
1.2.3 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất
và lớp phủ mặt đất 34
CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT VÀ LỚP PHỦ MẶT ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 38
2.1 Đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu 38
2.1.1 Đặc điểm tự nhiên 38
2.1.2 Đặc điểm, thực trạng phát triển kinh tế, xã hội 41
2.2 Thủy điện Sơn La 42
CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT VÀ
LỚP PHỦ MẶT ĐẤT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA THUỶ ĐIỆN SƠN LA
BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS 45
3.1 Tích hợp thông tin, xây dựng CSDL biến động sử dụng đất 51
3.1.1 Xử lý ảnh viễn thám 51
3.1.2 Xử lý tư liệu bản đồ và thông tin địa lý 66
3.1.3 Tích hợp thông tin, hình thành CSDL phục vụ đánh giá biến động 66
3.2 Đánh giá biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất 67
3.2.1 Hiện trạng tài nguyên đất tỉnh Sơn La khu vực lưu vực sông Đà năm 2003 67
3.2.2 Hiện trạng tài nguyên đất tỉnh Sơn La khu vực lưu vực sông Đà năm 2009 73
Trang 73.2.3 Hiện trạng tài nguyên đất tỉnh Sơn La khu vực lưu vực sông Đà
năm 2014 79
3.2.4 So sánh cơ cấu sử dụng đất giữa khu vực trên đập và dưới đập 85
3.2.5 Biến động tài nguyên đất tỉnh Sơn La khu vực lưu vực sông Đà qua các năm 87
3.3 Đề xuất một số giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên đất khu vực nghiên cứu 104
3.3.1 Sử dụng đất bán ngập vùng lòng hồ thủy điện Sơn La 104
3.3.2 Đề xuất một số giải pháp canh tác trên đất dốc nhằm đảm bảo
phát triển bền vững 106
3.4 Đánh giá tác động của việc xây dựng thủy điện tới sinh kế của
người dân khu vực lưu vực sông 115
KẾT LUẬN 121
KIẾN NGHỊ 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
Trang 8DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CSDL Cơ sở dữ liệu
DEM Digital Elevation Model - Mô hình số địa hình
DSM Digital Surface Model - Mô hình số bề mặt
DTM Đánh giá tác động môi trường
GIS Geographic Information System - hệ thông tin địa lý
HTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất
NDVI Normalized difference vegetation index - Chỉ số khác biệt thực vật
PC Personal computer - Máy tính cá nhân
RS Remote sensing - viễn thám
UTM Universal Transverse Mercator
Trang 9DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Đập thủy điện Sơn La 11
Hình 1.2 Khu vực tái định cư 12
Hình 1.3 Phạm vi khu vực nghiên cứu 14
Hình 1.5 Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất từ ảnh viễn thám
bằng phương pháp giải đoán ảnh tự động 31
Hình 1.7 Quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất theo phương pháp
bản đồ - bản đồ 35
Hình 3.1 Mô hình số độ cao tỉnh Sơn La 45
Hình 3.2 Phạm vi khu vực nghiên cứu 46
Hình 3.3 Sơ đồ các cảnh ảnh vệ tinh Landsat phủ trùm khu vực nghiên cứu 47
Hình 3.4 Một mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 trong khu vực nghiên cứu 49
Hình 3.5 Cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:50.000 khu vực nhà máy thủy điện
Sơn La 50
Hình 3.6 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2014 khu vực thị trấn Ít Ong -
huyện Mường La 51
Hình 3.7 Chuyển đổi giá trị số về bức xạ 53
Hình 3.8 Hiệu chỉnh hình học 56
Hình 3.9 Kết quả hồi quy chuẩn hóa khác biệt thời gian kênh Xanh lá giữa hai ảnh Landsat năm 2003 và năm 2009 57
Hình 3.10 Bình đồ ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2003 58
Hình 3.11 Bình đồ ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2009 59
Hình 3.12 Bình đồ ảnh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2014 60
Hình 3.13 Chú giải bản đồ hiện trạng sử dụng đất 61
Hình 3.14 Chú giải bản đồ biến động sử dụng đất 62
Hình 3.15 Lựa chọn mẫu giải đoán ảnh (ROI) 64
Hình 3.16 Phân loại ảnh có kiểm định Maximum Likelihood 65
Hình 3.17 Đánh giá độ chính xác phân loại ảnh 65
Hình 3.18 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực trên đập năm 2003 68
Trang 10Hình 3.19 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực dưới đập năm 2003 71
Hình 3.20 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực trên đập năm 2009 74
Hình 3.21 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực dưới đập năm 2009 77
Hình 3.22 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực trên đập năm 2014 80
Hình 3.23 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất khu vực dưới đập năm 2014 83
Hình 3.24 Bản đồ biến động sử dụng đất khu vực trên đập giai đoạn 2003 - 2009 88
Hình 3.25 Bản đồ biến động sử dụng đất khu vực trên đập giai đoạn 2009 - 2014 91
Hình 3.26 Bản đồ biến động sử dụng đất khu vực dưới đập giai đoạn 2003 - 2009 96
Hình 3.27 Bản đồ biến động sử dụng đất khu vực dưới đập giai đoạn 2009 - 2014 99
Hình 3.28 Bản đồ độ dốc khu vực trên đập năm 2014 107
Hình 3.29 Bản đồ độ dốc khu vực dưới đập năm 2014 108
Hình 3.30 Mô hình SALT 113
Hình 3.31 Các xã thuộc tỉnh Sơn La nằm trong lưu vực sông Đà 115
Trang 11DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất để sử dụng với dữ liệu viễn thám
(Nguyễn Ngọc Thạch 2005) 19
Bảng 1.2 Các kênh phổ để tính NDVI trong các tư liệu viễn thám thông dụng 24
Bảng 2.1 Diện tích ba loại rừng tỉnh Sơn La năm 2013 41
Bảng 2.2 Dân số trung bình phân theo huyện/thành phố thuộc tỉnh 41
Bảng 3.1 Các ảnh Landsat chính được sử dụng trong lập bản đồ hiện trạng
sử dụng đất khu vực nghiên cứu 48
Bảng 3.2 Giá trị ESUNλ cho các kênh của vệ tinh Landsat 7 ETM+ 55
Bảng 3.3 Mẫu chìa khóa giải đoán 63
Bảng 3.4 Số liệu thống kê sử dụng đất khu vực trên đập năm 2003 69
Bảng 3.5 Số liệu thống kê sử dụng đất khu vực dưới đập năm 2003 72
Bảng 3.6 Số liệu thống kê sử dụng đất khu vực trên đập năm 2009 75
Bảng 3.7 Số liệu thống kê sử dụng đất khu vực dưới đập năm 2009 78
Bảng 3.8 Số liệu thống kê sử dụng đất khu vực trên đập năm 2014 81
Bảng 3.9 Số liệu thống kê sử dụng đất khu vực dưới đập năm 2014 84
Bảng 3.10 Ma trận biến động sử dụng đất khu vực trên đập giai đoạn
2003-2009 89
Bảng 3.11 Thống kê biến động sử dụng đất khu vực trên đập giai đoạn
2003 - 2009 89
Bảng 3.12 Ma trận biến động sử dụng đất khu vực trên đập giai đoạn
2009-2014 92
Bảng 3.13 Thống kê biến động sử dụng đất khu vực trên đập giai đoạn
2009 - 2014 92
Bảng 3.14 Số liệu thống kê sử dụng đất khu vực trên đập các năm 2003, 2009, 2014 94
Bảng 3.15 Ma trận biến động sử dụng đất khu vực dưới đập giai đoạn
2003 - 2009 97
Bảng 3.16 Thống kê biến động sử dụng đất khu vực dưới đập giai đoạn
2003 - 2009 97
Trang 12Bảng 3.17 Ma trận biến động sử dụng đất khu vực dưới đập giai đoạn
2009 - 2014 100
Bảng 3.18 Thống kê biến động sử dụng đất khu vực dưới đập giai đoạn
2009 - 2014 100
Bảng 3.19 Số liệu thống kê sử dụng đất tỉnh Sơn La khu vực lưu vực sông Đà 102
Bảng 3.20 Thống kê diện tích theo độ dốc địa hình khu vực trên đập năm 2014 109
Bảng 3.21 Thống kê diện tích theo độ dốc địa hình khu vực dưới đập năm 2014 109
Bảng 3.22 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta đất trồng trọt giai đoạn
2003 - 2009 116
Bảng 3.23 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta đất trồng trọt giai đoạn
2010 - 2014 116
Bảng 3.24 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta mặt nước nuôi trồng thủy sản giai đoạn 2003 - 2009 117
Bảng 3.25 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta mặt nước nuôi trồng thủy sản giai đoạn 2010 - 2014 118
Bảng 3.26 Sản lượng lương thực có hạt bình quân đầu người giai đoạn
2003 - 2009 119
Bảng 3.27 Sản lượng lương thực có hạt bình quân đầu người giai đoạn
2010 - 2014 120
Trang 13DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 3.1 Cơ cấu hiện trạng tài nguyên đất khu vực trên đập năm 2003 70
Biểu đồ 3.2 Cơ cấu hiện trạng tài nguyên đất khu vực dưới đập năm 2003 73
Biểu đồ 3.3 Cơ cấu hiện trạng tài nguyên đất khu vực trên đập năm 2009 76
Biểu đồ 3.4 Cơ cấu hiện trạng tài nguyên đất khu vực dưới đập năm 2009 79
Biểu đồ 3.5 Cơ cấu hiện trạng tài nguyên đất khu vực trên đập năm 2014 82
Biểu đồ 3.6 Cơ cấu hiện trạng tài nguyên đất khu vực dưới đập năm 2014 85
Biểu đồ 3.7 So sánh cơ cấu sử dụng đất khu vực lưu vực sông Đà năm 2003 85
Biểu đồ 3.8 So sánh cơ cấu sử dụng đất khu vực lưu vực sông Đà năm 2009 86
Biểu đồ 3.9 So sánh cơ cấu sử dụng đất khu vực lưu vực sông Đà năm 2014 87
Biểu đồ 3.10 So sánh diện tích một số loại đất khu vực trên đập năm 2003
và 2009 90
Biểu đồ 3.11 So sánh diện tích một số loại đất khu vực trên đập năm 2009
và 2014 93
Biểu đồ 3.12 Biểu đồ tăng/giảm diện tích các loại đất khu vực trên đập 95
Biểu đồ 3.13 So sánh diện tích một số loại đất khu vực dưới đập năm 2003
và 2009 98
Biểu đồ 3.14 So sánh diện tích một số loại đất khu vực dưới đập năm 2009
và 2014 101
Biểu đồ 3.15 Biểu đồ tăng/giảm diện tích các loại đất khu vực dưới đập 103
Biểu đồ 3.16 So sánh tỷ lệ % diện tích đất năm 2014 theo độ dốc địa hình 109
Biểu đồ 3.17 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta đất trồng trọt giai đoạn
2003 - 2009 116
Biểu đồ 3.18 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta đất trồng trọt giai đoạn
2010 - 2014 117
Biểu đồ 3.19 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta mặt nước nuôi trồng thủy sản giai đoạn 2003 - 2009 118
Biểu đồ 3 20 Giá trị sản phẩm thu được trên 1 héc ta mặt nước nuôi trồng thủy sản giai đoạn 2010 - 2014 118
Trang 14Biểu đồ 3.21 Sản lượng lương thực có hạt bình quân đầu người giai đoạn
2003 - 2009 119
Biểu đồ 3.22 Sản lượng lương thực có hạt bình quân đầu người giai đoạn
2010 - 2014 120
Trang 15là nguyên nhân gây biến động rất lớn về quỹ đất sử dụng, liên tục bị chuyển đổi mục đích sử dụng từ đất canh tác nông nghiệp sang đất phi nông nghiệp, từ mặt đất sang mặt nước…
Đặc biệt, sau hàng chục năm nghiên cứu, thiết kế theo nhiều giai đoạn đối với nhiều phương án khác nhau, ngày 15 tháng 1 năm 2004 Thủ tướng Chính phủ
đã phê duyệt đầu tư dự án thủy điện Sơn La theo Quyết định số 92/QĐ-TTg Dự án
là bậc thang thứ 2 nằm trên sông Đà (sau Thủy điện Lai Châu khởi công ngày 22/12/2010 và là bậc trên của Thủy điện Hòa Bình) Công trình chính thuộc địa phận xã Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La Hồ chứa nước thuộc một số xã, huyện thuộc tỉnh Sơn La, Điện Biên và Lai Châu
Hình 1.1 Đập thủy điện Sơn La
Trang 16Một số thông số và khối lượng chính của công trình thuỷ điện:
+ Diện tích lưu vực: 43.760 km2
+ Dung tích hồ chứa: 9,26 tỷ m3
+ Khối lượng đào đắp đất đá các loại: 14,673 triệu m3
+ Khối lượng bê tông các loại: 4,920 triệu m3, trong đó 2,238 triệu m3 bê tông CVC và 2,682 triệu m3 bê tông RCC
+ Xây dựng mới đường nội bộ dài 50km
Theo Báo cáo đánh giá tác động môi trường của dự án, dự báo đến năm 2010 sẽ có 18.968 hộ, gồm khoảng 90.000 khẩu sẽ phải di chuyển khỏi vùng lòng hồ
Hình 1.2 Khu vực tái định cư
Biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất khu vực Sơn La vì thế sẽ có nhiều đặc điểm vừa phổ biến, vừa riêng biệt Việc đánh giá sau khi thủy điện Sơn La chính thức đưa vào hoạt động rất quan trọng, ý nghĩa Tuy nhiên, xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất theo phương pháp đo đạc, điều tra truyền thống sẽ mất rất nhiều công sức, kinh phí và thời gian để thực hiện Mặc dù đã được quan tâm nghiên cứu, song việc kiểm kê đất đai của một vùng lãnh thổ cụ thể thường kéo dài trong thời gian 18 tháng và được cập nhật 5 năm 1 lần cho kết quả với độ chính xác
Trang 17chưa cao và mất nhiều thời gian Ngày nay với công nghệ phát triển mạnh mẽ bao gồm cả công nghệ thông tin và công nghệ vũ trụ trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã trở nên nhanh chóng, chính xác, tiết kiệm chi phí
Chính vì vậy, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn thạc sỹ, tác giả đã thực
hiện đề tài “Đánh giá biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất dưới tác động
của công trình thủy điện Sơn La bằng công nghệ viễn thám và GIS”
2 Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS đánh giá biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất dưới tác động của công trình thủy điện Sơn La, trong đó chia tách thành hai khu vực riêng biệt: lưu vực sông Đà phía trên đập thủy điện Sơn La và lưu vực sông Đà phía dưới đập thủy điện Sơn La Đề xuất một số giải pháp sử dụng hợp
lý tài nguyên đất khu vực nghiên cứu
3 Nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu trên, luận văn đã tiến hành giải quyết các nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu tình hình ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất nói chung; khả năng ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu đánh giá tác động của thuỷ điện
- Xây dựng CSDL viễn thám và GIS về hiện trạng, biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất khu vực Sơn La
- Nghiên cứu đánh giá tác động của công trình thủy điện Sơn La tới biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất, sinh kế của người dân sau tái định cư
- Nghiên cứu các giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên đất khu vực lưu vực sông sau khi ngăn dòng làm thủy điện, áp dụng các giải pháp tối ưu cho khu vực nghiên cứu
4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn đề cập đến các phương pháp xử lý ảnh viễn thám để xây dựng bản
đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất, đánh giá tác động của thuỷ điện tới biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất
Trang 18Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của luận văn là hiện trạng khai thác sử dụng đất, biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu và tác động của thuỷ điện Sơn La tới biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất khu vực tỉnh Sơn La
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu theo lưu vực
Phần thượng lưu: tập trung vào lưu vực hồ thủy điện Sơn La thuộc địa phận huyện Quỳnh Nhai và một phần các huyện Thuận Châu, Mường La, TP Sơn La
Phần hạ lưu: gồm huyện Bắc Yên và một phần các huyện Mường La, TP Sơn La, Mai Sơn, Phù Yên, Mộc Châu, Vân Hồ, Thuận Châu
Hình 1.3 Phạm vi khu vực nghiên cứu
Luận văn chỉ giới hạn nghiên cứu trong khu vực đã được khảo sát sơ bộ, thành lập các bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất tại khu vực đã được khảo sát và trên khu vực đó nghiên cứu đánh giá hiện trạng sử dụng, biến động sử dụng đất, đánh giá tác động của công trình thủy điện Sơn La
Trang 19Xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại các thời điểm:
2003 : Trước khi khởi công xây dựng nhà máy
2009 : Chuẩn bị kết thúc giai đoạn thi công
2014 : Giai đoạn nhà máy đã đi vào vận hành
Để từ đó xây dựng CSDL biến động sử dụng đất
5 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng kết hợp các phương pháp truyền thống và các phương pháp sử dụng công nghệ hiện đại như Viễn thám và GIS Phương pháp khảo sát thực địa ghi lại những kết quả quan sát nghiên cứu ngoài thực địa, thu thập tài liệu thực tế giúp chúng ta kiểm tra, đánh giá được những nhận định ban đầu về đối tượng nghiên cứu, v.v…
Phương pháp tổng hợp tài liệu
Mục đích tổng hợp tài liệu là tìm hiểu lịch sử nghiên cứu, nắm bắt để kế thừa những nội dung đồng nghiệp đi trước đã làm, không mất thời gian lặp lại những công việc mà đồng nghiệp đi trước đã thực hiện
Phương pháp kế thừa
Trong phạm vi đề tài nghiên cứu, học viên đã sử dụng các kết quả bản đồ đã được thành lập từ những giai đoạn trước bằng các phương pháp khác nhau để thành lập các bản đồ hiện trạng sử dụng đất ở các thời điểm nghiên cứu
Phương pháp viễn thám
Phương pháp chủ đạo được sử dụng trong luận văn là giải đoán tự động sử dụng phần mềm Envi (phân loại ảnh kết hợp) trên máy tính với sự trợ giúp của các
dữ liệu liên quan như: địa hình, thuỷ văn, lớp phủ thực vật được lưư trữ trên cơ sở
dữ liệu và có thể hiển thị đồng thời với ảnh vệ tinh
Phương pháp hệ thông tin địa lý
Hệ thống thông tin địa lý với khả năng phân tích không gian, được sử dụng
để phân tích biến động sử dụng đất nhờ việc chồng xếp bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các thời gian khác nhau và đặc biệt nhờ khả năng này có thể tích hợp các lớp thông tin khác như: dân cư, giao thông Các dữ liệu ảnh đã có toạ độ sẽ được
Trang 20chuyển vào Hệ thông tin địa lý cùng các dữ liệu phụ trợ khác Từ đó đánh giá tác động của thuỷ điện tới biến động sử dụng đất
Phương pháp phân tích thống kê
Đây là phương pháp tương đối phổ biến trong hầu hết các khóa luận nghiên cứu Khi tiến hành đánh giá tác động của thuỷ điện tới biến động sử dụng đất ta phải
so sánh, phân tích, xử lý và chọn lọc các số liệu theo mục tiêu nghiên cứu, phù hợp với nội dung của đề tài
Phương pháp chuyên gia
Tiến hành làm việc theo nhóm các chuyên gia khác nhau (tự nhiên, xã hội, sinh học, môi trường, địa lý, địa chất,…)
6 Cơ sở tài liệu
- Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000, 1/100.000
- Ảnh vệ tinh Landsat
- Mô hình số độ cao DEM tỷ lệ 1/50.000
- Cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1/25.000, 1/50.000
- Các đề tài, dự án đã thực hiện tại tỉnh Sơn La
7 Kết quả đạt đƣợc
- Một số kết luận đánh giá tác động của thuỷ điện tới biến động sử dụng đất
và lớp phủ mặt đất khu vực Sơn La
- Quy trình công nghệ tích hợp công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý xây dựng bản đồ hiện trạng, bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ bề mặt
- Đề xuất cơ sở khoa học cho các giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên đất phục vụ phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường khu vực nghiên cứu
8 Ý nghĩa của luận văn
Trang 21Luận văn cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà hoạch định chiến lược, các cơ quan trung ương và địa phương trong việc đánh giá tác động của các
dự án thuỷ điện, từ đó có quyết định đầu tư hợp lý hơn, tránh tình trạng quy hoạch xây dựng thuỷ điện tràn lan như hiện nay
9 Bố cục của luận văn
Luận văn được trình bày trong 128 trang, với 37 hình, 27 bảng, nội dung các chương Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn bao gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Cơ sở khoa học xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý
Chương 2: Các yếu tố tác động đến biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu
Chương 3: Đánh giá biến động sủ dụng đất và lớp phủ mặt đất dưới tác động của thuỷ điện Sơn La bằng công nghệ viễn thám và GIS
Trang 22CHƯƠNG I: CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG
SỬ DỤNG ĐẤT VÀ LỚP PHỦ MẶT ĐẤT BẰNG CÔNG NGHỆ
VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1.1 Phương pháp luận đánh giá biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý
1.1.1 Các khái niệm, định nghĩa
Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover):
Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy) và các cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá, ) bao phủ bề mặt đất Nước, băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998)
Phân loại lớp phủ mặt đất:
Sokal (1974) đã định nghĩa phân loại là việc sắp xếp các đối tượng theo các nhóm hoặc các tập hợp khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa chúng Một hệ thống phân loại miêu tả tên của các lớp và tiêu chuẩn phân biệt chúng
Các hệ thống phân loại có hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và không phân cấp Một hệ thống phân cấp thường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp nhiều lớp thông tin, bắt đầu từ các lớp ở quy mô lớn rồi phân chia thành các phụ lớp cấp thấp hơn nhưng thông tin chi tiết hơn (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998)
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn đã sử dụng hệ thống phân loại phân cấp, có tham khảo theo hệ thống phân loại của Mỹ (Anderson và nnk., 1976), được tổng hợp có chọn lọc phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam của Nguyễn Ngọc Thạch (2005)
Trang 23Bảng 1.1 Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất để sử dụng với dữ liệu viễn thám
(Nguyễn Ngọc Thạch 2005)
1 Đô thị hoặc
thành phố
11 Khu dân cư
12 Khu thương mại và dịch vụ
13 Nhà máy công nghiệp
2 Lúa - hoa màu 21 Mùa màng và đồng cỏ 22 Cây ăn quả
23 Chuồng trại gia súc 24 Nông nghiệp khác
Trang 24Hiện trạng sử dụng đất
Bản đồ hiện trạng sử dụng đất (bản đồ HTSDĐ) là tài liệu phản ánh thực tế
sử dụng đất ở thời điểm kiểm kê quỹ đất của các đơn vị hành chính các cấp các vùng kinh tế được lập trên cơ sở bản đồ nền thống nhất trong cả nước Bản đồ HTSDĐ được thành lập nhằm mục đích:
- Thống kê, kiểm kê toàn bộ quỹ đất đã giao và chưa giao sử dụng theo định
kỳ được thể hiện đúng vị trí, đúng diện tích và đúng loại đất
- Xây dựng tài liệu cơ bản phục vụ các yêu cầu cấp bách của công tác quản lý đất đai
- Làm tài liệu phục vụ công tác quy hoạch sử dụng đất và kiểm tra việc thực hiện quy hoạch và kế hoạch đã được phê duyệt
- Làm tài liệu cơ bản, thống nhất để các ngành khác sử dụng các quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất và định hướng phát triển của ngành mình, đặc biệt những ngành sử dụng nhiều đất như nông nghiệp, lâm nghiệp,…
1.1.2 Phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng bản
đồ hiện trạng sử dụng đất
a) Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất
Ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất có thể được chia ra làm 3 nhóm: (1) phân loại và thành lập bản đồ lớp phủ thực vật; (2) đánh giá, ước tính năng suất/sản lượng thông qua các chỉ số thực vật và chỉ số lý sinh; (3) nghiên cứu gián tiếp thông qua các tham số tính toán từ mô hình toán học trên tư liệu viễn thám Công tác phân loại và đánh giá biến động hiện trạng sử dụng đất thường được tiến hành với nguồn tư liệu viễn thám đa thời gian được chụp tại cùng một khu vực nghiên cứu
Phương pháp viễn thám được ứng dụng rất có hiệu quả cho việc nghiên cứu
sử dụng đất do:
- Các ảnh của một vùng rộng lớn có thể thu nhận sự thay đổi một cách rất
Trang 25- Các ảnh có độ phân giải thích hợp với việc phân loại các đối tượng trongviệc quan sát đo vẽ
- Ảnh viễn thám có thể giải quyết các công việc mà thông thường quan sát trên mặt đất rất khó
- Phân tích ảnh nhanh hơn và rẻ hơn rất nhiều so với quan sát thực địa
- Ảnh cung cấp các thông tin mà trong khi quan sát thực địa có thể bỏ sót
- Các ảnh có thể cung cấp một tập hợp các thông tin để đối chiếu so sánh các hiện tượng có sự thay đổi lớn như: sử dụng đất, lớp phủ mặt đất như rừng, nông nghiệp, thuỷ văn và sự phát triển đô thị
Như vậy, ảnh vệ tinh phản ảnh thực trạng bề mặt trái đất ở thời điểm chụp ảnh với độ chính xác và tính khách quan cao, trên ảnh vệ tinh đã thể hiện trực tiếp nhiều loại hình sử dụng đất Để nhận diện và phân tích các đối tượng trên bề mặt, thông tin quan trọng nhất của viễn thám chính là thông tin về phổ phản xạ.Việc giải đoán ảnh hay còn gọi là suy giải ảnh là việc “đọc” ảnh thông qua các dấu hiệu trực tiếp có trên ảnh hoặc các dấu hiệu gián tiếp (dấu hiệu chỉ định) để suy diễn Các dấu hiệu trực tiếp bao gồm dấu hiệu về màu sắc, cấu trúc, diện mạo và mật độ ảnh; dấu hiệu gián tiếp là các quy luật, đặc điểm phân bố, điều kiện sinh thái về các mối quan
hệ tương hỗ giữa các đối tượng
Có thể chia các dấu hiệu giải đoán thành 8 nhóm chính sau:
(1) Kích thước: Cần phải chọn một tỷ lệ ảnh phù hợp để giải đoán Kích thước tương đối của đối tượng có thể được xác định nếu lấy kích thước đo được trên ảnh nhân với nghịch đảo tỷ lệ của ảnh
(2) Hình dạng: có ý nghĩa quan trọng trong giải đoán ảnh; hình dạng đặc trưng cho mỗi đối tượng khi nhìn từ trên cao xuống được coi là dấu hiệu giải đoán quan trọng
(3) Hình bóng của vật thể dễ dàng nhận thấy khi nguồn sáng không nằm chính xác ở đỉnh đầu (nadir) hoặc trong trường hợp chụp ảnh xiên Căn cứ theo hình bóng của vật thể có thể xác định được chiều cao của chúng
Trang 26(4) Độ đậm nhạt: Mỗi vật thể được thể hiện bằng một cấp độ xám nhất định
tỷ lệ với cường độ phản xạ ánh sáng của nó Ví dụ cát khô phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng có màu trắng trong khi đó cát ướt do độ phản xạ kém hơn nên có màu tối hơn trên ảnh đen trắng Trên ảnh hồng ngoại đen trắng do thực vật phản xạ mạnh nên chúng có màu trắng và nước lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong giải sóng này nên bao giờ cũng có màu đen
(5) Màu sắc: là một chỉ thị rất tốt trong việc xác định các đối tượng Ví dụ các kiểu loài thực vật có thể được phát hiện dễ dàng ngay cả cho những người không có nhiều kinh nghiệm trong giải đoán ảnh khi sử dụng ảnh hồng ngoại màu các đối tượng khác nhau cho các tông màu khác nhau đặc biệt khi sử dụng ảnh đa phổ tổ hợp màu
(6) Cấu trúc: là một tập hợp của nhiều hình mẫu nhỏ Ví dụ một bãi cỏ không
bị lẫn các loài cây khác cho một cấu trúc mịn trên ảnh, ngược lại rừng hỗn giao cho một cấu trúc sần sùi Đương nhiên điều này còn phụ thuộc vào tỷ lệ của ảnh được
sử dụng
(7) Hình mẫu: một tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố thường theo một luật nhất định trên toàn ảnh và trong một mối quan hệ với đối tượng cần nghiên cứu Ví dụ hình ảnh của các dẫy nhà, hình mẫu của ruộng lúa nước, các đồi trồng chè tạo ra những hình mẫu đặc trưng riêng cho các đối tượng đó
(8) Mối liên quan: Một tổng thể các yếu tố giải đoán, môi trường xung quanh hoặc mối liên quan của đối tượng nghiên cứu với các đối tượng khác cung cấp một thông tin giải đoán quan trọng
Công tác giải đoán và chiết tách thông tin được tiến hành bằng các phương pháp khác nhau, qua đó khảo sát và đánh giá hiệu quả cho từng phương pháp Khả năng cung cấp thông tin của các tổ hợp ảnh cũng được đánh giá trong khâu này từ
đó rút ra kết luận về sự phù hợp giữa phương pháp giải đoán ảnh
Trang 27(i) Phương pháp phân loại tự động cho kết quả khách quan, nhanh chóng nhưng mức độ nhầm lẫn khá cao, thích hợp với việc lập báo cáo nhanh hoặc áp dụng cho những khu vực có các đối tượng đơn giản, tách biệt rõ ràng
Dựa trên những quy luật chung về sự tương tác giữa thảm che phủ và năng lượng điện từ, sự hiểu biết những đặc điểm chung về thảm thực vật tại khu vực nghiên cứu và việc thu thập các điểm thực địa cũng như lấy mẫu đối với từng loại thảm thực vật khác nhau, từ đó có thể phác họa được sự phân lớp chung nhất cho thảm che phủ Việc xử lý và phân tích tư liệu ảnh vệ tinh để nghiên cứu về thảm thực vật là xác định được sự phân bố của các loại thảm thực vật khác nhau
Nghiên cứu lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám thì việc quan trọng nhất là phải xác định được đâu là đất có lớp phủ thực vật và đâu là đất không có thực vật Để phân loại thảm thực vật cần phải dựa trên các chỉ số thực vật Chỉ số thực vật được xây dựng trên đặc tính phản xạ phổ của nó, đó là phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại và hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ Vì vậy độ chênh lệch về năng lượng phản xạ ở trên hai vùng sóng này càng lớn chứng tỏ ở đó thực vật càng dày và rừng càng tốt Hàm số của hai kênh ảnh đơn là kênh đỏ và kênh cận hồng ngoại được sử dụng để xây dựng kênh ảnh chỉ số thực vật cho nhiều chỉ số thực vật khác nhau: NDVI, RVI, IPVI, DVI, WDVI…, trong đó chỉ số thực vật “NDVI” được coi là chỉ số chuẩn được ứng dụng nhiều để xác định các đặc trưng về thảm thực vật
* Chỉ số thực vật (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index)
Đây là chỉ số thực vật tương đối được chuẩn hóa Chỉ số này đặc trưng về mặt định lượng cho khả năng quang hợp của sinh khối và thường được gọi là chỉ số thực vật Đây là một trong những chỉ số thông dụng nhất dùng khi giải quyết các vấn đề liên quan đến việc đánh giá định lượng lớp phủ thực vật
Chỉ số NDVI được tính theo công thức:
NDVI = (NIR-RED)/( NIR+RED)
Trang 28Ở đây NIR là độ phản xạ ở vùng phổ hồng ngoại gần, còn RED là độ phản xạ
ở vùng phổ đỏ
Theo công thức này, độ dày của thảm thực vật (NDVI) tại điểm xác định của ảnh viễn thám sẽ bằng hiệu của cường độ phản xạ tại hồng ngoại gần và đỏ chia cho tổng của chúng
Chỉ số NDVI có thể được tính dựa trên các ảnh viễn thám bất kỳ có các kênh phổ ở vùng đỏ (0,55 - 0,7µm) và vùng hồng ngoại (0,75 - 1,0µm) Thuật toán tính NDVI đã được đưa vào tất cả các phần mềm thông dụng được sử dụng để xử lý dữ liệu viễn thám (ArcView, Image Analysis, ERDAS Imagine, PCI, ENVI, ER-Mapper, v.v.)
Người ta sử dụng tổ hợp các kênh sau của các ảnh viễn thám thông dụng để tính chỉ số thực vật NDVI:
Bảng 1.2 Các kênh phổ để tính NDVI trong các tư liệu viễn thám thông dụng
Trang 29giải đoán ảnh hay còn gọi là suy giải ảnh là việc “đọc” ảnh thông qua các dấu hiệu trực tiếp có trên ảnh hoặc các dấu hiệu gián tiếp (dấu hiệu chỉ định) để suy diễn Các dấu hiệu trực tiếp bao gồm dấu hiệu về màu sắc, cấu trúc, diện mạo và mật độ ảnh; dấu hiệu gián tiếp là các quy luật, đặc điểm phân bố, điều kiện sinh thái về các mối quan hệ tương hỗ giữa các đối tượng Nhằm trợ giúp cho công tác giải đoán người ta thành lập các khoá giải đoán cho các đối tượng khác nhau Khoá giải đoán là tập hợp các dấu hiệu, yêu cầu giải đoán cho một đối tượng nhất định Kết quả giải đoán phụ thuộc vào khoá giải đoán Mục đích sử dụng khoá giải đoán nhằm làm chuẩn hoá kết quả giải đoán của nhiều người khác nhau Thông thường khoá giải đoán do những người có nhiều kinh nghiệm và hiểu biết thành lập dựa trên những vùng nghiên cứu thử nghiệm đã được điều tra kỹ lưỡng Tất cả 8 yếu tố giải đoán cùng với các thông tin về thời gian chụp ảnh, mùa, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào khoá giải đoán Một bộ khoá giải đoán thông thường bao gồm không chỉ phần mô tả ảnh mà còn mô tả bằng lời nữa Tuy nhiên phân tích ảnh viễn thám có một số thiếu sót là:
- Một số loài hình sử dụng đất khác nhau có thể không được phân biệt trên ảnh
- Nhiều thông tin theo chiều nằm ngang bị mất đi hoặc không rõ nét trên ảnh viễn thám, những thông tin này thường rất có giá trị để phân loại những đối tượng
sử dụng đất
- Đối với một vùng nhỏ thì chi phí cho sự nghiên cứu viễn thám trở nên đắt hơn các phương pháp truyền thống, vì vậy sẽ không kinh tế Sự phân tích viễn thám cần phải được kiểm tra bằng các thông tin mặt đất tại các điểm điển hình, như vậy kết quả sẽ trở nên rất chính xác
Ảnh viễn thám đã được sử dụng như là những phương tiện để thu nhận thông tin về bề mặt trái đất theo các thời kỳ để thành lập các bản đồ hiện trạng sử dụng đất
và lớp phủ thực vật Việc sử dụng tư liệu viễn thám đã được chứng minh là sự lựa chọn đúng đắn để phát hiện và quan trắc chuyển đổi sử dụng đất
Trang 30b) Ứng dụng Hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất GIS được sử dụng để tổ chức CSDL về sử dụng đất cho phép lưu trữ và tra cứu mọi thông tin liên quan đến sử dụng đất của một lãnh thổ Các nội dung về sử dụng đất được tổ chức thành các lớp và các nhóm Tùy theo yêu cầu ta có thể khai thác trên từng lớp riêng biệt hoặc tích hợp các lớp dữ liệu theo các phương pháp chuyên môn khác nhau để tạo ra những thông tin mới có giá trị
Ngoài ra các thông tin trong CSDL lại là cơ sở để giải đoán ảnh vệ tinh giúp nâng cao độ chính xác xử lý ảnh GIS còn là hệ thống lập bản đồ thông minh, cho phép gắn kết thông tin về vị trí của một đối tượng về sử dụng đất và lớp phủ với các thông tin kèm theo nó và thể hiện kết quả đó thành những bản đồ chính xác Hệ thống có khả năng liên kết các bản đồ các thời kỳ để tìm hiểu về diễn biến sử dụng đất và lớp phủ của lãnh thổ
c) Các ưu thế của công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu sử dụng đất Hiện nay các tư liệu viễn thám đang được sử dụng phổ biến để thành lập bản
đồ hiện trạng và nghiên cứu biến động sử dụng đất nhằm sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường Ứng dụng tư liệu viễn thám và công nghệ GIS có các ưu điểm sau:
- Khả năng cập nhật thông tin nhanh và có hệ thống
- Thể hiện phần lớn các thông tin về lớp phủ mặt đất
- Tư liệu viễn thám đa thời gian đáp ứng được yêu cầu về khả năng cập nhật
và tính chu kỳ trong nghiên cứu biến động
- Tư liệu viễn thám đảm bảo tính đồng nhất cao về không gian và thời gian của các thông tin trên phạm vi lãnh thổ lớn, cho phép chỉnh lý, bổ sung các yếu tố thành phần trong trường hợp cần thiết
- Sự kết hợp giữa các thông tin viễn thám với GIS, thông tin liên lạc từ vũ trụ, định vị từ xa cho phép đạt được độ chính xác cao hơn trong phân loại
Ngoài những ưu điểm nêu trên khi nghiên cứu về sử dụng đất và lớp phủ bằng công nghệ viễn thám còn các yếu tố sau cần lưu ý sau:
Trang 31- Độ chính xác hình học của ảnh vệ tinh, độ tin cậy xác định của các đối tượng thực vật mà ảnh vệ tinh đem lại
- Các đặc trưng riêng của các loại ảnh vệ tinh như ĐPG không gian, ĐPG phổ và chu kỳ chụp lặp lại
- Các điều kiện tự nhiên của vùng nghiên cứu
- Trình độ, kỹ năng của người giải đoán và điều kiện trang thiết bị, phần mềm sử dụng
Như đã phân tích ở trên, việc kết hợp giữa công nghệ viễn thám và GIS đã
mở ra khả năng to lớn cho việc ứng dụng chúng trong các lĩnh vực khoa học khác nhau Mặc dù còn nhiều vấn đề phải đầu tư như hoàn thiện trang thiết bị, mua tư liệu ảnh, đào tạo nhân lực về tổng thể sử dụng tư liệu viễn thám vẫn là một hướng cần tiếp cận để thành lập bản đồ và theo dõi, giám sát sử dụng đất và lớp phủ hiệu quả và có ý nghĩa thực tiễn
d) Các bước tiến hành trong công tác lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý
(1) Ảnh viễn thám: Kết quả của việc thu nhận ảnh từ vệ tinh sẽ có những tấm ảnh ở dạng tương tự hay dạng số, lưu trữ trên phim ảnh hoặc trên băng từ
(2) Số liệu mặt đất là tập hợp các quan sát mô tả, đo đạc về các điều kiện thực tế trên mặt đất của các vật thể cần nghiên cứu nhằm xác định mối tương quan giữa tín hiệu thu được và bản thân các đối tượng Nói chung các số liệu mặt đất cần phải được thu thập đồng thời trong cùng một thời điểm với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời gian sao cho các sự thay đổi của các đối tượng nghiên cứu trong thời gian đó không ảnh hưởng tới việc xác định mối quan hệ cần tìm
(3) Số liệu định vị mặt đất: Để có thể đạt được độ chính xác trong quá trình hiệu chỉnh hình học cần phải có các điểm định vị trên mặt đất có tọa độ địa lý đã biết Những điểm này thường được bố trí tại những nơi mà vị trí của nó có thể thấy được dễ dàng trên ảnh và bản đồ
(4) Bản đồ và số liệu địa hình: Để phục vụ cho các công tác nghiên cứu của viễn thám cần phải có những tài liệu địa hình và chuyên đề sau :
Trang 32- Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/100.000 hoặc 1/50.000 Trên bản đồ địa hình có thể lấy được toạ độ các kiểm tra phục vụ việc hiệu chỉnh hình học hoặc các thông số độ cao nhằm khôi phục lại mô hình thực địa
- Bản đồ chuyên đề: Các bản đồ chuyên đề sử dụng đất, rừng, địa chất tỷ lệ khoảng 1/500.000 đến 1/100.000 rất cần cho việc nghiên cứu chuyên đề, chọn vùng mẫu và phân loại
- Bản đồ kinh tế xã hội: Các ranh giới hành chính, hệ thống giao thông, các chỉ số thống kê công nông nghiệp… cũng là các thông tin quan trọng có thể được khai thác trong viễn thám
- Mô hình số địa hình: Bên cạnh các dạng bản đồ truyền thống, trong viễn thám còn sử dụng một dạng số liệu khác đó là mô hình số địa hình hay mô hình số
độ cao được tạo ra từ đường bình độ, lưới số liệu độ cao phân bố đều, lưới số liệu
độ cao phân bố ngẫu nhiên hay các hàm mô tả bề mặt Các thông tin về môi trường xung quanh, góc chiếu và độ cao mặt trời, cường độ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm không khí, hướng và tốc độ gió
1.1.3 Phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng bản
đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất
Trong đánh giá biến động hiện trạng sử dụng đất có 4 bước như sau: (i) nhận định xem có sự thay đổi hay không; (ii) xác định đặc điểm của biến động; (iii) đo đạc phạm vi biến động; và (iv) tính toán cấu trúc không gian của biến động
Để có thể ứng dụng thành công tư liệu viễn thám trong phân tích biến động, việc lựa chọn bộ cảm biến, nghiên cứu đặc điểm môi trường và các phương pháp xử
lý ảnh cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng Các yếu tố như độ phân giải không gian,
độ phân giải thời gian và độ phân giải quang phổ của tư liệu viễn thám có ảnh hưởng rất lớn đến sự thành công của một nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám trong đánh giá biến động Bên cạnh đó, các yếu tố môi trường quan trọng như điều kiện khí quyển, độ ẩm của đất và đặc điểm sinh quyển cũng ảnh hưởng không nhỏ tới kết quả nghiên cứu
Trang 33Trong số rất nhiều các yêu cầu của bước tiền xử lý cho phân tích biến động, việc nắn chỉnh hình học series các ảnh đa thời gian và hiệu chỉnh tác động của khí quyển là hai công đoạn quan trọng nhất Hiển nhiên, việc nắn chỉnh hình học chính xác các ảnh đa thời gian sẽ quyết định đến độ chính xác của bước chồng ghép nhằm tìm ra khu vực biến động Các đối tượng được coi là “rác phân loại” sẽ sinh ra nếu những series ảnh này không được nắn chỉnh hình học một cách chính xác Việc chuyển đổi từ tín hiệu số sang năng lượng phản xạ hoặc bức xạ bề mặt được coi là bắt buộc trong các phân tích định lượng từ chuỗi số liệu ảnh đa thời gian Hàng loạt các phương pháp khác nhau như cân chỉnh độ tương phản, bóc tách đối tượng bị bóng đen, mô phỏng tín hiệu của vệ tinh theo quang phổ mặt trời, đã được phát triển phục vụ hiệu chỉnh tín hiệu điện từ và hiệu ứng khí quyển trên ảnh vệ tinh Nếu khu vực nghiên cứu có địa hình đồi núi gồ ghề thì việc nắn chỉnh hình học trực giao cần phải được tiến hành
Trước khi tiến hành phân tích biến động một số điều kiện sau cần được đáp ứng: Hiệu chỉnh hình học chính xác chuỗi ảnh đa thời gian; Hiệu chỉnh chính xác tín hiệu quang phổ và hiệu ứng khí quyển; Lựa chọn thời điểm tương đồng theo mùa của chuỗi ảnh đa thời gian;Lựa chọn các ảnh có cùng độ phân giải không gian
và độ phân giải quang phổ nếu có thể
Đối với từng nghiên cứu khác nhau, sau khi khu vực nghiên cứu và tư liệu viễn thám được lựa chọn, việc lựa chọn phương pháp đánh giá biến động phù hợp
có ý nghĩa quyết định đến chất lượng của kết quả phân tích
1.2 Cơ sở tƣ liệu phục vụ xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất khu vực nghiên cứu
- Cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1/25.000, 1/50.000
- Các đề tài, dự án đã thực hiện tại Sơn La
Trang 341.2.2 Phương pháp xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất cho khu vực nghiên cứu
1.2.2.1 Phương pháp giải đoán tự động
Thực hiện gồm 3 bước như sau:
Tiền xử lý ảnh: Công tác xử lý ảnh trước khi phân loại:
- Tài liệu ảnh vệ tinh là tư liệu ảnh Landsat được sử dụng cho việc thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất
- Tài liệu bản đồ: bản đồ địa hình được sử dụng để hiệu chỉnh hình học
- Hiệu chỉnh bức xạ, khí quyển: Số liệu ảnh vệ tinh ở mức hiệu chỉnh địa hình cần được đưa về giá trị phản xạ trên đỉnh khí quyển Các bước thực hiện gồm:
+ Sử dụng các hệ số kiểm định trong tệp mô tả dữ liệu (metadata) để chuyển đổi giá trị DN từng kênh phổ về giá trị bức xạ
+ Tiếp tục chuyển đổi về giá trị phản xạ có hiệu chỉnh ảnh hưởng theo mùa
và độ cao mặt trời
- Hiệu chỉnh hình học: Đưa ảnh về hệ toạ độ và hệ quy chiếu cần thành lập bản đồ Đồng thời loại bỏ các sai số hình học, sai số do chênh cao địa hình Tư liệu
để nắn ảnh thường được dùng là bản đồ địa hình hoặc các số liệu tọa độ mặt phẳng
và độ cao đo được ngoài thực địa
- Số liệu thực địa: mẫu ảnh vệ tinh phục vụ công tác xử lý ảnh, các số liệu đo GPS phục vụ công tác nắn ảnh
Phân loại ảnh: Xử lý ảnh và chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám
- Phân loại ảnh có kiểm định sử dụng phương pháp Maximum Likelihood:
Sử dụng các điểm khảo sát thực địa về sử dụng đất kết hợp với bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã có chọn các mẫu giám định phân loại theo bản chú giải và tính toán các chỉ số thống kê vùng mẫu, Phân loại có giám định các đối tượng Mẫu giám định được xác định trên thực địa Chọn mẫu giám định phụ thuộc vào khả năng suy giải của người thực hiện và độ tin cậy của dữ liệu thực địa
Trang 35Hình 1.4 Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất từ ảnh viễn thám
bằng phương pháp giải đoán ảnh tự động Phân loại ảnh tích hợp GIS: Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất trên cơ
sở tích hợp dữ liệu GIS các thông tin về địa chất, địa hình (DEM), đất, giao thông
và đặc biệt là bản đồ sử dụng đất đã có thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất
- Lọc ảnh sau phân loại là bước loại bỏ các đơn vị sử dụng đất nhỏ lẻ so với
tỷ lệ bản đồ đưa về các đơn vị sử dụng đất chính, đa số xung quanh (phương pháp lọc Majority)
- Hệ thống hỗ trợ ra quyết định cho kết quả thành lập bản đồ sử dụng đất là các thông tin về địa chất, địa hình (DEM), đất, giao thông và bản đồ sử dụng đất
đã có trên cơ sở chồng ghép các thông tin sau đó ra quyết định về sử dụng đất đã phân loại
Như chúng ta đã biết, bản đồ hiện trạng sử dụng đất thể hiện các khoanh vi đơn vị sử dụng đất theo các mục đích sử dụng Do vậy ranh giới giữa các khoanh vi
có thể được xác định được theo các đặc trưng hình ảnh không gian như mặt nước,
Trang 36đất rừng, dân cư đô thị dày, đất trồng cây hàng năm theo mùa… nhưng cũng nhiều đơn vị không xác định được theo các nhận biết không gian như đất ở nông thôn đặc biệt ở miền núi, đất chuyên dùng… Vì vậy với các đối tượng này cần phải tham khảo, kế thừa từ các bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã có, đã điều tra
trên cơ sở các điểm kiểm tra lấy ngẫu nhiên trên mỗi lớp sử dụng đất Đối với mỗi bản đồ, một ma trận nhầm lẫn đã được tạo ra và các biện pháp chính xác được tính toán Việc sử dụng các biện pháp như độ chính xác tổng thể, thống kê Kappa, độ chính xác của nhà sản xuất, độ chính xác của người dùng và Kappa có điều kiện, là khá phổ biến và giải thích chi tiết trong nhiều tài liệu
Quá trình đánh giá độ chính xác sử dụng các điểm tham chiếu thực địa được thu thập trong suốt quá trình điều tra, khảo sát thực địa Ma trận đánh giá độ chính xác được áp dụng để thể hiện kết quả đối chiếu giữa các điểm thực địa và kết quả phân loại Ma trận này thể hiện 3 loại độ chính xác: độ chính xác tổng thể, độ chính xác nhà sản xuất và độ chính xác người sử dụng Độ chính xác tổng thế được tính bằng cách: lấy tổng số điểm tham chiếu thực địa được phân loại đúng (kết quả phân loại giống với kết quả thực địa) chia cho tổng số điểm tham chiếu thực địa Nó được tính bằng công thức sau:
Trong đó:
N: Tổng số điểm lấy mẫu
r: Số lớp đối tượng phân loại
xii: Số điểm đúng trong lớp thứ i
xi+: Tổng số điểm lớp thứ i của mẫu
x : Tổng số điểm lớp thứ i sau phân loại
Trang 37Ưu và nhược điểm của phương pháp sử dụng
Ưu điểm
- Giải đoán ảnh viễn thám theo phương pháp tự động đem lại kết quả khách quan ít phụ thuộc vào chủ quan của con người chỉ bị ảnh hưởng bởi khâu lựa chọn điểm chìa khóa
- Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất kết hợp giữa 2 phương pháp giải đoán ảnh không có kiểm định và giải đoán ảnh có kiểm định đem lại kết quả khách quan, ít bị ảnh hưởng bởi chủ quan của người giải đoán ảnh
- Việc ứng dụng công nghệ GIS tích hợp giữa các bản đồ HTSDĐ đã có và bản đồ HTSDĐ từ kết quả giải đoán ảnh viễn thám nhằm nâng cao độ chính xác và bổ sung các nội dung còn thiếu mà công nghệ viễn thám không cung cấp được là việc làm có ý nghĩa khoa học
- Quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất trên cơ sở chồng ghép các bản đồ ở các thời kỳ khác nhau đã tạo ra dẫn xuất là các bản
đồ HTSDĐ các thời kỳ và bản đồ biến động Các sản phẩm này là các tài liệu cho các nghiên cứu khác có liên quan tham khảo, ứng dụng
Nhược điểm:
Bản chất của việc ứng dụng các thiết bị điện tử phục vụ mục đích các công việc là mô phỏng tri thức của con người nên độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào số lượng và chất lượng dữ liệu đầu vào Như vậy cần đưa vào xử lý nhiều thông tin liên quan và độ tin cậy của dữ liệu Tuy nhiên rất cần thiết tư duy con người trong mối quan hệ hữu cơ giữa các đối tượng và hiện tượng để nhận biết các đối tượng mà dữ liệu đầu vào ta chưa có hoặc chưa mô phỏng được vào trong phần mềm sử dụng
Trang 381.2.3 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và lớp phủ mặt đất
Trong nghiên cứu biến động việc lựa chọn phương pháp là rất quan trọng Trước tiên, chúng ta phải xác định được phương pháp phân loại ảnh mà ta sử dụng Sau đó cần xác định rõ yêu cầu nghiên cứu có cần biết chính xác thông tin về nguồn gốc của sự biến động hay không Từ đó có sự lựa chọn phương pháp thích hợp Tuy nhiên tất cả các nghiên cứu đều cho thấy rằng, các kết quả về biến động đều phải được thể hiện trên bản đồ biến động và bảng tổng hợp Các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau sẽ cho những bản đồ biến động khác nhau Có nhiều phương pháp nghiên cứu biến động thường được sử dụng Dưới đây là một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động
1.2.3.1 Nghiên cứu biến động sử dụng tư liệu bản đồ (bản đồ - bản đồ)
Phương pháp này sử dụng ảnh vệ tinh thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất từng thời kỳ: Trực tiếp thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất thời kỳ 1 và thời kỳ 2 Trong phương pháp này, mỗi thời kỳ đều được thành lập bản đồ hiện trạng riêng Sau
đó so sánh bằng phương pháp chập bản đồ để phát hiện biến động Dữ liệu bản đồ sử dụng trong trường hợp này ở dạng vector và đã được biên tập thành cơ sở dữ liệu GIS Việc tính toán biến động sẽ thực hiện bằng các phần mềm GIS như Arcview, ArcGIS…Khi đó kết quả thu được sẽ ở dạng vector Phương pháp này sử dụng tương đối phổ biến Tiện dụng cho cách theo dõi định kỳ Kết quả vừa có bản đồ hiện trạng vừa có bản đồ biến động Ngoài ra lập bản đồ hiện trạng theo cách này có thể sử dụng các loại ảnh khác nhau với các phương pháp xử lý khác nhau
Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng tư liệu bản đồ được thực hiện như sau:
Trang 39Hình 1.5 Quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất
theo phương pháp bản đồ - bản đồ
Bước 1: Thu thập số liệu: Công tác thu thập dữ liệu bao gồm
- Ảnh viễn thám: Ảnh viễn thám khi thu thập phải có độ phân giả phù hợp đảm bảo
độ chính xác cho bản đồ ở tỉ lệ cần thành lập
- Số liệu thực địa: Số liệu thực địa được thu thập trong quá trình điều tra thực địa
phục vụ công tác lập bản đồ, bao gồm dữ liệu dùng lập mẫu khoá ảnh, đo GPS lấy
số liệu phục vụ công tác nắn ảnh…
Số liệu thực địa Ảnh viễn thám thời kỳ 2 Ảnh viễn thám thời kỳ 1
Xử lý, chiết tách thông tin
từ ảnh viễn thám Xử lý, chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám
Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ thời kỳ 1
Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ thời kỳ 2
Chồng ghép, phân tích và xử
lý diễn biến
Bản đồ biến động
Lưu trữ và in bản đồ
Thống kê số liệu diễn biến
Trang 40- Dữ liệu bản đồ: Dữ liệu bản đồ bao gồm bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các
loại Các bản đồ này được sử dụng để biên tập các lớp thông tin nền bản đồ và làm tài liệu tham khảo cho các việc thành lập các bản đồ hiện trạng
- Dữ liệu khác: Các tài liệu nghiên cứu có trên khu vực, cơ sở dữ liệu số Các dữ
liệu này được xử lý thành các thông tin bản đồ hoặc sử dụng làm các thông tin bổ trợ trong quá trình xây dựng bản đồ hiện trạng cũng như bản đồ biến động
Bước 2: Chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám: Quá trình tách chiết thông tin ở đây
thực chất bao gồm các công đoạn như xử lý ảnh vệ tinh, nắn chỉnh hình học, hiệu chỉnh phổ màu, xây dựng DEM, thành lập bình đồ ảnh 2 thời kỳ, giải đoán phân loại ảnh theo mẫu khoá ảnh
Bước 3: Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2 thời kỳ: Kết hợp các thông tin
bản đồ nền với các thông tin chiết xuất từ ảnh vệ tinh được vector hóa, chỉnh hợp các thông tin giữa ảnh vệ tinh và bản đồ chuyên đề các loại Cập nhật cơ sở dữ liệu GIS về thông tin sử dụng đất Biên tập các nội dung bản đồ sử dụng đất để thành lập bản đồ sử dụng đất 2 thời kỳ
Bước 4: Biên tập lớp thông tin biến động: Trên cơ sở các lớp thông tin hiện trạng
các thời kỳ đã xây dựng trong cơ sở dữ liệu GIS mà tiến hành phân tích diễn biến
Từ cơ sở dữ liệu GIS thống kê số liệu và thông tin diễn biến sử dụng đất, từ đó biên tập hoàn thiện bản đồ biến động
Bước 5: In bản đồ hiện trạng, bản đồ biến động
Cùng với các tiến bộ của công nghệ vũ trụ, việc áp dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong quản lý tài nguyên nói chung và giám sát hiện trạng cũng như biến động sử dụng đất ngày càng trở lên phổ biến vì những ưu điểm mà chúng mang lại Đến nay RS và GIS được sử dụng như là “công nghệ đi đầu” rất có ưu thế giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách có những phương án lựa chọn mang tính chiến lược trong việc sử dụng, quản lý và giám sát sử dụng đất