Ứng dụng gis và viễn thám đánh giá biến động sử dụng đất huyện thạch thành, tỉnh thanh hóa

Để có thể theo dõi biến động đất đai chúng ta cần xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất đai, từ đó giúp chúng ta nắm rõ cơ cấu các loại đất, vị trí và diện tích các loại đất, phản ánh hi

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Thị Giang

NHÀ XUẤT BẢN HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo

vệ lấy bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Trần Tuấn Anh

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết

ơn sâu sắc tới PGS TS Lê Thị Giang đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn hệ thống thông tin đất đai, Khoa quản lý đất đai – Học viện Nông nghiệp Việt Nam

đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ các cơ quan: Văn phòng Đăng ký đất đai tỉnh Thanh Hóa, UBND huyện, phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Thạch Thành - tỉnh Thanh Hóa cùng chính quyền các xã, thị trấn thuộc huyện Thạch Thành đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Trần Tuấn Anh

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt vi

Danh mục bảng vii

Danh mục hình viii

Trích yếu luận văn ix

Thesis abstract xi

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thıết của đề tàı 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phạm vı nghıên cứu 2

1.4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

Phần 2 Tổng quan tài liệu 4

2.1 Công nghệ viễn thám 4

2.1.1 Khái niệm chung về công nghệ viễn thám 4

2.1.2 Phương pháp xử lý thông tin viễn thám 4

2.1.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám 9

2.2 Hệ thống thông tın địa lý (GIS) 10

2.2.1 Khái quát chung về GIS 10

2.2.2 Các thành phần chính của GIS 11

2.2.3 Ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý 12

2.3 Khái quát chung về biến động đất đai 13

2.3.1 Khái niệm biến động đất đai 13

2.3.2 Yêu cầu về tư liệu để tạo ảnh biến động đất đai 13

2.3.3 Các phương pháp đánh giá biến động đất đai 14

2.4 Tích hợp hệ thống thông tın địa lý (GIS) và vıễn thám trong nghıên cứu bıến động đất đaı 21

2.4.1 Khái quát về công nghệ tích hợp viễn thám và GIS 21

2.4.2 Ứng dụng của công nghệ tích hợp viễn thám và GIS 22

2.4.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa

lý (GİS) trong và ngoài nước 23

Phần 3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 32

3.1 Địa đıểm nghıên cứu 32

3.2 Thờı gıan nghıên cứu 32

3.3 Đốı tượng/vật lıệu nghıên cứu 32

3.4 Nộı dung nghıên cứu 32

3.4.1 Đánh giá điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội huyện Thạch Thành, Tỉnh Thanh Hóa 32

3.4.2 Đánh giá tình hình quản lý, sử dụng đất huyện Thạch Thành, Tỉnh Thanh Hóa 32

3.4.3 Xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2014 và 2017 Huyện Thạch Thành, Tỉnh Thanh Hóa 32

3.4.4 Xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2014 - 2017 huyện Thạch Thành, Tỉnh Thanh Hóa 33

3.5 Phương pháp nghiên cứu 34

3.5.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 34

3.5.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 34

3.5.3 Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám và đánh giá độ chính ảnh phân loại 34

3.5.4 Phương pháp phân tích không gian của GIS 35

3.5.5 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu 35

Phần 4 Kết quả nghiên cứu 36

4.1 Đıều kıện tự nhıên, thực trạng phát trıển kınh tế - xã hộı huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa 36

4.1.1 Điều kiện tự nhiên 36

4.1.2 Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội 38

4.2 Tình hình quản lý sử dụng đất huyện Thạch Thành 42

4.2.1 Tình hình quản lý đất đai 42

4.2.2 Hiện trạng sử dụng đất 45

4.3 Xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2014 và năm 2017 huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa 47

4.3.1 Tài liệu sử dụng 47

4.3.2 Xử lý ảnh 48

4.3.3 Xây dựng tệp mẫu các loại sử dụng đất 52

4.3.4 Phân loại ảnh 56

4.3.5 Đánh giá độ chính xác phân loại ảnh 57

4.3.6 Biên tập bản đồ hiện trạng sử dụng đất 61

4.4 Xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất huyện Thạch Thành giai đoạn 2014 - 2017 66

Phần 5 Kết luận và kiến nghị 72

5.1 Kết luận 72

5.2 Kiến nghị 73

Tài liệu tham khảo 74

Phụ lục 76

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt

FAO Tổ chức Nông nghiệp và Lương thực Liên hợp Quốc (Food

and Agriculture Organization of the United Nations)

GCN QSDĐ Giấy chứng nhận quyền sử dụng đất

GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographie Information System) SDD Sử dụng đất

SQL Ngôn ngữ truy vấn cấu trúc (Structure Query Language)

TNMT Tài nguyên Môi trường

UBND Ủy ban nhân dân

VD Ví dụ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng so sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám 8

Bảng 2.2 Bảng ma trận biến động giữa hai thời gian a và b 17

Bảng 4.1 Diện tích các loại đất năm 2017 huyện Thạch Thành 46

Bảng 4.2 Thông tin ảnh viễn thám sử dụng 46

Bảng 4.3 Mô tả các loại sử dụng đất 53

Bảng 4.4 Giá trị khác biệt phổ giữa các mẫu phân loại ảnh năm 2017 55

Bảng 4.5 Mẫu giải đoán ảnh vệ tinh 56

Bảng 4.6 Đánh giá độ chính xác phân loại ảnh 2014 60

Bảng 4.7 Đánh giá độ chính xác phân loại ảnh 2017 60

Bảng 4.8 Thống kê diện tích các loại đất năm 2014 và năm 2017 64

Bảng 4.9 So sánh diện tích kết quả giải đoán với diện tích thống kê năm 2014 65

Bảng 4.10 So sánh diện tích kết quả giải đoán với diện tích thống kê năm 2017 66

Bảng 4.11 Biến động sử dụng đất giai đoạn 2014 - 2017 67

Bảng 4.12 Ma trận biến động các loại sử dụng đất giai đoạn 2014 - 2017 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 15

Hình 2.2 Phương pháp đánh giá biến động tạo thay đổi phổ 16

Hình 2.3 Véc tơ thay đổi phổ 19

Hình 2.4 Phương pháp đánh giá biến động sau phân loại 19

Hình 4.1 Vị trí huyện Thạch Thành trong địa phận tỉnh Thanh Hóa 36

Hình 4.2 Cơ cấu sử dụng đất năm 2017 huyện Thạch Thành 45

Hình 4.3 Cảnh ảnh Landsat 8 mã hiệu 127-046 thời điểm 19/9/2014 47

Hình 4.4 Cảnh ảnh Landsat 8 mã hiệu 127-046 thời điểm 08/9/2017 48

Hình 4.5 Sai số thành phần các điểm khống chế nắn ảnh năm 2014 49

Hình 4.6 Sai số thành phần các điểm khống chế nắn ảnh năm 2017 49

Hình 4.7 Tăng cường chất lượng ảnh 51

Hình 4.8 Ảnh được cắt theo địa giới hành chính huyện Thạch Thành năm 2014 51

Hình 4.9 Ảnh được cắt theo địa giới hành chính huyện Thạch Thành năm 2017 52

Hình 4.10 Sơ đồ các điểm lấy mẫu 53

Hình 4.11 Minh họa kết quả phân loại có kiểm định 57

Hình 4.12 Kết quả phân loại ảnh năm 2014 và 2017 57

Hình 4.13 Ảnh thực địa 58

Hình 4.14 Sơ đồ các điểm kiểm tra kết quả giải đoán ảnh 58

Hình 4.15 Sơ đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2014 62

Hình 4.16 Sơ đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2017 63

Hình 4.17 Sơ đồ biến động đất đai giai đoạn 2014 - 2017 huyện Thạch Thành 66

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tên tác giả: Trần Tuấn Anh

Tên Luận văn: Ứng dụng GIS và viễn thám đánh giá biến động sử dụng đất huyện

Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa

Ngành: Quản lý đất đai Mã số: 8850103

Tên cơ sở đào tạo: Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam

Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa giai đoạn

2014 - 2017 bằng công nghệ GIS và viễn thám

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp

- Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp

- Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

- Phương pháp đánh giá độ chính xác ảnh phân loại

- Phương pháp phân tích không gian của GIS

- Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Kết quả chính và kết luận

Kết quả chính

- Đánh giá được điều kiện tự nhiên, thực trạng phát triển kinh tế - xã hội huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa

- Đánh giátình hình quản lý sử dụng đất huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa

- Xây dựng được bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2014 và năm 2017 huyên Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa

- Xây dựng được bản đồ biến động sử dụng đất huyện Thạch Thành giai đoạn

2 Công tác quản lý nhà nước về đất đai được Ủy ban nhân dân các cấp quan tâm và thực hiện đúng theo quy định như công tác đo đạc, lập bản đồ địa chính đã thực hiện 28/28 xã thị trấn, công tác cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất cũng đang được đẩy mạnh; công tác thống kê, kiểm kê đất đai những năm gần đây được thực hiện đồng

bộ theo Luật Đất đai 2013, Thạch Thành là huyện miền núi, người dân chủ yếu sống bằng sản xuất nông nghiệp nên diện tích đất nông nghiệp vẫn chiếm phần lớn tổng diện tích tự nhiên toàn huyện 46.200,88 ha, diện tích đất phi nông nghiệp là 8.221,35 ha và diện tích đất chưa sử dụng chiếm phần nhỏ là 1.509,49 ha

3 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2014 và năm 2017 được xây dựng bằng ảnh vệ tinh theo phương pháp xác suất cực đại Sử dụng 100 điểm điều tra thực địa để đánh giá độ chính xác bản đồ cho thấy: bản đồ năm 2014 có độ chính xác đạt 86,00% với chỉ số Kappa tương ứng k = 0,83 và bản đồ năm 2017 có độ chính xác 91,00% với chỉ số Kappa = 0,89 Như vậy ảnh hai thời điểm đều có độ chính xác cao Khi so sánh diện tích các loại đất theo giải đoán ảnh vệ tinh và theo số liệu thống kê đất đai năm 2017 và kiểm kê đất đai năm 2014 thì sự chênh lệch năm 2017 thấp hơn năm 2014 do thời điểm năm 2017 gần với thời điểm đi khảo sát thực địa hơn nên độ chính xác cao hơn

4 Bản đồ biến động đất đai giai đoạn 2014 - 2017 huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa được thành lập bằng phương pháp chồng xếp bản đồ hiện trạng sử dụng đất thời điểm năm 2014 và năm 2017 trong GIS Kết quả phân tích nguyên nhân biến động cho thấy trong giai đoạn 2014 - 2017 diện tích các loại đất thay đổi như sau: diện tích đất trồng lúa nước giảm 7,84 ha, diện tích đất trồng cây hàng năm khác giảm 54,36 ha, diện tích đất trồng cây lâu năm tăng 7,59 ha, diện tích đất lâm nghiệp giảm 15,76 ha, diện tích đất mặt nước tăng 13,92 ha, diện tích đất xây dựng giảm 56,45 so với năm 2014

THESIS ABSTRACT

Master candidate: Tran Tuan Anh

Thesis title: Application GIS and remote sensing to assess the land use change in

ThachThanh district, ThanhHoa province

Major: Land Management Code: 8850103

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)

Research objectives

To evaluate the land use changes in ThachThanh district, ThanhHoa province

from 2014 to 2017 using GIS and remote sensing technology

Research Methods

- Method of secondary data collection

- Method of primary data collection

- Method of remote sensing image interpretation

- Method of image classification accuracy

- Spatial analysis method of GIS

- Method of statisticals and data processing

Main results and conclusions

Main results:

- Assess the natural conditions, socio-economic development situation in Thach Thanh district, Thanh Hoa province

- Assess the land use management in Thach Thanh district, Thanh Hoa province

- Develop a land use status map in 2014 and 2017 for Thach Thanh district, Thanh Hoa province

- Develop the land use change map of Thach Thanh district from 2014 to 2017

Conclusions

1.Thach Thanh is a mountainous district in the west of Thanh Hoa province, adjacent to Ninh Binh and Hoa Binh provinces and not far from Van Du industrial zone Thach Thanh district has many arterial roads passing through, creating favorable conditions for cultural exchange, economic development and consumption of products Along with that, the trend of urban development has positive direction to contribute to create momentum for the socio-economic development of the district

2 The state management of land has been paid attention by the people's committees at all levels and is done in accordance with the regulations such as the surveying and mapping of cadastral map has carried out in 28/28 communes, issuing land use certificates was also being promoted; Land survey and inventory in recent years has been carried out comprehensively in accordance with the Land Law 2013 Thach Thanh is a mountainous district where people live mainly on agricultural land, so the area of agricultural land still occupy the majority of the total natural area of 46,200,88 ha, the area of non-agricultural land is 8,221.35 ha and unused land accounts for a small part of 1,509.49 ha

3.The current land use map of 2014 and 2017 was developed using satellite images with the method of maximum probability Using 100 field sites to assess map accuracy showed that 2014 map had an accuracy of 86.00% with corresponding Kappa index of k = 0.83 and 2017 map had an accuracy of 91.00% with Kappa index = 0.89 Thus, two moments’ photographs have high accuracy By comparing the land area of satellite imagery and land inventory in 2017 and the land inventory in 2014, the difference in 2017 is lower than in 2014 due to the time of 2017 close to the time of field trip so the map should be more accurate

4 The land use change map of 2014 - 2017 in Thach Thanh district, Thanh Hoa province was established by the method of overlapping the current land use map of

2014 and 2017 in GIS The analysis results of the causes of changes showed that in the period 2014 - 2017 the area of different land types was as follows: the area of paddy rice decreased 7.84 hectares, the area of other annual crops decreased 54.36 ha, the area

of perennial crops increased by 7.59 hectares, the area of forestry land decreased by 15.76 hectares, the area of water surface increased by 13.92 hectares, the area of construction land decreased 56.45 compared with 2014

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Mọi vật trên thế giới không bao giờ bất biến mà luôn luôn biến động không ngừng Hiện trạng sử dụng đất trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng cũng vậy, nó luôn biến động không ngừng và ngày càng trở nên phức tạp

do ảnh hưởng từ các hoạt động kinh tế - xã hội của con người Trong quá trình

đô thị hóa, công nghiệp hóa và dưới sức ép của gia tăng dân số thì việc sử dụng đất đai hợp lý, hiệu quả đã trở thành vấn đề sống còn của mỗi quốc gia, mỗi dân tộc Sự gia tăng đất phi nông nghiệp như nhu cầu về nhà ở, đất xây dựng các công trình công cộng, các khu công nghiệp, kéo theo đó là diện tích đất nông nghiệp ngày càng giảm Để giải quyết vấn đề này, mỗi quốc gia cần xây dựng những chương trình, kế hoạch, chiến lược riêng phù hợp với hoàn cảnh, điều kiện của mình để sử dụng đất đai hiệu quả hơn Chính vì thế, việc đánh giá biến động sử dụng đất đai càng trở nên cấp thiết nhằm sử dụng đất hợp lý, tiết kiệm và có hiệu quả

Trong công tác quản lý nhà nước về đất đai, việc nắm được quá trình sử dụng đất diễn biến như thế nào là một nhiệm vụ hết sức quan trọng Để có thể theo dõi biến động đất đai chúng ta cần xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất đai, từ đó giúp chúng ta nắm rõ cơ cấu các loại đất, vị trí và diện tích các loại đất, phản ánh hiệu quả của hệ thống chính sách pháp luật về đất đai, làm cơ sở cho công tác xây dựng quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất trong những tương lai

Thạch Thành là một huyện miền núi phía của tỉnh Thanh Hóa, nằm trải dài bên sườn Tây Nam của dãy núi Tam Điệp, có diện tích tự nhiên 55.921,72 ha trong đó hơn một nửa là đất rừng, núi đá Huyện Thạch Thành có tiềm năng và thế mạnh phát triển sản xuất nông nghiệp và cây công nghiệp nhờ điều kiện thuận lợi về thổ nhưỡng Ngoài ra, Thạch Thành còn có mạng lưới giao thông thuận lợi với tuyến đường quốc lộ 45, tỉnh lộ 7 nối các huyện trong tỉnh, đi thị xã Bỉm Sơn, huyện Hà Trung, huyện Vĩnh Lộc, huyện Cẩm Thuỷ, tạo điều kiện cho Thạch Thành giao thương với các huyện trong tỉnh và cả nước Ðặc biệt, với tuyến đường Hồ Chí Minh đi qua vùng đệm của rừng quốc gia Cúc Phương đã tạo cho Thạch Thành lợi thế phát triển thương mại - dịch vụ và du lịch sinh thái Để thúc đẩy phát triển công nghiệp, giai đoạn 2015 - 2020 huyện tập trung đầu tư các

công trình kết cấu hạ tầng phục vụ cho phát triển công nghiệp, nhất là hạ tầng kỹ thuật tại Khu Công nghiệp Thạch Quảng, Khu Công nghiệp Vân Du, Cơ cấu kinh tế của huyện đang chuyển dịch mạnh mẽ từ nông nghiệp sang công nghiệp

và dịch vụ, du lịch, đất đai của huyện thường xuyên có sự biến động, do đó việc cập nhật, chỉnh lý những thông tin biến động về đất đai một cách kịp thời và chính xác là rất cần thiết

Công nghệ viễn thám là một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Đặc biệt là ứng dụng có hiệu quả công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý vào điều tra, nghiên cứu, khai thác, sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên trong đó có tài nguyên đất Với khả năng cung cấp thông tin

đa dạng và cập nhập thông tin dễ dàng, nhanh chóng, chính xác, diện tích vùng phủ rộng, tính chất đa thời kỳ của tư liệu, tính chất phong phú của thông tin đa phổ cùng với khả năng tích hợp, phân tích thông tin của GIS thì việc nghiên cứu thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ biến động sử dụng đất ngày càng trở nên nhanh chóng và đạt hiệu quả cao hơn so với phương pháp truyền thống đã tồn tại từ rất lâu nhưng bọc lộc nhiều hạn chế

Xuất phát từ thực tiễn trên và nhận thức được vai trò, tầm quan trọng của việc đánh giá biến động sử dụng đất phục vụ công tác quản lý nhà nước về đất đai, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Thị Giang tôi xin tiến hành nghiên cứu

đề tài: “Ứng dụng GIS và viễn thám đánh giá biến động sử dụng đất huyện

Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa”

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa giai đoạn 2014 - 2017 bằng công nghệ GIS và viễn thám

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Không gian: Địa bàn huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa

- Thời gian nghiên cứu: Giai đoạn 2014 - 2017

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Đây là công trình nghiên cứu một cách có hệ thống và toàn diện về ứng dụng GIS và viễn thám trong đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thạch Thành giai đoạn 2014 - 2017

- Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo cho sinh viên, cán bộ quan tâm đến công tác quản lý đất đai Ngoài ra, kết quả nghiên cứu có thể giúp các nhà quản lý đánh giá tình hình biến động sử dụng đất một cách chính xác và ngày càng trở nên nhanh chóng, đạt hiệu quả cao hơn trong công tác quản lý đất đai

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM

2.1.1 Khái niệm chung về công nghệ viễn thám

2.1.1.1 Định nghĩa

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 thăm dò từ xa về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó

Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám như:

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

- Theo Barret và Curtis, 1976: Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định

- Theo Floy Sabin, 1987: Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng, …

Tuy nhiên, mọi định nghĩa đều có nét chung và nhấn mạnh rằng viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất

Về bản chất viễn thám là công nghệ nhằm xác định và nhận biết các đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua các đặc trưng riêng về phản xạ hoặc bức xạ điện từ Tuy nhiên, những năng lượng như trừ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng

Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ đối tượng được gọi là bộ cảm, còn phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là “vật mang” Vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu hoặc vệ tinh

2.1.2 Phương pháp xử lý thông tin viễn thám

2.1.2.1 Khái niệm 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

2.1.2.2 Giải đoán ảnh bằng mắt

Phân tích bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh Phân tích ảnh bằng mắt có sự kết hợp nhuần nhuyễn các kiến thức chuyên môn của người phân tích để từ đó khai thác được các thông tin có trong tự liệu ảnh Do đó kết quả giải đoán ảnh phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích Hạn chế của giải đoán bằng mắt là không nhận biết được hết các đặc tính phổ của đối tượng, nguyên nhân do khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế tối đa là 12 - 14 mức

Đoán đọc bằng mắt là sử dụng mắt thường có sự trợ giúp của các dụng cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu … Cơ sở để đoán đọc là các chuẩn đoán đọc vẽ và mẫu đoán đọc Các chuẩn đoán đọc bao gồm:

- Chuẩn kích thước: Kích thước của một đối tượng được xác định theo tỷ

lệ ảnh và kích thước đo được trên ảnh Dựa vào thông tin này cũng có thể phân biệt được các đối tượng trên ảnh

- Chuẩn hình dạng: Hình dạng là những đặc trưng bên ngoài tiêu biểu cho từng đối tượng vì vậy nó có ý nghĩa quan trọng trong đoán đọc

- Chuẩn độ đen: Độ đen là một chuẩn quan trọng để xác định tính chất của đối tượng Cát khô phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng có màu trắng, trong khi đó cát ướt có màu tối hơn trên ảnh đen trắng Trên ảnh hồng ngoại đen

trắng, cây lá nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên có màu trắng còn nước lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong dải sóng này nên bao giờ cũng có màu đen

- Chuẩn bóng: Bóng của vật thể có thể dễ dàng nhận thấy khi nguồn sáng không nằm chính xác ở đỉnh đầu hoặc trường hợp chụp ảnh xiên Dựa vào bóng của vật thể có thể xác định được chiều cao của đối tượng

- Chuẩn màu sắc: Màu sắc giúp cho người đoán đọc dễ dàng xác định được các đối tượng trên ảnh là thực vật, nước, đất trống, đất đô thị, hoặc xác định được ngay đó là kiểu loài thực vật gì

- Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc là tập hợp của nhiều đặc tính rất rõ ràng trên ảnh; 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

- Chuẩn phân bố: Là tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo một quy luật nhât định trên toàn cảnh và trong mối quan hệ tương hỗ với đối tượng cần nghiên cứu Hình ảnh của các dãy nhà, ruộng lúa nước, đồi chè tạo ra những hình mẫu riêng đặc trưng cho các đối tượng

- Chuẩn mối quan hệ tương hỗ: Một tổng thể các chuẩn đoán đọc, môi trường xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tượng cung cấp thông tin đoán đọc quan trọng

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 bao gồm phần ảnh mà còn mô tả bằng lời

2.1.2.3 Giải đoán ảnh bằng công nghệ 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) Ưu điểm của phương pháp là có thể phân tích các tín hiệu phổ một các 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 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 thán 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 gồm có các bước sau:

- Nhập số liệu: Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy chụp ảnh cùng 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, 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 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 bời 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 đảm bảo được sự tương đồng nhất định về mặt bước xạ cần thiết phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ

+ Hiệu chỉnh khí quyển: Bức xạ mặt trờ 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 tọa độ ảnh đo

và hệ tọa đọ quy chiếu chuẩn Hệ tọa độ quy chiếu chuẩn có thể là hệ tọa độ mặt đất (hệ tọa độ vuông góc hoặc hệ tọa độ địa lý) hoặc hệ tọa 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

- 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

+ 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 ta 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 hoặc các lớp phủ mặt đất gọi là dữ liệu mẫu Để có kết quả phân loại chính xac, 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 xóa nhòa 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 h

ọa, các dữ liệu đưa ra bằng bảng, các file thông tin bằng số

2.1.2.4 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

Bảng 2.1 Bảng so sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám

Giải đoán ảnh bằng mắt Giải đoán ảnh bằng công nghệ số

- Kết quả xử lý được chuyển hóa;

- Chiết xuất được các đặc tính vật lý;

- Năng suất cao, có thể đo được các chỉ

- Đòi hỏi người có hiểu biết,

kinh nghiệm để điều vẽ;

- Kết quả thu được không

đồng nhất

- Rất khó ứng dụng kinh nghiệm của người điều vẽ;

- Chiết xuất ít thông tin về bối cảnh;

- Kết quả phân tích thông tin kém

2.1.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám

Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội, đặc biệt có hiệu quả cao trong ứng dụng đối với llinhx vực khí tượng thủy văn và tài nguyên môi trường ở nhiều nước trên thế giới Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thán 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 chỉ với các nước phát triển có trình độ khoa học tiên tiến mà còn đối với các nước có nền kinh tế đang phát triển, Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách lựa chọn các phương án có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trường Do đó viễn thám trở thành công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay Một số ứng dụng của công nghệ này được kể đến như:

- Quản lý tài nguyên và môi trường:

+ Quản lý tài nguyên đất: Lập bản đồ và theo dõi biến động sử dụng đất, lập bản đồ thổ nhưỡng, nghiên cứu xói mòn, thoái hóa đất, …

+ Quản lý và giám sát tài nguyên nước: Lập bản đồ phân bố mạng lưới thủy văn, theo dõi biến động lòng sông, giám sát chất lượng nước, …

+ Giám sát tài nguyên và môi trường biển: Lập bản đồ các hệ sinh thái nhạy cảm như rừng ngập mặn, đất ngập nước, rạn san hô; theo dõi biến động đường bờ biển; theo dõi tràn dầu, …

- Lâm nghiệp: Đánh giá trữ lượng, sinh khối, theo dõi diễn biến diện tích rừng, phân loại, kiểm kê rừng,

- Quản lý tai biến: Theo dõi, dự báo cháy rừng, tai biến ngập lụt, tai biến địa chất, …

- Quản lý đô thị: Theo dõi biến động đô thị, quy hoạch xây dựng đô thị, quản lý cơ sở hạ tầng đô thị, nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị, …

- Y tế và chăm sóc sức khỏe cộng đồng: Theo dõi diến biến khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, bức xạ mặt trời, .), sự thay đổi chất lượng môi trường (không khí, nước, đất);

- Nông nghiệp: Phân loại và theo dõi biến động sử dụng đất nông nghiệp, theo dõi mùa trong năm (sinh trưởng, năng suất, lịch gieo trồng), …

- Nghiên cứu địa chất: Thành lập bản đồ địa chất, bản đồ phân bố khoáng sản, bản đồ phân bố nước ngầm, …

2.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)

2.2.1 Khái quát chung về GIS

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tập hợp 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 tọa 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)

Có nhiều định nghĩa khác nhau về hệ thống thông tin địa lý Căn cứ vào nguồn gốc, đối tượng, mục tiêu, thành phần hệ thống hay các phân tích khác nhau mà có những quan điểm khác nhau để định nghĩa về GIS

Một số định nghĩa về GIS

- Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống bao gồm phần cứng, các thiết bị ngoại vi, phần mềm với một cơ sở dữ liệu đủ lớn và một đội ngũ chuyên gia có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị, phân tích và biểu diễn về các đối tượng, hiện tượng, sự kiện theo không gian và thời gian phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất (Trần Thị Băng Tâm, 2006)

- Hệ thống thông tin địa lý là một tập hợp những nguyên lý, phương pháp, công cụ và dữ liệu không gian được sử dụng để quản lý, duy trì, chuyển đổi, phân tích, mô hình hóa, mô phỏng, làm bản đồ những hiện tượng và quá trình phân bố trong không gian địa lý,

- Theo Burrough (1986) cho rằng “GIS như là một tập hợp các công vụ 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”

- Chi tiết hơn, Aronoff (1989) định nghĩa GIS là “Một hệ thống dựa trên máy tính cung cấp bốn khả năng về dữ liệu không gian: nhập dữ liệu, quản lý dữ liệu, xử lý và phân tích, xuất dữ liệu”

Theo đó, GIS được định nghĩa: “GIS là tổ hợp của 5 phần: Phần cứng

(máy tính và các thiết bị ngoại vi), phần mềm, dữ liệu địa lý, người điều hành,

quy trình và cách tổ chức” Hệ thống thông tin địa lý được thiết kế hoạt động một

cách có hiệu quả nhằm thu nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ

các dữ liệu địa lý

2.2.2 Các thành phần chính của GIS

Theo Nagarajan, 2009; Nguyễn Quốc Bình, 2007 thì một hệ thống thông

tin địa lý được kết hợp bởi 5 thành phần chính là: phần cứng, phần mềm, dữ liệu,

người sử dụng, phương pháp

Phần cứng: Là hệ thống máy tính trên đó có một hệ thống thông tin địa lý

hoạt dộng Ngày nay, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có khả năng chạy trên

rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc

lập hoặc liên kết mạng

Phần mềm: Hệ thống thông tin địa lý cung cấp các chức năng và các công

cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý

Dữ liệu: Có thể coi thành phần quan trọng nhất của một Hệ thống thông

tin địa lý là dữ liệu Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được

sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại

Con người: Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu như không có con người

tham gia quản lý và phát triển những ứng dụng 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 vẫn đề trong công việc

Phương pháp: Một hệ thống GIS thành công theo khía cạnh thiết kế và

luật thương mại là được mô phỏng và thực thi duy nhất cho mỗi tổ chức

Thông tin địa lý bao gồm tất cả các thông tin và dữ liệu được khái quát để

thể hiện thế giới thực và các hiện tượng diễn ra xung quanh thế giới

Cấu trúc dữ liệu của GIS bao gồm:

- Dữ liệu không gian:

+ Tập hợp các dữ liệu dạng vector (tập các điểm, đường và vùng);

+ Tập hợp các dữ liệu dạng raster (mô hình DEM (Digital Elevation

Model), hoặc ảnh);

+ Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lưới (đường giao thông, lưới cấp thoát nước, lưới điện, );

+ Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều và bề mặt khác;

+ Đặc tính của đối tượng: Liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian

có thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích;

+ Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: Miêu tả những thông tin, các hoạt động thuộc vị trí xác định;

+ Chỉ số địa lý: Tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị, … liên quan đến các đối tượng địa lý;

+ Quan hệ giữa các đối tượng trong không gian, có thể đơn giản hoặc phức tạp (sự liên kết, khoảng tương thích, mối quan hệ đồ hình giữa các đối tượng với nhau)

2.2.3 Ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý

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 cở 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” (decision - making surrport tool) đặc biệt là trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường GIS được ứng dụng để quản lý các tài nguyên như:

- Tài nguyên đất;

- Tài nguyên nước;

- Tài nguyên rừng;

- Tài nguyên sinh vật;

- Tài nguyên khoáng sản, …

2.3 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI

2.3.1 Khái niệm biến động đất đai

- Khái niệm 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

- Khái niệm biến động đất đai: Theo Từ điển Khoa học trái đất "Biến động

sử dụng đất và lớp phủ (LUCC), được biết như biến động đất đai, đây là một thuật ngữ chung chỉ những thay đổi bề mặt lãnh thổ trái đất xảy ra do tác động của con người" (dẫn theo Ellis, 2010)

Biến động sử dụng đất là sự thay đổi trạng thái tự nhiên của lớp phủ bề mặt đất gây ra bởi hành động của con người, là một hiện tượng phổ biến liên quan đến tăng trưởng dân số, phát triển thị trường, đổi mới công nghệ, kỹ thuật

và sự thay đổi thể chế, chính sách Biến động sử dụng đất có thể gây hậu quả khác nhau đối với tài nguyên thiên nhiên như sự thay đổi thảm thực vật, biến đổi trong đặc tính vật lý của đất, trong quần thể động, thực vật và tác động đến các

yếu tố hình thành khí hậu (Turner et al., 1995; Lambin et al., 1999; Aylward,

2000 dẫn theo Muller, 2004)

Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạng thái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại các thời điểm khác nhau (Nguyễn Tiến Mạnh, 2008)

2.3.2 Yêu cầu về tƣ liệu để tạo ảnh biến động đất đai

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 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

Khả năng nhận biết đối tượng trên ảnh vệ tinh phụ thuộc vào độ phân giải Căn cứ vào độ phân giải không gian của ảnh, ta có thể chia ra thành 04 mức dữ liệu ảnh viễn thám bao gồm: dữ liệu có độ phân giải thấp như NOAA …, dữ liệu

có độ phân giải trung bình như ảnh Landsat MSS (80m) …, dữ liệu có độ phân giải cao như Landsar Tm (30m, 15m), SPOT (20m, 10m), Aster (15m) và ảnh có

độ phân giải siêu cao như IKONOS (1 - 5m), ảnh Quickbird (0,6 m), ảnh GeoEye (0,4 m) Đối với ảnh Landsat MSS thì ảnh ETM có độ phân giải không gian cao hơn, độ phân giải phổ cũng cao hơn (ảnh Landsat ETM có 7 kênh phổ, còn ảnh Landsat MSS có 04 kênh phổ)

Tư liệu để tạo ảnh biến động đất đai cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Tư liệu cùng một khu vực

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

- Ảnh phải được chụp tại các thời điểm khác nhau

2.3.3 Các phương pháp đánh giá biến động đất đai

Tiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động là những thay đổi lớp phủ trên bề mặt đất phải đưa đến sự thay đổi về giá trị bức xạ

và những sự thay đổi về bức xạ do sự thay đổi lớp phủ phải lớn hơn so với những thay đổi về bức xạ gây ra bởi các yếu tố khác Những yếu tố khác bao gồm sự khác biệt về điều kiện khí quyển, sự khác biệt về góc chiếu tia mặt trời, sự khác biệt về độ ẩm của đất Ảnh hưởng của các yếu tố này có thể được giảm từng phần bằng cách chọn dữ liệu thích hợp

Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động rất quan trọng Trước tiên, chúng ta phải xác định được phương pháp phân loại ảnh được 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 các bảng tổng hợp Các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau sẽ cho những bản đồ biến động khác nhau

Có rất nhiều các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau tuy nhiên

có thể chia thành 02 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) Dưới đây là một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động

2.3.3.1 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 theo công thức:

DN (1,2) = DN (1) - DN (2)

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

DN (12: 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 âm (-), dương (+) hoặc bằng 0

- Giá trị DN (1,2) bằng 0 là không có biến động

- Giá trị (-), (+) là biến động theo 2 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, khí 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

2.3.3.2 Phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Phương pháp này thực chất là chồng xếp hai ảnh với nhau để tạo thành tổ hợp ảnh đa thời gian và phân loại chúng, khi đó những lớp biến động sẽ có khác biệt phổ so với lớp không biến động

Hình 2.1 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh 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 có 2N kênh phổ là một tập hợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi

Ưu điểm của phương pháp này là chỉ phải phân loại một lần Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là rất phức tạp trong lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu biến động và không biến động Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (các mùa trong năm) và ảnh hưởng của khí quyển của các ảnh ở các thời điểm khác nhau cũng không dễ được loại trừ, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp

Thêm vào đó bản đồ biến động sử dụng đất được thành lập theo phương pháp này chỉ cho ta biết được chỗ biến động và chỗ không biến động chứ không cho biết được biến động theo xu hướng nào

2.3.3.3 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

Hình 2.2 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

2.3.3.4 Tạo ảnh biến động từ ảnh chỉ số thực vật

Chỉ số thực vật được dùng rất rộng rãi để xác định mật độ phân bố của thảm thực vật, đánh giá trạng thái sinh trưởng và phát triển của cây trồng, lầm cơ sở số liệu dự báo sâu bệnh, hạn hán, diện tích và năng suất, sản lượng cây trồng …

Ảnh 1

Tạo thay

Đánh giá biến động Ảnh 2

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

(NIR - Red) NDVI = ———————

(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

2.3.3.5 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 vùng: cùng hệ thống phân loại và cùng phương pháp phân loại Nguyên tắc đánh giá sự biến động của hai ảnh đa phần loại là dựa vào ma trận biến động (ma trận hai chiều) Ví dụ như bảng sau:

Bảng 2.2 Bảng ma trận biến động giữa hai thời gian a và b

ảnh thời gian a

L

1 L11 L21 L31 L41 L51 L

2 L12 L22 L32 L42 L52 L

5 L15 L25 L35 L45 L55

ảnh thời gian b

Trên ma trận, theo cột và theo hàng là các tên 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 và đánh dấu), còn lại là những biến động chi tiết của từng đơn vị (được khoanh tròn và tô màu xanh) Ví dụ: L23 là đơn vị L2 của thời điểm a biến thành đơn vị L3 của thời điểm b

2.3.3.6 Phương pháp phân tích Vector thay đổi phổ

Là phương pháp nghiên cứu hướng biến động của các vector thông tin của từng pixel 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

Khi ở trong khu vực nghiên cứu có biến động xảy ra thì nó được thể hiện bằng sự khác biệt về phổ ở giữa hai thời điểm trước và sau biến động Giả sử xác định được giá trị phổ trên hai kênh x và y tại hai thời điểm trước và sau biến động như trên biểu đồ hình 3

Kênh x

2

β

1 Kênh y

Hình 2.3 Véc tơ thay đổi phổ

Điểm 1 biểu thị giá trị phổ tại thời điểm trước khi xảy ra biến động, điểm

2 biểu thị giá trị phổ tại thời điểm sau khi xảy ra biến động Khi đó véc tơ 12

chính là véc tơ thay đổi phổ, và được biểu thị bởi giá trị (khoảng cách từ 1 đến 2)

và hướng thay đổi (góc β)

Giá trị của véc tơ thay đổi phổ tính trên toàn cảnh theo công thức:

k j k

j BV

Trong đó: CMpixel là giá trị của véc tơ thay đổi phổ,

BVi,j,k(1), BVi,j,k(2) là giá trị phổ của pixel ij, kênh k của ảnh trước và sau khi xảy ra biến động

Việc phân tích véc tơ thay đổi được ghi lại thành hai tệp dữ liệu: một tệp chứa các mã của khu vực, một tệp chứa độ lớn của các véc tơ thay đổi phổ Thông tin về sự thay đổi được tạo ra từ hai tệp dữ liệu đó và được thể hiện bằng màu sắc của các pixel tương ứng với các mã đã quy định Trên ảnh đa phổ thay đổi này sẽ kết hợp cả hướng và giá trị của véc tơ thay đổi phổ Sự thay đổi có xảy

ra hay không được quyết định bởi véc tơ thay đổi phổ có vượt ra khỏi ngưỡng quy định hay không Giá trị ngưỡng được xác định từ kết quả thực nghiệm dựa vào các mẫu biến động và không biến động

Phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu biến động rừng nhất là biến động hệ sinh thái rừng ngập mặn Nhưng nhược điểm của phương pháp này là khó xác định ngưỡng của sự biến động

2.3.3.7 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 2.4 Phương pháp đánh giá biến động sau phân loại

Phương pháp so sánh sau phân loại được sử dụng rộng rãi nhất, đơn giản,

dễ hiểu và dễ thực hiện Sau khi ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học sẽ tiến hành phân loại độc lập để tạo thành hai bản đồ Hai bản đồ này được so sánh bằng cách so sánh pixel tạo thành ma trận biến động

Theo J Jensen [13] ưu điểm của phương pháp này cho biết sự thay đổi từ loại đất gì sang loại đất gì và chúng ta cũng có thể sử dụng các bản đồ hiện trạng

Bản đồ hiện trạng thời điểm 1

Bản đồ hiện trạng thời điểm

2

Nhược điểm của phương pháp này là phải phân loại độc lập các ảnh viễn thám nên độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của từng phép phân loại và thường độ chính xác không cao vì các sai sót trong quá trình phân loại của từng ảnh vẫn được giữ nguyên trong bản đồ biến động

2.3.3.8 Nghiên cứu biến động bằng phương pháp số học

Đây là phương pháp đơn giản để xác định mức độ biến động giữa hai thời điểm bằng cách sử dụng tỉ số giữa các ảnh trên cùng một kênh hoặc sự khác nhau trên cùng một kênh của các thời điểm ảnh

Trước tiên các ảnh được nắn về cùng một hệ tọa độ Sau đó dùng phép các biến đổi số học để tạo ra các ảnh thay đổi Phép trừ và phép chia số học được sử dụng trong trường hợp này

Nếu ảnh thay đổi là kết quả của phép trừ số học thì khi đó giá trị độ xám của các pixel trên ảnh thay đổi là một dãy số âm (-) và dương (+) Các kết quả

âm và dương biểu thị mức độ biến đổi của các vùng, còn giá trị 0 thể hiện sự không thay đổi Với giá trị độ xám từ 0 đến 255 thì giá trị pixel thay đổi trong khoảng từ -255 đến + 255 Thông thường để tránh kết quả mang giá trị âm người

ta cộng thêm một hằng số không đổi Công thức toán học để biểu diễn là:

Dijk = BVijk (1) - BVijk (2) + c

Trong đó:

Dijk: giá trị độ xám của pixel thay đổi

BVijk (1): giá trị độ xám của ảnh thời điểm 1

BVijk (2): giá trị độ xám của ảnh thời điểm 2

c: là một hằng số (c = 127)

i: chỉ số dòng; j: chỉ số cột

k: Kênh ảnh (ví dụ kênh 4 trên ảnh Landsat TM)

Ảnh thay đổi được tạo ra bằng cách tổ hợp giá trị độ xám theo luật phân

bố chuẩn Gauss Vị trí nào có pixel không thay đổi, độ xám biểu diễn xung quanh giá trị trung bình, vị trí có pixel thay đổi được biểu diễn ở phần biên của đường phân bố

Cũng tương tự như vậy, nếu ảnh thay đổi được tạo ra từ phép chia số học thì giá trị của các pixel trên ảnh là một tỷ số chứng tỏ ở đó có sự thay đổi, nếu bằng 1 thì không có sự thay đổi

Giá trị giới hạn trên ảnh thay đổi (tạo ra bởi phép trừ số học) và ảnh tỷ số kênh sẽ quyết định ngưỡng giữa ranh giới sự thay đổi - không thay đổi, và được biểu thị bằng biểu đồ độ xám của ảnh thay đổi

Thông thường độ lệch chuẩn sẽ được lựa chọn và kiểm tra theo kinh nghiệm Nhưng ngược lại, hầu hết các nhà phân tích đều sử dụng phương pháp thử nghiệm nhiều hơn phương pháp kinh nghiệm Giá trị ngưỡng của sự thay đổi

sẽ được xác định khi bắt gặp giá trị thay đổi trên thực tế

Vì vậy, để xác định được ta cần phải hiểu rõ về khu vực nghiên cứu, thậm chí phải lựa chọn một số vùng biến động và ghi lại để hiển thị trên vùng nghiên cứu mà người lựa chọn biết rõ Tuy nhiên kỹ thuật này có thể kết hợp với các kỹ thuật khác để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động hiệu quả

2.4 TÍCH HỢP HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) VÀ VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI

2.4.1 Khái quát về công nghệ tích hợp viễn thám và GIS

Tích hợp (Integrated) nghĩa là tập hợp, tích cóp, nhóm gọn một hoặc

nhiều các phần tử riêng lẻ vào cùng một diện tích Phần diện tích này thường là một sự vật, bản, hộp, phạm vi, tấm, được bố trí và gắn bó các phần tử thành

phần sao cho được nhỏ gọn nhất

Những kết quả ứng dụng viễn thám gần đây chỉ ra rằng giải quyết một vấn

đề thực tiễn chỉ dựa đơn thuần trên tư liệu ảnh viễn thám là một việc hết sức khó khăn và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện được Vì vậy cần có một sự tiếp cận tổng hợp trong đó tư liệu viễn thám giữ một vai trò quan trọng và kèm theo các thông tin truyền thông khác như số liệu thống kê, quan trắc, số liệu thực địa Cách tiếp cận đánh giá, quản lý tài nguyên như vậy được các nhà chuyên môn đặt tên là hệ thống thông tin địa lý Như vậy tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý là việc hợp nhất các ưu điểm của hai loại thành một thể thống nhất đồng thời tìm ra cách hạn chế của hai loại tư liệu nói trên

- Ưu điểm của phương pháp tích hợp viễn thám và GIS:

+ Chỉ rõ được vị trí, diện tích, hình dạng của đối tượng nghiên cứu

+ Ảnh vệ tinh có chu kỳ lặp nhanh nên có thể theo dõi đối tượng được thường xuyên

+ Dữ liệu ảnh vệ tinh phản ánh đúng thực trạng sử dụng đất tại thời điểm chụp ảnh

- Nhược điểm của phương pháp tích hợp viễn thám và GIS: để phương pháp đạt độ chính xác cao thì yêu cầu dữ liệu ảnh vệ tinh phải có độ phân giải cao, chi phí lớn

2.4.2 Ứng dụng của công nghệ tích hợp viễn thám và GIS

Việc sử dụng kết hợp viễn thám và GIS cho nhiều mục đích khác nhau

đã trở nên rất phổ biến trên toàn thế giới trong thời đại ngày nay

GIS bắt đầu đươc xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỷ XX

và đã được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới Sau khi vệ tinh quan sát Trái đất Landsat đầu tiên được phóng vào năm 1972, các

dữ liệu viễn thám được xem là nguồn thông tin đầu vào quan trọng của GIS nhờ những tiến bộ về kỹ thuật của nó Ngày nay, Trái đất được nghiên cứu thông qua một dải quang phổ rộng với nhiều bước sóng khác nhau từ dải sóng nhìn thấy được đến dải sóng hồng ngoại nhiệt Các thế hệ vệ tinh mới được bổ sung thêm các tính năng quan sát trái đất tốt hơn với những quy mô không gian khác nhau Vệ tinh cung cấp một lượng thông tin khổng lồ và phong phú về các phản ứng quang phổ của các hợp phần của trái đất như đất, nước và thực vật Chính các phản ứng này sau đó sẽ phản ánh bản chất sinh

lý của trái đất và các hiện tượng diễn ra trong tự nhiên bao gồm các hoạt động của con người

Có thể nói lâm nghiệp là một trong những lĩnh vực đầu tiên áp dụng thành tựu của công nghệ viễn thám Hiện nay, việc sử dụng tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ rừng, theo dõi biến động, chặt phá rừng đã trở thành công nghệ phổ biến trên thế giới Tích hợp dữ liệu viễn thám với hệ thống thông tin địa lý (GIS) có thể dự báo những khu vực có nguy cơ cháy rừng; dự báo sự suy giảm diện tích rừng trên quy mô toàn cầu do biến đổi khí hậu và

sự gia tăng dân số Xét một ví dụ về kết hợp giữa viễn thám và GIS trong nghiên cứu cháy rừng: nhờ có công nghệ viễn thám con người đã sử dụng những tấm ảnh viễn thám chụp được để phân loại rừng Còn dữ liệu GIS sẽ cung cấp các thông tin về địa hình, khí hậu, mạng lưới thuỷ văn, những thông tin về khu vực nghiên cứu Trên cơ sở đó các thông tin tích hợp sẽ chỉ ra các khu vực có nguy cơ cháy rừng ở mức độ khác nhau

Trong nghiên cứu địa chất: người ta sử dụng tư liệu viễn thám kết hợp với GIS để thành lập các bản đồ kiến tạo, các cấu trúc địa chất.… Trong lĩnh vực nông nghiệp và sử dụng đất: đối với nhiều quốc gia

trên thế giới để quản lý và quy hoạch sử dụng đất một cách hợp lý, có hiệu quả họ đã sử dụng công nghệ viễn thám kết hợp với dữ liệu GIS Như ở Nhật Bản để đưa ra những đánh giá về năng suất thực ban đầu cho các nước Châu Á người ta sử dụng viễn thám và GIS kết hợp với dữ liệu thống kê về các sản phẩm nông nghiệp Hay ở Trung Quốc đã sử dụng ảnh SAR ở các thời điểm khác nhau trên cơ sở kết hợp với bản đồ địa hình, bản đồ sử dụng đất để cập nhật nhanh bản đồ đất trồng lúa cho các tỉnh … Ngoài ra

để đánh giá mức độ thích hợp của đất đối với các loại cây trồng nông nghiệp thì tư liệu viễn thám được sử dụng để phân loại các đối tượng sử dụng đất còn dữ liệu GIS là các bản đồ nông hoá thổ nhưỡng, bản đồ địa hình, bản đồ chế độ tưới tiêu

Trong nghiên cứu môi trường, tài nguyên thiên nhiên: Trong vài năm trở lại đây thiên nhiên có nhiều biến động bất thường xảy ra và đã gây hậu quả thiệt hại về người và của vô cùng to lớn đối với con người Những thảm hoạ xảy ra như sóng thần, lũ lụt, hiện tượng hiệu ứng nhà kính…Xuất phát từ thực tế đó việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu môi trường toàn cầu là vô cùng cần thiết, có ý nghĩa quan trọng Những ứng dụng quan trọng được kể đến là thành lập bản đồ độ sâu ngập lụt, dự báo nguy cơ trượt lở đất…

Trong những năm vừa qua Việt Nam ngày càng chịu ảnh hưởng nặng nề bởi biến đổi khí hậu, hàng năm chịu nhiều ảnh hưởng của thiên tai, bão lũ; ảnh hưởng đến đời sống và hoạt động sản xuất nông nghiệp của nhân dân Trước tình hình đó công tác dự báo và quản lý thiên tai đóng vai trò quan trọng trong giảm thiểu thiệt hại Và hiện tại vệ tinh của Việt Nam mới đáp ứng phần nào nhu cầu phục vụ phát triển kinh tế, thương mại Bởi vậy, ngành nông nghiệp đã và đang tiếp cận nhiều với các công nghệ phân tích ảnh viễn thám Đến nay, từ những ảnh viễn thám do nước ngoài và Việt Nam cung cấp kết hợp với công nghệ GIS đã ứng dụng vào công tác theo dõi, quản lý, bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường, đặc biệt là tài nguyên rừng

2.4.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (gis) trong và ngoài nước

2.4.3.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trên thế giới

Việc sử dụng kết hợp viễn thám và GIS cho nhiều mục đích khác nhau đã trở nên rất phổ biến trên toàn thế giới trong thời đại ngày nay

GIS bắt đầu được xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỷ XX và

đã được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới Sau khi vệ tinh quan sát trái đất Landsat đầu tiên được phóng vào năm 1972, các dữ liệu viễn thám được xem là nguồn thông tin đầu vào quan trọng của GIS nhờ những tiến bộ về kỹ thuật của nó Ngày nay, Trái đất được nghiên cứu thông qua một dải quang phổ rộng với nhiều bước sóng khác nhau từ dải sóng nhìn thấy được đến dải sóng hồng ngoại nhiệt Các thế hệ vệ tinh mới được bổ sung thêm các tính năng quan sát trái đất tốt hơn với những quy mô không gian khác nhau Vệ tinh cũng cung cấp một lượng thông tin khổng lồ và phong phú về các phản ứng quang phổ của cá hợp phần của trái đất như đất, nước, thực vật Chính các phản ứng này sau đó sẽ phản ánh bản chất sinh lý của trái đất và các hiện tượng diễn ra trong tự nhiên bao gồm các hoạt động của con người Nhờ khả năng phân tích không gian, thời gian và mô hình hóa, GIS cho phép tạo ra những thông tin có giá trị gia tăng cho các thông tin được triết xuất từ dữ liệu vệ tinh

Có thể nói lâm nghiệp là một trong những lĩnh vực đầu tiên áp dụng thành tựu của công nghệ viễn thám Hiện nay, việc sử dụng tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ rừng, theo dõi biến động, chặt phá rừng … đã trở thành công nghệ phổ biến trên thế giới Tích hợp dữ liệu viễn thám với hệ thống thông tin địa lý (GIS) có thể dự báo những khu vực có nguy cơ cháy rừng; dự báo suy giảm diện tích rừng trên quy mô toàn cầu do biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân

số Xét một ví dụ về kết hợp giữa viễn thám và GIS trong nghiên cứu cháy rừng: nhờ có công nghệ viễn thám công người đã sử dụng những tấm ảnh viễn thám chụp được để phân loại rừng Còn dữ liệu GIS sẽ cung cấp các thông tin về địa hình, khí hậu, mạng lưới thủy văn, những thông tin về khu vực nghiên cứu Trên

cơ sở đó các thông tin tích hợp sẽ chỉ ra các khu vực có nguy cơ cháy rừng ở mức

cơ sở kết hợp với bản đồ địa hình, bản đồ sử dụng đất để cập nhật nhanh bản đồ đất trồng lúa cho các tỉnh, … Ngoài ra để đánh giá mức độ thích hợp của đất đối với các loại cây trồng nông nghiệp thì tư liệu viễn thám được sử dụng để phân loại các đối tượng sử dụng đất còn dữ liệu GIS là các bản đồ nông hóa thổ nhưỡng, bản đồ địa hình, bản đồ chế độ tưới tiêu

Trong nghiên cứu môi trường, tài nguyên thiên nhiên: Trong vài năm trở lại đây thiên nhiên có nhiều biến động bất thường xảy ra và đã gây hậu quả thiệt hại về người và của vô cùng to lớn đối với con người Những thảm họa xảy ra như sóng thần, lũ lụt, hiện tượng hiệu ứng nhà kính, … Xuất phát từ thực tế đố việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu môi trường toàn cầu là vô cùng cần thiết, có ý nghĩa quan trọng Những ứng dụng quan trọng được kể đến là thành lập bản đồ độ sâu ngập lụt, dự báo nguy cơ trượt lở đất, …

Năm 1971, ở Berlin đã sử dụng các ảnh hàng không chụp liên tiếp nhau để

kiểm soát sự thay đổi của đô thị (Dueker et al., 1971)

Năm 1985, Gupta D.M và Menshi M.K đã tiến hành nghiên cứu sự thay đổi đô thị thông qua việc thành lập các bản đồ sử dụng đất của đô thị tại ba thời điểm 1959, 1969, 1978 bằng các ảnh viễn thám đa thời gian

Năm 1987, Manfred Ehlers và cộng tác viên cũng nghiên cứu biến đổi sử dụng đất giai đoạn 1975 – 1986 thông qua giải đoán ảnh hàng không năm 1975

và xử lý ảnh số vệ tinh SPOT năm 1986 (Đinh Bảo Hoa, 2007)

Trong đề tài nghiên cứu “Assessment of Soil Protection Efficiency And

Land Use Change” (G.Siebielec et al., 2010) là một nghiên cứu báo cáo tóm tắt

kết quả phân tích về mối quan hệ giữa chính sách bảo vệ sử dụng đất hiện tại của chính phủ và thay đổi sử dụng đất tại các khu vực thử nghiệm được lựa chọn của Trung ương Châu Âu từ năm 1990 – 1992 và 2006 – 2007 dựa vào ảnh vệ tinh SPOT và các bản đồ sử dụng đất của 7 thành phố địa diện cho Đức, Công Hòa Sec, Ba Lan, Slovakia, Áo và Italya (Milan, Bratislava, Wroclaw, Prague, Stuttgart, Salzburg, Vienna) kết quả phân tích cho thấy đất được mở rộng bề mặt nhân tạo diễn ra chủ yếu trên các vùng đất canh tác Hệ thống quản lý đất trong các thành phố không có hiệu quả bảo vệ đất tốt nhất cho đến năm 2006 Không

có xung đột mạnh mẽ giữa các mục tiêu và nhu cầu bảo vệ đất liên quan đến phát triển kinh tế giữa các thành phố

Kết hợp GIS và chuỗi Mackov thì đề tài “The Assesment and Predicting of Land Use Changes to Urban Area Using Multi-Temporal Satelite Imagery and GIS:

A Case Study on Zanjan, IRAN (2984-2011)” (Mohsen Ahadnekad Raveshty, 2011)

đã có kết quả phân loại độ che phủ đất cho 3 thời điểm khác nhau về biến động sử dụng đất bên cạnh kết hợp chuỗi Makov để dự báo tác động của con người về biến đổi sử dụng đất đến năm 2020 trong khu vực Zanjan Kết quả của nghiên cứu này tiết lộ rằng khoảng 44% tổng diện tích bị thay đổi sử dụng đất, ví dụ thay đổi đất nông nghiệp, vườn cây ăn quả và đất trống để định cư, xây dựng công nghiệp khu vực và đường cao tốc Mô hình cây trồng cũng thay đổi, chẳng hạn như đất vườn sang đất nông nghiệp và ngược lại Những thay đổi được đề cập đã xảy ra trong vòng 27 năm qua tại thành phố Zanjan và khu vực xung quanh

Đề tài “A Makov Chain Model of Land Use Change in the Twin Cities, 1986-2005” (Michel Iacono, 2012) trong nghiên cứu tác giả ứng dụng một mô hình chuỗi Markov ước tính cho thấy khu vực đô thị Hoa Kỳ sử dụng một tập hợp các dữ liệu trong giai đoạn lớn từ năm 1085 – 2005, để dự đoán tình hình sử dụng đât hiện tại và sau đó sử dụng để dự báo trong tương lai Trong đề tài này nghiên cứu sự kết hợp của vệ tinh viễn thám, hệ thống thông tin địa lý (GIS) và chuỗi Markov đã được sử dụng trong phân tích và dự đoán sự thay đổi sử dụng đất Kết quả cho thấy tình hình phát triển đô thị không đồng đều, diện tích đất rừng bị mất mát đáng kể và quá trình thay đổi sử dụng đất không ổn định, Nghiên cứu cho thấy rằng việc tích hợp của vệ tinh viễn thám và GIS có thể là một phương pháp hiệu quả để phân tích các mô phỏng không gian, thời gian của sự thay đổi sử dụng đất Hội nhập sâu hơn của 2 kỹ thuật này với mô hình Markov

đã hỗ trợ hiệu quả trong việc mô tả, phân tích và dự đoán quá trình biến đổi sử dụng đất Kết quả dự đoán về sử dụng đất cho năm 2015 là sự gia tăng đáng kể của đất đô thị và đất nông nghiệp

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 Sau đây là ví dụ tại một số quốc gia

về việc kết hợp tư liệu ảnh viễn thám và GIS để nghiên cứu biến động sử dụng đất

a 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

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

b Iran

Ở Iran, việc nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng tư liệu viễn thám được áp dụng ngay từ những năm 90 của thế kỷ trước Năm 1996 đã thành lập được bản đồ biến động sử dụng đất của tỉnh Gillan bằng tư liệu viễn thám Bản

đồ biến động sử dụng đất của thành phố Mashhad được thành lập bằng tư liệu ảnh Landsat theo phương pháp phân loại Fuzzy

Một tác giả ở trường Đại học Zanjan đã kết hợp kỹ thuật viễn thám và công nghệ GIS để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất của thành phố Bonab

và Maraghen Dựa trên tư liệu thu thập được là ảnh vệ tinh Landsat năm 1989 và năm 1998, bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 và 1:50.000 khu vực nghiên cứu Trước tiên hai ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học theo bản đồ địa hình Tiến hành phân loại độc lập hai ảnh đó để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm

1989 và 1998 Sau đó sử dụng chức năng của phần mềm GIS để xác định biến động và thành lập bản đồ biến động sử dụng đất

c 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 163000ha, 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