Tích hợp GIS và viễn thám phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên

Nguyễn Đức Phương Tích hợp GIS và viễn thám phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên

Tích hợp GIS và viễn thám phục vụ công tác

quản lý tài nguyên thiên nhiên

Nguyễn Đức Phương

Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Hệ thống thông tin; Mã số: 60 48 05

Người hướng dẫn: PGS TS Đặng Văn Đức

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Trình bày tổng quan về GIS và viễn thám như: các thành phần GIS, chức

năng GIS, đặc trưng của ảnh Viễn thám, các loại ảnh Viễn thám, Xử lý ảnh Viễn thám, Phân lớp ảnh Viễn thám, Nghiên cứu tích hợp GIS và ảnh viễn thám trong quản lý tài nguyên thiên nhiên Tiến hành thử nghiệm chương trình với phần mềm Envi và

Arcgis để đánh giá tính khả thi của chương trình đã đề xuất

Keywords: Xử lý dữ liệu; Viễn thám; Công nghệ thông tin; Phần mềm; Hệ thống

thông tin địa lý; Tài nguyên thiên nhiên

Content

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Tài nguyên thiên nhiên là một tài sản vô cùng quý giá, tạo nên sự hài hoà giữa thiên nhiên

và con người Bảo vệ tải nguyên thiên nhiên là bảo vệ môi trường sinh thái, là một vấn đề vô cùng to lớn mang ý nghĩa toàn cầu

Hiện nay, nguồn tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong các nghiên cứu về tài nguyên thiên nhiên Cùng với đó, thiết bị tin học được đồng bộ hóa tăng khả năng xử lý nhanh chóng trong việc xây dựng các loại bản đồ Vì vậy, phương pháp viễn thám kết hợp công nghệ các phần mềm GIS (Cơ sở dữ liệu thông tin địa lý) sẽ góp phần khắc phục nhiều hạn chế của phương pháp truyền thống và đặc biệt hiệu quả trong xử lý số liệu nhằm đánh giá biến động trong quá trình sử dụng đất đai Công nghệ GIS và Viễn thám là một giải phát hỗ trợ đắc lực cho vấn

đề quản lý tài nguyên rừng, môi trường Bạn có thể thiết lập bản đồ hiện trạng rừng với các quy

mô khác nhau, quản lý, phân tích dữ liệu, bản đồ trong GIS, và xa hơn nữa là làm thế nào để xác định và tổ hợp các nhân tố ảnh hưởng đến đối tượng quản lý, nghiên cứu; như quy hoạch phân cấp xung yếu lưu vực trên cở sở xác định nhân tố khí hậu, thủy văn, địa hình, đất đai, thảm thực

vật, hoặc làm thế nào để đánh giá quá trình sử dụng tài nguyên thiên nhiên để có giải phát tích hợp

2 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS ở trên thế giới

Ngày nay công nghệ viễn thám có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

1 Viễn thám ứng dụng trong quản lý sự biến đổi môi trường bao gồm: Điều tra về sự biến đổi sử dụng đất và lớp phủ; Vẽ bản đồ thực vật; Nghiên cứu các quá trình sa mạc hoá và phá rừng; Giám sát thiên tai…

2 Viễn thám ứng dụng trong điều tra đất bao gồm: Xác định và phân loại các vùng thổ nhưỡng; Đánh giá mức độ thoái hoá đất, tác hại của xói mòn, quá trình muối hoá

3 Viễn thám trong lâm nghiệp, diễn biến của rừng bao gồm: Điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng, cháy rừng

4 Viễn thám trong quản lý sử dụng đất bao gồm: Thống kê và thành lập bản đồ sử dụng đất; Điều tra giám sát trạng thái mùa màng và thảm thực vật

11 Tích hợp GIS và Viễn thám

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 viễn thám là một việc hết sức khó khăn và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện nổi Vì vậy cần phải 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 GIS là công cụ dựa trên máy tính dùng cho việc thành lập bản đồ và phân tích các đối tượng tồn tại và các sự kiện bao gồm đất đai, sông ngòi, khoáng sản, con người, khí tượng thuỷ văn, môi trường nông nghiệp v.v xảy ra trên trái đất Công nghệ GIS dựa trên các cơ sở dữ liệu quan trắc, viễn thám đưa ra các câu hỏi truy vấn, phân tích thống kê được thể hiện qua phép phân tích địa lý Những sản phẩm của GIS được tạo ra một cách nhanh chóng, nhiều tình huống có thể được đánh giá một cách đồng thời và chi tiết Hiện nay nhu cầu ứng dụng công nghệ GIS trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc tế Tiềm năng kỹ thuật GIS trong lĩnh vực ứng dụng có thể chỉ ra cho các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách, các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM

1.1 Khái quát về GIS

1.1.1 Khái niệm GIS

Khái niệm “thông tin” đề cập đến phần dữ liệu được quản lý bởi GIS Đó là các dữ liệu về thuộc tính và không gian của đối tượng GIS có tính “hệ thống” tức là hệ thống GIS được xây dựng từ các mô đun Việc tạo các mô đun giúp thuận lợi trong việc quản lý và hợp nhất GIS là một hệ thống có ứng dụng rất lớn Từ năm 1980 đến nay đã có rất nhiều các định nghĩa được đưa

ra, tuy nhiên không có định nghĩa nào khái quát đầy đủ về GIS vì phần lớn chúng đều được xây dựng trên khía cạnh ứng dụng cụ thể trong từng lĩnh vực [2]

 Mô hình công nghệ

Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như là một quá trình sau:

 Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS

GIS là sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ và các ngành truyền thống, nó hợp nhất các số liệu mang tính liên ngành bằng tổng hợp, mô hình hoá và phân tích Vì vậy có thể nói, GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra các hệ thống phục vụ mục đích cụ thể

1.1.2 Các thành phần GIS

GIS bao gồm 5 thành phần:

 Con người

 Dữ liệu

 Phương pháp phân tích

 Phần cứng

Các thành phần này kết hợp với nhau nhằm tự động quản lý và phân phối thông tin thông qua biểu diễn địa lý

1.1.3 Chức năng GIS

Một hệ GIS phải đảm bảo được 6 chức năng cơ bản sau:

 Capture: thu thập dữ liệu Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số…

 Store: lưu trữ Dữ liệu có thể được lưu dưới dạng vector hay raster

 Query: truy vấn (tìm kiếm) Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ hoạ hiển thị trên bản đồ

 Analyze: phân tích Đây là chức năng hộ trợ việc ra quyết định của người dùng Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi

 Display: hiển thị Hiển thị bản đồ

 Output: xuất dữ liệu Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dưới nhiều định dạng: giấy

in, Web, ảnh, file…

1.2 Khái quát về Viễn thám

1.2.1 Giơ ́ i thiê ̣u

- Định nghĩa: Viễn thám tiếng anh gọi là Remote Sending được hiểu như một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực hay hiện tượng trên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng Công việc này được thực hiện bởi cảm nhận (sensing) và lưu trữ các nặng lượng phản xạ hay được phát ra từ các đối tượng nghiên cứu Sau đó là thực hiện phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin nay vào nhiều lĩnh vực khác nhau [3]

- Thuật ngữ viễn thám (Remote sensing) - điều tra từ xa, xuất hiện từ năm 1960 do một nhà địa lý người Mỹ là E.Pruit đặt ra (Thomas, 1999)

- Ngày nay kỹ thuật viễn thám đã được phát triển và ứng dụng rất nhanh và rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực

- Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới vài nghìn km

- Kỹ thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và

kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn khác nhau như:

+ Thu nhận thông tin;

+ Tiền xử lý thông tin;

+ Phân tích và giải đoán thông tin;

+ Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp

1.2.2 Đặc trƣng của ảnh Viễn thám

Năng lượng điện tử có thể được nhận biết bằng phim ảnh hay điện tử Có thể ghi biến thiên năng lượng trên phim nháy ánh sáng Cần phân biệt hai khái niệm ảnh (image) và ảnh chụp (photograph) trong viễn thám Ảnh được hiểu là hình thức biểu diễn “cảnh” bất kỳ, không quan tâm đến bước sóng hay thiết bị viễn thám nào được sử dụng Ảnh chụp đề cập đến ảnh được chụp trên phim ảnh Thông thường, ảnh được chụp tại bước sóng từ 0.3µm đến 0.9µm (vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại phản xạ) Vậy, mọi ảnh chụp là ảnh, nhưng không phải mọi ảnh là ảnh chụp Ảnh chụp có thể được biểu diễn và hiển thị dưới dạng ảnh số bằng cách chia ảnh thành các ô vuông nhỏ bằng nhau (theo cột và hàng), gọi là pixel Biểu diễn độ sang của mỗi vùng bằng một giá trị số (DN- Digital Number).[3]

Hình 1.5 Ảnh chụp và ảnh số

1.2.3 Các loại ảnh viễn thám [3]

a Khuôn mẫu dữ liệu ảnh viễn thám

Khuôn mẫu dữ liệu ảnh viễn thám mô tả cách thức dữ liệu được ghi lên thiết bị lưu trữ, ví

dụ DVD Một ảnh viễn thám thường được lưu trữ trong hai tệp, ví dụ với Landsat ETM+ như sau:

 Tệp metadata: Chứa tập các mô tả bằng chữ hay số của dữ liệu lưu trữ trong tệp dữ liệu ảnh ( tệp thứ 2) Chúng bao gồm tổng số dòng quét, số pixel/dòng, phép chiếu sử dụng tọa độ địa lý của tâm ảnh

 Tệp dữ liệu ảnh: Chứa các giá trị điểm ảnh của các kênh 1-7, sắp xếp theo từng kênh Với mỗi kênh, các giá trị pixel của dòng quét thứ 1 sẽ được lưu trữ từ trái sang phải thành một bản ghi Tiếp theo là lưu trữ dữ liệu của dòng quét thứ 2,…

b Một số hệ thống vệ tinh và loại ảnh viễn thám

Vệ tinh/Cảm biến thời tiết

Theo dõi và dự báo thời tiết là một trong những ứng dụng dân sự đầu tiên của vệ tinh viễn thám Dưới đây là một vài cảm biến/ vệ tinh tiêu biểu, sử dụng trong các ứng dụng khí tượng

 GOES

Vệ tinh địa tĩnh môi trường GOES ( Geostationary Operational Environmental Satellite) là phiên bản tiếp theo của các hệ thống vệ tinh ATS Chúng được NASA thiết kế cho cơ quan khí tượng và đại dương quốc tế Hoa Kỳ nhằm cung cấp thường xuyên các bức ảnh kích thước

nhỏ về bề mặt Trái đất và sự bảo phủ của mây Các vệ tinh thế hệ GOES đã được các nhà khí tượng học sử dụng rỗng rãi trong việc giám sát và dự báo thời tiết trong hơn 20 năm nay Những vệ tinh này là một phần của mạng lưới vệ tinh khí tượng toàn cầu được bố trí cách nhau khoảng 70 độ theo trục Kinh độ của trái đất, nó bao phủ gần như toàn cầu

 NOAA AVHRR

Đây là các vệ tinh khí tượng hoạt động trên quỹ đạo gần cực ở độ cao 380- 870 km, được đồng bộ với Mặt trời ( sun- synchronous), chúng là một phần của thế hệ vệ tinh TIROS cái tiến, chúng cung cấp các thông tin bổ sung cho các vệ tinh khí tượng địa tĩnh (GOES) Mỗi cặp vệ tinh có thể bao phủ toàn cầu, chúng làm việc cùng nhau để đảm bảo thông tin ở bất kỳ vùng nào trên Trái đất đều được cập nhật sau không quá 6 giờ Một trong chúng bay ngang qua xích đạo theo hướng từ Bắc tới Nam vào buổi sáng sớm trong khi vệ tinh còn lại làm việc này vào buổi chiều

Các cảm biến/ vệ tinh quan trắc mặt đất

 Landsat

Mặc dù tồn tại nhiều hệ thống vệ tinh thời tiết, tuy nhiên tất cả đều sử dụng cho mục đích giám sát bề mặt Trái đất, chúng không được thiết kế tối ưu cho mục đích lập bản đồ chi tiết bề mặt trái đất Vệ tinh đầu tiên được thiết kế để giám sát bề mặt Trái đất, vệ tinh Landsat-1, được phóng bởi NASA vào năm 1972 Ban đầu được gọi là ERTS-1 (Earth Resource Technology Satellite), Landsat được thiết kế như một thử nghiệm để kiểm tra tính khả thi của việc thu thập dữ liệu quan trắc Trái đất đa quang phổ Kể từ đó, chương trình đã thu thập được

dữ liệu phong phú từ khắp nơi trên thế giới từ một số vệ tinh Landsat

 SPOT

SPOT (Systeme Pour l’Observation de la Terre) là thế hệ vệ tinh chụp ảnh và quan sát Trái đất được thiết kế và phóng lên bởi CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) của Pháp, với sự hỗ trợ của Thụy Điển và Bỉ Ảnh SPOT tương đối đa dạng về dải phổ và độ phân giải không gian từ thấp, trung bình đến cao (5m-1km), trường phủ mặt đất của ảnh SPOT cũng tương đối đa dạng từ 10km x 10km đến 200km x 200km Ảnh SPOT có thể thu ảnh của từng ngày, thường vào 11h sáng

 IRS

Các vệ tinh viễn thám của Ấn Độ (IRS) kết hợp các tính năng của cảm biến MSS/TM và cảm biến HRV SOPT Vệ tinh thứ ba của thế hệ vệ tinh IRS là IRS-1C được phóng lên năm

1995 có ba độ cảm biến Các cảm biến toàn sắc không chỉ có độ phân giải cao mà còn có thể

được định hướng tới một góc 26º quanh trục, cho phép chụp ảnh lập thể và tăng tần suất quét

lại Bảng dưới đây cung cấp những đặc điểm cụ thể của mỗi cảm biến

1.2.4 Khái quát về xử lý ảnh Viễn thám

Để có thể sử dụng được dữ liệu viễm thám ta phải có khả năng tách thông tin có ý nghĩa từ ảnh Nói cách khác là phải diễn giải và phân tích ảnh viễn thám Phân tích ảnh viễn thám là thực hiện nhận biết, đo các đối tượng khác nhau trong ảnh để tách thông tin hữu ích

về chúng Các đặc trưng của đối tượng trên ảnh có đặc trưng sau:

 Đối tượng có thể là các đặc trưng điểm, đường và vùng Nó có thể có hình dạng bất

kỳ

 Đối tượng cần được phân biệt với nhau, phải tương phản với các đặc trưng khác ở

xung quanh chúng

Xử lý ảnh số là thực hiện một loạt thủ tục bao gồm lập khuôn mẫu, hiệu chỉnh dữ liệu, nâng cao chất lượng để dễ dàng giải đoán hay phân lớp tự động các đối tượng bằng máy tính

Để có thể xử lý số ảnh viếm thám, dữ liệu phải được thu thập dưới dạng số phù hợp và lưu trữ trong máy tính Đồng thời phải có phần cứng, phần mềm phù hợp, nói cách khác phải có hệ thống phân tích ảnh phù hợp

Hình 1.7 : Tiến trình xử lý ảnh viễm thám

Xử lý ảnh viếm thám bao gốm nhiều bước được phân thành ba nhóm chính như sau :

i Tiền xử lý

ii Nâng cao chất lượng và hiển thị ảnh

iii Trích chọn đặc trưng

Phần lớn các chức năng xử lý ảnh trong hệ thống phân tích ảnh được chia thành các nhóm chính sau:

1.2.5 Phân lớp ảnh viễn thám

 Phân lớp có giám sát

Phương pháp phân lớp có giám sát sử dụng thuật toán tích hợp để xếp loại các pixel của ảnh theo các lớp phủ mặt đất khác nhau , việc phân lớp này dựa vào các thông tin đã biết về một số các mẫu

Hình 1.9 Phân lớp có giám sát Giả sử ảnh có k kênh phổ Khi đó mỗi pixel trên ảnh sẽ tương ứng với một vector k chiều(mỗi thành phần là giá trị tại kênh thứ k của pixel đó) gọi là vector phổ của pixel Thuật toán phân lớp sẽ dựa vào quan hệ giữa vector phổ của từng pixel với các lớp

Phân lớp không giám sát

Phương pháp này được dùng trong trường hợp thông tin về các lớp phủ không đầy đủ hoặc thậm chí không có Phân lớp không giám sát có thể được dùng như một phương tiện để

sơ bộ tìm hiểu sự chia lớp của một vùng sắp khảo sát, và được sự dụng trong ứng dụng mà không có dữ liệu huấn luyện

CHƯƠNG 2 TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ TÀI

NGUYÊN THIÊN NHIÊN

2.1 Tích hợp là gì?

Tích hợp có nghĩa là hợp thành một thể thống nhất, bổ xung thành một thể thống nhất, hợp nhất Như vậy tích hợp GIS và viễn thám 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

2.2 Thu thập ảnh viễn thám bằng phần mềm Terralook

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm Terralook

Terralook đầu tiên được biết đến như một công cụ đơn thuần lưu trữ dữ liệu đồ họa về các khu bảo tồn thiên nhiên Những phiên bản lưu trữ đối tượng đồ họa lúc đầu chưa cho phép nhập ảnh vệ tinh cũng như hiển thị ảnh theo yêu cầu Sau đó được phát triển, những ý tưởng chính do màu sắc của một phần mềm tích hợp dữ liệu ảnh vệ tinh với các dữ liệu đồ họa khác được hình thành rõ nét

2.3 Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ

Thu thập, nhận diện và đo đạc dữ liệu GIS vào cùng thời điểm, cùng độ phân giải không gian, tuân thủ cùng một thủ tục nhận diện và nhập vào GIS theo cùng phương pháp là lý tưởng nhất Nếu như vậy các thao tác phân tích trên khối dữ liệu đó mới cho kết quả có chất lượng cao Nhưng trên thực tế, việc thu thập dữ liệu lại được thực hiện vào các thời điểm khác nhau và chúng thường có độ phân giải khác nhau Một số dữ liệu được thu thập từ bản

đồ có sẵn mà không biết được tọa độ thực, một số khác được thu thập bằng đo đạc trực tiếp Cần chú ý là trong mọi trường hợp việc thu thập tọa độ vị trí các đối tượng và thu thập các thuộc tính của chúng phải tiến hành vào cùng thời điểm [1]

2.4 Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ

Dữ liệu bản đồ ngoài việc được kiểm tra độ chính xác về mặt hình học còn cần được kiểm tra hiệu chỉnh về độ chính xác không gian Các sai lệch về mặt không gian thường phát sinh trong quá trình đo đạc hoặc số hoá bản đồ giấy, dẫn đến việc toạ độ các điểm trên bản đồ không trùng khớp với toạ độ đo thực địa, do đó cần có thao tác nắn chỉnh toạ độ bản đồ