Luận văn ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để xác định biến động đất đai trên địa bàn quận long biên, thành phố hà nội giai đoạn 2005 2010

luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-

TĂNG QUANG HUY

ỨNG DỤNG TƯ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ (GIS) ðỂ XÁC ðỊNH BIẾN ðỘNG ðẤT ðAI TRÊN ðỊA BÀN QUẬN LONG BIÊN, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

GIAI ðOẠN 2005 - 2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: QUẢN LÝ ðẤT ðAI

Mã số : 60.62.16

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN KHẮC THỜI

HÀ NỘI - 2011

LỜI CAM ðOAN

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

Tôi xin cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ trong quá trình thực hiện luận văn ñã ñược cám ơn, các thông tin trích dẫn ñã chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

Tác giả luận văn

Tăng Quang Huy

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện ñề tài, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ, những ý kiến ñóng góp, chỉ bảo quý báu của các thầy giáo, cô giáo trong Viện ñào tạo sau ñại học, Khoa Tài nguyên và Môi trường, trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội

ðể có ñược kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi còn nhận ñược sự hướng dẫn chu ñáo, tận tình của PGS.TS Nguyễn Khắc Thời là người hướng dẫn trực tiếp tôi trong suốt thời gian nghiên cứu ñề tài và viết luận văn

Tôi cũng nhận ñược sự giúp ñỡ, tạo ñiều kiện của UBND quận Long Biên, Phòng Tài nguyên và Môi trường, UBND các phường thuộc quận, các anh chị em và bạn bè ñồng nghiệp, sự ñộng viên, tạo mọi ñiều kiện của gia ñình và người thân

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

Tác giả

Tăng Quang Huy

2.2 Hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) và hệ thống ñịnh vị toàn cầu (GPS) 19

2.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ viễn thám trên thế

2.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với

2.4.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với

2.5.2 Yêu cầu về tư liệu để tạo ảnh biến động 40

3 ðỐI TƯỢNG, ðỊA ðIỂM, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

3.3.5 Phương pháp giải đốn ảnh viễn thám bằng cơng nghệ bán tự

4.1.3.2 Khó khăn 56

4.1.4 Tình hình quản lý và sử dụng ñất ñai của quận giai ñoạn 2005 -

4.2 Trình tự, nội dung xử lý, phân tích ảnh viễn thám có ñộ phân giải cao

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.5 Giá trị khác biệt phổ giữa các mẫu phân loại ảnh năm 2005 67

4.11 Thống kê diện tích các loại đất sau giải đốn qua các năm 77

DANH MỤC CÁC HÌNH

2.6 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu bão nhiệt ñới Choi-Wan 15

2.7 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu biến ñộng tầng ô zôn 16

2.9 Ứng dụng công nghệ viễn thám theo dõi nạn phá rừng nhiệt ñới 17

DANH MỤC CÁC BIỂU ðỒ, SƠ ðỒ

Sơ đồ 3.1 Quy trình giải đốn ảnh vệ tinh theo phương pháp số 48

1 MỞ ðẦU

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài

ðất ñai là nguồn tài nguyên có hạn, là cơ sở không gian của mọi quá trình sản xuất ðất ñai là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá của các quốc gia Trong quá trình ñô thị hóa, công nghiệp hóa và dưới sức

ép của gia tăng dân số thì ñất ñai ñã trở thành vấn ñề sống còn của mỗi quốc gia, mỗi dân tộc, việc xác ñịnh biến ñộng ñất ñai càng trở nên cấp thiết nhằm

sử dụng ñất hợp lý, tiết kiệm và có hiệu quả

Trong công tác quản lý nhà nước về ñất ñai, một trong những yếu tố không thể thiếu là các loại bản ñồ, trong ñó có bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất Bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất thể hiện sự phân bố các loại ñất tại một thời ñiểm xác ñịnh, phản ánh trung thực hiện trạng sử dụng các loại ñất theo mục ñích sử dụng Xây dựng bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất giúp chúng ta nắm rõ

cơ cấu các loại ñất, vị trí và diện tích các loại ñất Từ ñó giúp các cấp lãnh ñạo

có căn cứ khoa học ñể ñưa ra chính sách phù hợp giúp cho việc quản lý ñất ñai ñạt hiệu quả hơn, nâng cao mức sống cho người dân, tìm ra biện pháp giải quyết những vấn ñề bất hợp lý trong sử dụng ñất, nhằm mục ñích sử dụng ñất ngày càng ñem lại hiệu quả cao hơn cả về kinh tế, xã hội và môi trường

Hiện nay, bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất ñược thành lập bằng nhiều phương pháp như: tổng hợp bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất của các ñơn vị hành chính cấp dưới trực thuộc, hiệu chỉnh bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất chu

kỳ trước, sử dụng các bản ñồ chuyên ngành và phương pháp sử dụng ảnh viễn thám Trong ñó, phương pháp thành lập bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất từ ảnh viễn thám vẫn còn là phương pháp mới và chưa ñược phổ biến ở nước ta Nhưng hiện tại, phương pháp này ñã và ñang ñược nghiên cứu, sử dụng trong công tác thành lập bản ñồ và phân tích không gian

Viễn thám (Remote sensing) là kỹ thuật quan sát và ghi nhận đối tượng

mà trên thực tế khơng cần phải tiếp xúc tới đối tượng Tư liệu viễn thám bao gồm ảnh hàng khơng (ảnh chụp máy bay) và ảnh vệ tinh (ảnh chụp từ vệ tinh) ðặc điểm của những tấm ảnh viễn thám là cĩ chu kỳ lặp lại nhanh, vì thế tư liệu viễn thám đặc biệt cĩ hiệu quả khi nghiên cứu diễn biến của một quá trình nào đĩ

Quận Long Biên là quận mới thành lập theo nghị định số 132/2003/Nð-CP ngày 06/11/2003 của Chính phủ Quận cĩ 14 phường với vị trí địa lý thuận lợi, tốc độ đơ thị hĩa trên địa bàn quận Long Biên đang diễn ra mạnh mẽ nên diện tích các loại đất cĩ nhiều biến động Với tính cấp thiết phải xác định biến động đất đai, phục vụ cho cơng tác quản lý đất đai quận Long

Biên, tơi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám và hệ thống thơng tin địa lý (GIS) để xác định biến động đất đai trên địa bàn quận Long Biên, thành phố Hà Nội giai đoạn 2005 - 2010”

1.2 Mục đích của đề tài

Xác định biến động đất đai trên cơ sở ảnh vệ tinh chụp đa thời gian độ phân giải cao tại địa bàn quận Long Biên

1.3 Yêu cầu của đề tài

- Nắm vững cơng nghệ giải đốn ảnh viễn thám, tích hợp tư liệu viễn thám và GIS

- Nắm được tình hình quản lý và sử dụng đất đai trên địa bàn quận Long Biên giai đoạn 2005-2010

- Các số liệu điều tra phải được thu thập chính xác, đầy đủ và phải phản ánh được một cách trung thực, khách quan

2 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Công nghệ viễn thám

2.1.1 Khái niệm chung về công nghệ viễn thám

2.1.1.1 ðịnh nghĩa

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

các tính chất của vật thể quan sát ñược xác ñịnh, ño ñạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Hay hiểu ñơn giản viễn thám là thăm

dò từ xa về một ñối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với ñối tượng hoặc hiện tượng ñó [13]

Có rất nhiều ñịnh 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 không cần phải chạm vào vật ñó

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

Theo Floy Sabin 1987: Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng ñiện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện ñể ñiều tra và ño ñạc những ñặc tính của ñối tượng…

Tuy nhiên, mọi ñịnh nghĩa ñều có nét chung và nhấn mạnh rằng viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các ñối tượng, hiện tượng trên trái ñất

Về bản chất viễn thám là công nghệ nhằm xác ñịnh và nhận biết các ñối tượng hoặc các ñiều kiện môi trường thông qua các ñặc trưng riêng về phản

xạ hoặc bức xạ ñiện từ [10] Tuy nhiên những năng lượng như từ trường, trọng trường cũng có thể ñược sử dụng

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

2.1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám

Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đốn và tách lọc thơng tin bằng giải đốn tư liệu ảnh hàng khơng hoặc ảnh vệ tinh dạng số

Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng lượng bức xạ và sĩng phản hồi phát ra từ vật thể khi khảo sát Năng lượng phổ dưới dạng sĩng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thơng tin về một vật thể từ nhiều gĩc độ sẽ gĩp phần giải đốn đối tượng một cách chính xác hơn [11]

Hình 2.1 Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám

Giải đốn, tách lọc thơng tin từ dữ liệu ảnh viễn thám được thực hiện dựa trên các cách tiếp cận khác nhau, cĩ thể kể đến là:

- ða phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìn thấy đến cận hồng ngoại

- ða nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các

độ cao khác nhau, như ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ máy bay đến các vệ tinh

Hình 2.2 Nguồn dữ liệu viễn thám

- ða thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau

- ða ñộ phân giải: Dữ liệu ảnh có ñộ phân giải khác nhau về không gian, phổ và thời gian

- ða phương pháp: Phân tích ảnh bằng phương pháp số hoặc bằng mắt

2.1.1.3 Vấn ñề thu nhận và phân tích tư liệu viễn thám

Năng lượng ñiện từ của ánh sáng sau khi truyền qua các cửa sổ khí quyển tương tác với các ñối tượng trên bề mặt Trái ñất và phản xạ lại ñể các thiết bị thu của viễn thám có thể ghi nhận các tín hiệu ñó Quá trình này thực hiện qua 3 bước chính sau ñây:

- Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bước rất quan trọng, bao gồm phát hiện về dải sóng, về cường ñộ và tính chất khác của nguồn năng lượng ñiện từ

- Ghi tín hiệu: Các tín hiệu phát hiện ñược có thể ghi dưới dạng hình ảnh hoặc các tín hiệu ñiện từ Khi xử lý các tín hiệu dạng hình ảnh, một số kiểu phim ảnh có phủ các lớp nhạy cảm ánh sáng ñể phát hiện sự khác nhau của nguồn năng lượng ñiện từ tạo nên hình ảnh không gian, cung cấp nhiều chi tiết trong không gian và có thể hiệu chỉnh hình học dễ dàng Năng lượng ñiện từ có thể ñược ghi dưới dạng các tín hiệu, biểu ñồ phổ hoặc dưới dạng hình ảnh số Các tín hiệu ñiện từ có thể ghi nhận ở dạng phim, băng từ hoặc ñĩa từ và có thể hiển thị dễ dàng

- Phân tích các tín hiệu phổ: Cĩ thể được thực hiện bằng hai phương pháp là phân tích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính

2.1.2 Phương pháp xử lý thơng tin viễn thám

2.1.2.1 Khái niệm giải đốn ảnh viễn thám

Giải đốn ảnh viễn thám là quá trình chiết tách thơng 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 đốn ảnh Việc tách thơng tin trong viễn thám cĩ thể chia thành 5 loại, cụ thể:

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

- Phát hiện biến động: là phát hiện và tách các biến động dựa trên tư liệu ảnh đa thời gian (ví dụ: xác định biến động thổ nhưỡng)

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

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

- Xác định các đối tượng đặc biệt: là xác định các đặc tính hoặc các hiện tượng đặc biệt như thiên tai, cháy rừng, chỉ ra các đường đứt gãy, đặc điểm khảo cổ…

2.1.2.2 Giải đốn ảnh bằng mắt

Phân tích bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh Phân tích ảnh bằng mắt cĩ sự kết hợp nhuần nhuyễn các kiến thức chuyên mơn của người phân tích để từ đĩ khai thác được các thơng tin cĩ trong tư liệu ảnh Do

đĩ kết quả giải đốn phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích Hạn chế của giải đốn bằng mắt là khơng 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

ðốn đọc bằng mắt là sử dụng mắt thường cĩ sự trợ giúp của các dụng

cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu…Cơ sở để đốn đọc

là các chuẩn đốn đọc vẽ và mẫu đốn đọc

Các chuẩn đốn đọc bao gồm [13]:

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 thơng tin này cũng cĩ thể phân biệt được các đối tượng trên ảnh

Chuẩn hình dạng: Hình dạng là những đặc trưng bên ngồi tiêu biểu cho từng đối tượng vì vậy nĩ cĩ ý nghĩa quan trọng trong đốn đọc Ví dụ hồ hình mĩng ngựa là các khúc sơng cụt, dạng chổi sáng màu là các cồn cát…

Chuẩn bĩng: Bĩng của vật thể cĩ thể dễ dàng nhận thấy khi khi nguồn sáng khơng nằm chính xác ở đỉnh đầu hoặc trường hợp chụp ảnh xiên Dựa vào bĩng của vật thể cĩ thể xác định được chiều cao của đối tượng

Chuẩn độ đen: ðộ đen là một chuẩn quan trọng để xác định tính chất của đối tượng Cát khơ phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng cĩ màu trắng, trong khi đĩ cát ướt cĩ màu tối hơn trên ảnh đen trắng Trên ảnh hồng ngoại đen trắng, cây lá nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên cĩ màu trắng cịn nước lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong dải sĩng này nên bao giờ cũng cĩ màu đen

Chuẩn màu sắc: Màu sắc giúp cho người đốn đọc dễ dàng xác định được các đối tượng trên ảnh là thực vật, nước, đất trống, đất đơ thị, hoặc xác định được ngay đĩ là kiểu lồi 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 khơng bị lẫn các lồi 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 nhất định trên tồn 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 đốn đọc, mơi trường xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tượng cung cấp thơng tin đốn đọc quan trọng

ðể trợ giúp cho cơng tác đốn đọc người ta thành lập các mẫu đốn đọc Tất cả các chuẩn đốn đọc cùng với các thơng tin về thời gian chụp, mùa chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào mẫu đốn đọc Một bộ mẫu đốn đọc khơng chỉ gồm phần ảnh mà cịn mơ tả bằng lời

2.1.2.3 Giải đốn ảnh bằng cơng nghệ số

Xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh

số (digital image) chứ khơng phải dạng ảnh tương tự (analogue) Ưu điểm của phương pháp là cĩ thể phân tích các tín hiệu phổ một cách rất chi tiết (256 mức hoặc hơn) Phương pháp với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng cĩ thể tách chiết rất nhiều thơng tin phổ của đối tượng, từ đĩ nhận biết các đối tượng một cách tự động [11] Tuy nhiên, quá trình xử lý ảnh

số cần cĩ sự kết hợp nhuần nhuyễn kiến thức chuyên mơn 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 đốn đọc điều vẽ ảnh bằng xử lý số trong viễn thám giữ một vai trị quan trọng và trở thành phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại Phương pháp giải đốn ảnh bằng cơng nghệ số bao gồm các bước sau:

- Nhập số liệu: Cĩ hai nguồn tư liệu chính đĩ là ảnh tương tự do các máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp Trong trường hợp ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT và các băng từ CCT Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu Các ảnh tương tự cũng được chuyển thành dạng số thơng qua các máy quét

- Khơi phục và hiệu chỉnh ảnh: ðây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một tư liệu ảnh cĩ thể sử dụng được

Giai ñoạn này thường ñược thực hiện trên các máy tính lớn tại các Trung tâm thu số liệu vệ tinh ðây là giai ñoạn mà các tín hiệu số ñược hiệu chỉnh

hệ thống, nó bao gồm các bước sau [12]:

+ Hiệu chỉnh bức xạ: Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu một mức ñộ nhiễu xạ nhất ñịnh Nhằm loại trừ các nhiễu kiểu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý Khi thu các bức xạ từ mặt ñất trên các vật mang trong vũ trụ, người ta thấy chúng có một số sự khác biệt so với trường hợp quan sát cùng ñối tượng ñó ở khoảng cách gần ðiều này chứng tỏ ở những khoảng cách xa như vậy tồn tại một lượng nhiễu nhất ñịnh gây bởi ảnh hưởng của góc nghiêng và ñộ cao mặt trời, một số ñiều kiện quang học khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, ñộ mù Chính vì vậy, ñể bảo ñảm ñược

sự tương ñồng nhất ñịnh về mặt bức xạ cần thiết phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ

+ Hiệu chỉnh khí quyển: Bức xạ mặt trời trên ñường truyền xuống mặt ñất bị hấp thụ, tán xạ một lượng nhất ñịnh trước khi tới ñược mặt ñất và bức

xạ phản xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới ñược bộ cảm

Do vậy, bức xạ mà bộ cảm thu ñược chứa ñựng không phải chỉ riêng năng lượng hữu ích mà còn nhiều thành phần nhiễu khác Hiệu chỉnh khí quyển là một công ñoạn 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 ñược hiểu như sự sai lệch vị trí giữa tọa ñộ ảnh thực tế ño ñược và tọa ñộ ảnh lý tưởng ñược tạo bởi một

bộ cảm có thiết kế hình học lý tưởng và trong các ñiều kiện thu nhận lý tưởng Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng ñược mối tương quan giữa hệ toạ ñộ ảnh ño và hệ toạ ñộ quy chiếu chuẩn Hệ toạ ñộ quy chiếu chuẩn có thể

là hệ toạ ñộ mặt ñất (hệ tọa ñộ vuông góc hoặc hệ tọa ñộ ñịa lý) hoặc hệ toạ

ñộ ảnh khác

- Biến ñổi ảnh: Các quá trình xử lý, tăng cường chất lượng, biến ñổi tuyến tính là giai ñoạn tiếp theo Giai ñoạn 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 ñổi tuyến tính

+ Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách ñặc tính

Tăng cường chất lượng có thể ñược ñịnh nghĩa như một thao tác chuyển ñổi nhằm thể hiện ảnh với cường ñộ, ñộ tương phản phù hợp với thiết

bị hiển thị ảnh Chiết tách ñặc tính là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu ñưa ra dưới dạng các hàm số

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

Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, một trong những ưu ñiểm của phương pháp xử lý ảnh số là có thể chọn các tổ hợp màu tuỳ ý Tổ hợp màu

có nghĩa là gán 3 màu cơ bản ñỏ, lục, chàm cho ba kênh phổ nào ñó [3] Có hai phương pháp trộn màu ñó là cộng màu và trừ màu

Nếu ta chia toàn bộ dải sóng nhìn thấy thành 3 vùng cơ bản là ñỏ, lục, chàm và sau ñó lại dùng ánh sáng trắng chiếu qua kính lọc ñỏ, lục, chàm tương ứng ta thấy hầu hết các mầu tự nhiên ñều ñược khôi phục lại Phương pháp tổ hợp màu này ñược gọi là tổ hợp mầu tự nhiên

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

hợp màu này, thực vật cĩ màu đỏ (với mức độ khác nhau của mầu đỏ thể hiện mức độ dày đặc của thảm thực vật), đất trống thường cĩ cường độ rất cao nên

cĩ màu trắng, nước cĩ màu xanh là tổ hợp của hai màu chàm và màu lục

- Phân loại đa phổ: Nhằm tách các thơng 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 Cĩ hai phương pháp phân loại cơ bản

là phân loại khơng kiểm định và phân loại cĩ kiểm định

+ Phân loại cĩ kiểm định: ðược dùng để phân loại các đối tượng theo yêu cầu của người sử dụng Trong phân loại cĩ kiểm định người giải đốn kiểm tra quá trình phân loại pixel bằng việc quy định cụ thể theo thuật tốn máy tính các

mơ tả bằng số các loại lớp phủ mặt đất gọi là dữ liệu mẫu ðể cĩ kết quả phân loại chính xác, dữ liệu mẫu cần phải vừa đặc trưng vừa đầy đủ Việc phân loại thường dùng ba thuật tốn: thuật tốn phân loại theo xác suất cực đại, thuật tốn phân loại theo khoảng cách ngắn nhất, thuật tốn phân loại hình hộp

+ Trong phân loại khơng kiểm định khơng sử dụng dữ liệu mẫu làm cơ

sở để phân loại mà dùng các thuật tốn để xem xét các pixel chưa biết trên một ảnh và kết hợp chúng thành một số loại dựa trên các nhĩm tự nhiên hoặc các loại tự nhiên cĩ trên ảnh

- Xuất kết quả: Sau khi hồn 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 thơng tin địa lý bị xố nhồ Cĩ thể lựa chọn một cách khơng hạn chế các sản phẩm đầu ra Ba dạng tổng quát thường được sử dụng: các sản phẩm bản đồ

đồ hoạ, các dữ liệu đưa ra bằng bảng, các file thơng tin bằng số

2.1.2.4 So sánh hai phương pháp giải đốn ảnh viễn thám

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

- Cĩ thể phân tích được các thơng tin phân bố khơng gian

- Kết quả xử lý được chuẩn hố

- Chiết xuất được các đặc tính vật lý

- Năng suất cao, cĩ thể đo được các chỉ số đặc trưng tự nhiên

- Rất khĩ ứng dụng kinh nghiệm của người điều vẽ

- Chiết xuất ít thơng tin về bối cảnh

- Kết quả phân tích các thơng tin kém

2.1.3 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám

Cơng 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 ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội, đặc biệt cĩ hiệu quả cao trong ứng dụng đối với lĩnh vực khí tượng thuỷ văn và tài nguyên mơi trường ở nhiều nước trên thế giới [2] Nhu cầu ứng dụng cơng nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và mơi trường ngày càng gia tăng nhanh chĩng khơng những đối với các nước phát triển cĩ trình độ khoa học tiên tiến mà cịn đối với các nước nền kinh tế đang phát triển Những kết quả thu được từ cơng nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách lựa chọn các phương án cĩ tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên, mơi trường Do đĩ viễn thám trở thành cơng nghệ đi đầu rất cĩ ưu thế hiện nay Một số ứng dụng của cơng nghệ này được kể đến như:

2.1.3.1 Nghiên cứu địa chất

Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đốn các thơng tin địa chất

Dữ liệu viễn thám được dùng cho giải đốn là các ảnh máy bay, ảnh vệ tinh

và ảnh radar Tổ hợp dữ liệu viễn thám với dữ liệu địa lý sẽ làm giàu thêm khả năng nghiên cứu các thơng tin địa chất cần quan tâm [11]

- Ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: Các dạng địa hình được thể hiện rất

rõ trên ảnh viễn thám và được giải đốn một cách chính xác như: địa hình kiến tạo, địa hình sơng suối, núi lửa, địa hình thành tạo do cát, thành tạo do băng

Hình 2.3 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám nghiên cứu núi lửa

- Cấu trúc địa chất: Mục đích chính của việc áp dụng kỹ thuật viễn thám trong địa chất là phát hiện, xác định và lập bản đồ các yếu tố trên bề mặt hoặc gần bề mặt của vỏ trái đất dựa trên các ưu điểm của tư liệu viễn thám như tính tổng quan khu vực, tính đa phổ Các tư liệu viễn thám được giải đốn nhằm khai thác các thơng tin về các hệ thống cấu trúc, các yếu tố địa hình địa mạo, các hệ thống thuỷ văn như: giải đốn các bề mặt và độ dốc của trầm tích, các yếu tố uốn nếp, đứt gãy, các cấu trúc vịng

Hình 2.4 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám nghiên cứu địa chất

- Ứng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu

- ðiều tra khảo sát nước ngầm, ñiều tra ñịa chất công trình

2.1.3.2 Nghiên cứu môi trường

Viễn thám là phương tiện hữu hiệu ñể nghiên cứu môi trường và sự biến ñổi môi trường bao gồm: ñiều tra về sự biến ñổi sử dụng ñất và lớp phủ; vẽ bản ñồ thực vật; nghiên cứu các quá trình sa mạc hoá và phá rừng; giám sát thiên tai (hạn hán, cháy rừng, bão, mưa ñá ); nghiên cứu ô nhiễm nước và không khí; nghiên cứu môi trường biển (ño nhiệt ñộ, màu nước biển, gió sóng)

Những năm gần ñây việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu môi trường toàn cầu cũng như môi trường khu vực, các thảm hoạ thiên tai như lũ lụt, cháy rừng, hiệu ứng nhà kính ñã trở nên phổ biến và có hiệu quả cao Trong nghiên cứu các thảm hoạ do lụt lội gây ra ñã có nhiều công trình ñược công bố, ñặc biệt từ năm 1997 trở lại ñây Các nghiên cứu chỉ ra, ñể thành lập bản ñồ sâu ngập lụt và tần số xuất hiện ngập lụt, việc tích hợp thông tin từ các bản ñồ lớp phủ ñất, bản ñồ ñịa chất, bản ñồ hệ thống thoát nước và bản ñồ ñịa văn là tổ hợp tốt nhất

Hình 2.5 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu sóng thần

2.1.3.3 Phân loại lớp phủ bề mặt, phát hiện biến động lớp phủ bề mặt

Lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt là một trong những ứng dụng quan trọng nhất và tiêu biểu nhất của viễn thám Lớp phủ bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt trái đất (ví dụ: đất cĩ rừng, trảng

cỏ, xa mạc )

Trong việc hiệu chỉnh bản đồ lớp phủ bề mặt, theo dõi quản lý tài nguyên thiên nhiên việc phát hiện các biến động của lớp phủ bề mặt là rất cần thiết và quan trọng Sự biến động thơng thường được phát hiện trên cơ sở so sánh tư liệu viễn thám đa thời gian hoặc giữa bản đồ cũ và bản đồ mới được hiệu chỉnh theo tư liệu viễn thám Cĩ hai phương pháp phát hiện biến động là:

- So sánh hai bản đồ lớp phủ bề mặt được thành lập độc lập với nhau

- Nhấn mạnh các biến động trên cơ sở áp dụng phương pháp tổ hợp màu hoặc phương pháp phân tích thành phần chính

Các biến động cĩ thể chia thành biến động theo mùa và biến động hàng năm Thơng thường hai loại biến động này pha trộn với nhau rất phức tạp trong khuơn khổ một bức ảnh, do vậy người giải đốn cần sử dụng các tư liệu cùng thời gian, cùng mùa trong năm để phát hiện đúng các biến động [12]

2.1.3.4 Nghiên cứu khí hậu

Nghiên cứu đặc điểm tầng ozon, mây, mưa, nhiệt độ quyển khí, dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tượng

Hình 2.6 Ứng dụng cơng nghệ viễn thám nghiên cứu bão nhiệt đới Choi-Wan

Hình 2.7 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu

biến ựộng tầng ô zôn

Hình 2.8 Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu nhiệt ựộ bề mặt

đánh giá nhiệt ựộ bề mặt ựất từ số liệu viễn thám là vấn ựề tổng hợp của việc tắnh toán các thành phần của năng lượng và bốc thoát hơi đo nhiệt

ựộ bề mặt có ý nghĩa quan trọng trong giám sát cháy rừng

2.1.3.5 Nghiên cứu thực vật, rừng

Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn cầu nghiên cứu thực phủ theo ngày, vụ, mùa vụ, năm, tháng và theo giai ựoạn; điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng Thực vật

là ñối tượng ñầu tiên mà ảnh viễn thám vệ tinh thu nhận ñược thông tin Trên ảnh viễn thám chúng ta có thể tính toán sinh khối, ñộ trưởng thành và sâu bệnh dựa trên chỉ số thực vật, nghiên cứu cháy rừng qua ảnh vệ tinh

Hình 2.9 Ứng dụng công nghệ viễn thám theo dõi nạn phá rừng nhiệt ñới

2.1.3.6 Nghiên cứu thuỷ văn

Mặt nước và các hệ thống dòng chảy ñược hiển thị rất rõ trên ảnh vệ tinh Dữ liệu vệ tinh ñược ghi nhận trong mùa lũ, là dữ liệu ñược sử dụng ñể tính toán diện tích thiên tai và dự báo lũ lụt Công nghệ viễn thám ñược sử dụng ñể lập bản ñồ phân bố tài nguyên nước, bản ñồ phân bố tuyết, bản ñồ phân bố mạng lưới thuỷ văn

2.1.3.7 Sử dụng tư liệu viễn thám ñể thành lập bản ñồ

Các con tàu vũ trụ ñầu tiên như Mercury, Gemini, Apollo ñã cho chúng

ta toàn cảnh bề mặt trái ñất Các kết quả thực nghiệm ban ñầu từ các tư liệu ảnh thu nhận trên các con tàu trên ñã chỉ ra rằng: có thể sử dụng các tư liệu ảnh thu nhận bề mặt trái ñất từ các con tàu vũ trụ này ñể thành lập bản ñồ tỷ lệ 1/250.000 và nhỏ hơn [12] Tuy nhiên, ñộ phân giải của chúng không thoả mãn một số yêu cầu của nội dung bản ñồ chi tiết như thể hiện chính xác con ñường, các khu ñô thị và vẽ cấu trúc nhân tạo ở trong ñó Từ năm 1980, các

hệ thống Sensors ñược nghiên cứu và cải tiến với tốc ñộ nhanh, tốc ñộ phân

giải từ 80m/pixel của ảnh Landsat tới 6m ðiều này có tác ñộng lớn ñến khả năng sử dụng các tấm ảnh chụp từ vũ trụ cho công tác thành lập bản ñồ Một

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

- Tư liệu ảnh Landsat MSS: ñược sử dụng ñể tạo ra các sản phẩm bản

ñồ ảnh, một số loại bản ñồ chuyên ñề, cập nhật và hiệu chỉnh các loại bản ñồ cảnh quan, bản ñồ bay, bản ñồ ñịa hình và ñồng thời biên vẽ lược ñồ nông sâu của biển bởi vì vệ tinh Landsat có thể cung cấp lượng thông tin vô cùng phong phú bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắn Tư liệu MSS trở thành nguồn dữ liệu mới cho các mục ñích thành lập bản ñồ [17]

- Tư liệu ảnh Landsat TM, Spot và Mapsat:

+ Ảnh Landsat TM có ñộ phân giải cao, ñộ chính xác mặt bằng hình ảnh sau khi xử lý có thể ñáp ứng công tác thành lập hoặc hiệu chỉnh bản ñồ tỷ

lệ 1/25.000 ñến 1/50.000

+ Ảnh Spot có thể sử dụng ñể thành lập các loại bản ñồ tỷ lệ ñến 1/25.000 với khoảng cao ñều 20-25m

+ Ảnh ña phổ Mapsat của Mỹ: có thể dùng ñể thành lập bản ñồ tỷ lệ 1/50.000 (mô hình số ñộ cao) với khoảng cao ñều 20m ðộ phân giải mặt ñất

là 10m ñối với ảnh toàn sắc và 30m ñối với ảnh ña phổ

+ Ảnh Radar: có khả năng thể hiện các thông tin về ñịa hình, ñịa chất, thực vật và lớp ñất mỏng Ở những vùng khô, radar có thể xuyên qua bề mặt trái ñất ñến một ñộ sâu nào ñó ðiều này rất quan trọng cho việc nghiên cứu nước ngầm và mỏ Tư liệu ảnh này ñược dùng ñể thành lập bản ñồ từ rất sớm Năm 1968, ảnh radar ñã ñược sử dụng ñể xây dựng bản ñồ tỷ lệ 1/1000.000 ở Panama ñã gây một chú ý lớn trong lĩnh vực Trắc ñịa - bản ñồ Vì vùng này bị mây che phủ quanh năm nên tất cả các dạng chụp ảnh khác ở vùng này ñều không thực hiện ñược Tiếp sau ñó ảnh radar ñược sử dụng thành lập bản ñồ vùng Nam Mỹ và thu ñược những thành tựu rất lớn Các sản phẩm bản ñồ

ựược thành lập từ ảnh Radar ở tỷ lệ 1/250.000 ựược sử dụng phổ biến trong thực tế cho nên tư liệu ảnh Radar ựược xem là những tư liệu bổ sung cho việc thành lập bản ựồ tỷ lệ nhỏ và trung bình

Hình 2.10 Ứng dụng ảnh viễn thám trong thành lập bản ựồ

2.2 Hệ thống thông tin ựịa lý (GIS) và hệ thống ựịnh vị toàn cầu (GPS)

2.2.1 Khái quát chung về GIS và GPS

2.2.1.1 Vài nét về GIS

a định nghĩa về GIS

Hệ thống thông tin ựịa lý (GIS) là một tập các công cụ ựể thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến ựổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện mục ựắch cụ thể đó là hệ thống thể hiện các ựối tượng từ thế giới thực thông qua:

Ớ Vị trắ ựịa lý của ựối tượng thông qua một hệ toạ ựộ

Ớ Các thuộc tắnh của chúng mà không phụ thuộc vào vị trắ

Ớ Các quan hệ không gian giữa các ựối tượng (quan hệ topo)

Có nhiều ựịnh nghĩa khác nhau về hệ thống thông tin ựịa lý Căn cứ vào nguồn gốc, ựối tượng, mục tiêu, thành phần hệ thống hay các phân tắch khác nhauẦmà có những quan ựiểm khác nhau ựể ựịnh nghĩa về GIS

Một số ựịnh nghĩa về GIS:

- Hệ thống thơng tin ðịa lý là một hệ thống bao gồm các phần mềm, phần cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, cĩ các chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các bài tốn ứng dụng cĩ liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất

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

Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thơng tin khác và khiến cho GIS cĩ phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đốn tác động và hoạch định chiến lược)

GIS lưu giữ thơng tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề cĩ thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý

Hình 2.11 Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp

thơng tin khác nhau

Tuỳ theo các chức năng, nhiệm vụ của mỗi hệ thống thông tin ñịa lý mà

có nhiều ñịnh nghĩa khác nhau về GIS như: ñịnh nghĩa theo chức năng, ñịnh nghĩa GIS là tập hợp của các thuật toán, ñịnh nghĩa theo mô hình cấu trúc dữ liệu… Tuy nhiên các khái niệm về GIS ñều dựa trên 3 yếu tố quan trọng là:

dữ liệu ñầu vào, hệ thống vi tính số kỹ thuật cao và khả năng phân tích số liệu không gian

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

các công cụ cho việc thu thập, lưu trữ, thể hiện và chuyển ñổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực ñể giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ các mục ñích cụ thể” [9]

- Phần mềm:

Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết ñể lưu giữ phân tích và hiển thị thông tin ñịa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin ñịa lý; Hệ quản trị

cơ sở dữ liệu (DBMS); Công cụ hỗ trợ hỏi ñáp, phân tích và hiển thị ñịa lý; Giao diện ñồ hoạ người - máy ñể truy cập các công cụ dễ dàng

- Dữ liệu:

Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Các

dữ liệu ñịa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể ñược người sử dụng tự tập hợp hoặc mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS ñể tổ chức lưu trữ và quản lý dữ liệu

- Người sử dụng:

Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý

hệ thống và phát triển những ứng dụng của GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống hoặc những người dùng GIS ñể giải quyết các vấn ñề trong công việc

- Phương pháp:

Mỗi dự án GIS chỉ thành công khi nó ñược quản lý tốt và người sử dụng hệ thống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý và công nghệ GIS

c Ứng dụng của hệ thống thông tin ñịa lý trong quản lý tài nguyên thiên

nhiên và môi trường

Ngày nay, GIS là một công cụ trợ giúp quyết ñịnh sự thành công trong nhiều hoạt ñộng kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới

Hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) có khả năng ñánh 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 ñược gắn với nền hình học (bản ñồ) nhất quán trên cơ sở tọa ñộ của các dữ liệu ñầu vào Do ñó, việc ứng

dụng hệ thống thông tin ñịa 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 ña dạng, kỹ thuật GIS hiện nay ñược ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, ñược xem là “công cụ hỗ trợ

quyết ñịnh” (decision - making support tool) ñặc biệt là trong quản lý tài

nguyên thiên nhiên và môi trường GIS ñược ứng dụng ñể quản lý các tài nguyên như:

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) bao gồm

24 vệ tinh quay quanh trái ñất trên sáu nhóm quỹ ñạo khác nhau, cứ 4 vệ tinh trong một nhóm quỹ ñạo Thông thường các vệ tinh này quay quanh quỹ ñạo trái ñất một vòng hết 24 giờ và ở trên ñộ cao so với bề mặt trái ñất là 20.200Km Với cách bố trí này, trong suốt 24 giờ tại bất kỳ một ñiểm nào trên trái ñất cũng sẽ quan sát ñược ít nhất 4 vệ tinh Những vệ tinh này giống như các chòm sao nhân tạo, giúp cho ñịnh vị và dẫn ñường Các vệ tinh truyền tín hiệu radio, mã hoá thời gian ñược ghi nhận bởi trạm thu mặt ñất [11]

Cấu trúc của hệ thống ñịnh vị toàn cầu bao gồm: ñoạn không gian, ñoạn ñiều khiển và ñoạn sử dụng:

- ðoạn không gian (Space Segment): Bao gồm 24 vệ tinh chuyển ñộng trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo ở ñộ cao 20.200Km Mặt phẳng quỹ ñạo nghiêng với mặt phẳng xích ñạo một góc 550 và chuyển ñộng với chu kỳ 718 phút Với

sự phân bố như vậy thì tại bất kỳ thời ñiểm nào cũng có thể quan sát ít nhất 4

vệ tinh

Hình 2.13 Hệ thống ñịnh vị toàn cầu (GPS)

- ðoạn ñiều khiển (Control Segment): Bao gồm 5 trạm theo dõi ñược phân bố bao quanh Trái ñất trong ñó có một trạm theo dõi và một trạm ñiều khiển trung tâm ñặt tại căn cứ không quân của Mỹ ở Colorado, 4 trạm theo dõi khác ñặt tại Hawai (Thái Bình Dương), ñảo Ascension (ðại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn ðộ Dương), Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) Các trạm theo dõi có nhiệm vụ theo dõi tất cả các vệ tinh có thể quan sát ñược, số liệu quan sát ñược truyền về trạm ñiều khiển trung tâm Tại ñây số liệu ñược xử

lý, tính toán sau ñó gửi lại các vệ tinh và từ vệ tinh truyền ñến máy thu của người sử dụng

- ðoạn sử dụng (User Segment): Bao gồm các máy thu GPS và các máy thu tín hiệu vệ tinh ñể phục vụ các mục ñích khác nhau của con người như ñạo hàng, dẫn ñường trên biển, phục vụ công tác ño ñạc bản ñồ…

Dữ liệu ñầu vào ñược lưu trữ trong hệ GPS là các thông tin về hệ tọa ñộ của các ñiểm khảo sát hoặc nó ñược gắn với máy tính và chuyển dữ liệu mà nó thu nhận vào máy tính thông qua một phần mềm chuyên dụng Khi GPS gắn trên các thiết bị chuyển ñộng như xe cộ và máy bay, nó sẽ ghi tọa ñộ của các ñường ñi qua và chuyển vào máy tính Dữ liệu GPS có thể là các dữ liệu sau:

- Tọa ñộ các ñiểm khảo sát;

- ðo các ñối tượng ñịa hình (vị trí và ñộ cao) mà bằng phương pháp

thông thường không thể ựo ựược;

- đo tọa ựộ ựường bộ mà thiết bị ựang ựược di chuyển trên ựó;

- Cập nhập dữ liệu về hành trình trên ựường ựi các tuyến hàng hải;

- Dẫn ựường cho các phương tiện giao thông trên bộ;

- Dẫn ựường cho quá trình chụp ảnh hàng khôngẦ

Hệ thống ựịnh vị toàn cầu GPS do quân ựội Mỹ thiết kế ban ựầu với mục ựắch quân sự nhưng ngày nay ựã ựược ứng dụng rộng rãi trong các hoạt ựộng kinh tế - xã hội và trắc ựịa, bản ựồ Nhờ có GPS mà ựo ựạc có thể ựạt ựộ chắnh xác từ 10m - 15m (nếu ựo bằng GPS cầm tay), 1dm - 10dm (với ựo GPS phân sai), vài cm nếu ựo GPS ựộng thời gian thực (GPS RTK)

Ở Việt Nam các ứng dụng của công nghệ GPS trong trắc ựịa mới chỉ bắt ựầu từ những năm 1990, bao gồm:

- Xây dựng và hoàn thiện lưới thiên văn trắc ựịa quốc gia

- Xây dựng lưới trắc ựịa biển liên kết ựất liền với các hải ựảo góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu hình thành hệ quy chiếu VN2000

- đo ựạc một số mạng lưới nghiên cứu ựịa ựộng trên khu vực ựứt gãy sông Hồng, điện Biên - Lai Châu

- đo ựạc nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái ựất vùng đông Nam Á

Hệ thống ựịnh vị toàn cầu GPS mới ra ựời nhưng ựã thể hiện ựược tắnh

ưu việt và thực sự trở thành công cụ hỗ trợ ựắc lực trong các lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, các thiết bị thu tắn hiệu GPS ngày càng hoàn thiện và phát triển; công nghệ xử lý tắn hiệu GPS ựã hiện ựại hơn, nâng cao ựộ chắnh xác nhờ ựó GPS ựược mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và trên nhiều quốc gia khác nhau

2.2.2 Kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến ựộng ựất ựai

Biến ựộng sử dụng ựất và sự thay ựổi lớp phủ thực vật là vấn ựề quan trọng trong một loạt các vấn ựề nghiên cứu về biến ựổi môi trường toàn cầu

để nghiên cứu biến ựộng sử dụng ựất 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 ñiều tra Các phương pháp này có ñộ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và kinh phí, ñồng thời chúng không thể hiện ñược sự thay ñổi sử dụng ñất từ loại ñất này sang loại ñất khác và vị trí không gian của sự thay ñổi ñó Sự phát triển của hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) và ảnh viễn thám ñã mở ra nhiều hướng ứng dụng trong nhiều ngành khoa học và quản lý ðặc biệt trong công tác nghiên cứu biến ñộng ñất ñai, công nghệ này hỗ trợ ñắc lực cho quản lý cơ sở dữ liệu, phân tích dữ liệu ñể lựa chọn các giải pháp quản lý, sử dụng bền vững và có hiệu quả tài nguyên ñất ñai [6] Thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất từ tư liệu viễn thám ña thời gian sẽ khắc phục ñược những nhược ñiểm trên

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

- Giảm chi phí thời gian, lao ñộng

- Số liệu chính xác

- Dữ liệu ñược quản lý, lưu giữ ở trạng thái ñộng

- Có thể áp dụng ở bất kỳ quy mô nào

- Tạo cơ hội cho việc phân tích, tạo ra kiến thức, giải pháp mới trên cơ

sở nền dữ liệu gắn với thuộc tính thông tin ñịa lý

Việc nghiên cứu biến ñộng và thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất

ñã ñược thực hiện ở nhiều quốc gia Trong ñó phương pháp ñược sử dụng hiệu quả nhất là kết hợp tư liệu ảnh viễn thám và GIS:

* Hy Lạp

Ở Hy Lạp, việc thành lập bản ñồ biến ñộng lớp phủ và bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất tỷ lệ lớn từ tư liệu ảnh viễn thám ñã ñược nghiên cứu thực nghiệm trên khu vực ñảo Lesvos thuộc vùng biển ðịa Trung Hải Khu vực nghiên cứu rộng 163.000ha, tư liệu ảnh thu thập ñược gồm 6 thời ñiểm kéo

dài trong 27 năm Gồm ảnh Landsat MSS 1975, TM 1987, TM 1995, TM

1999, ETM 2000, ETM 2001

Các ảnh vệ tinh ñược phân loại ñộc lập theo phương pháp xác suất cực ñại dựa trên các vùng mẫu ñược lựa chọn từ số liệu mặt ñất, từ ảnh hàng không và ảnh vệ tinh ñộ phân giải cao như Ikonos, Quickbird

Dữ liệu ảnh sau phân loại ñược xử lý dựa trên mạng xác suất ñiều kiện gồm các nút thể hiện sự thay ñổi ngẫu nhiên và các cạnh thể hiện sự phụ thuộc vào các ñiều kiện giả ñịnh Sau ñó sử dụng phương pháp so sánh ñể thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất ở các thời ñiểm từ mạng ñó Khi ñó

ñộ chính xác của bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất phụ thuộc vào ñộ chính xác của ảnh sau nắn chỉnh, ñộ chính xác phân loại và ñộ chính xác của bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất

* Malaysia

Ở Malaysia, ñể thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất của huyện Rawang tỉnh Selangor, Trung tâm viễn thám Kalaysian ñã 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 ñược nắn chỉnh hình học theo bản ñồ ñịa hình, sau

ñó ảnh chụp năm 1995 ñược nắn theo ảnh năm 1988 theo phương pháp nắn ảnh về ảnh với sai số trung phương nhỏ hơn 0,5 pixel [24]

Sử dụng tất cả các kênh ñể tổ hợp màu giả Dùng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh ña thời gian và thành lập bản ñồ lớp phủ ðể tìm ra thông tin

về sử dụng ñất từ các lớp phủ, tác giả ñã kết hợp với dữ liệu bản ñồ và các tri thức cơ sở sau ñó biểu diễn chúng theo ñúng quy phạm Cuối cùng kết hợp bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất, các hiểu biết về lớp phủ thực vật ñể thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất

* Thái Lan

ðể nghiên cứu ảnh hưởng của các hoạt ñộng con người ñến sự thay ñổi

sử dụng ñất và lớp phủ thực vật, các nhà nghiên cứu ñã chọn thực nghiệm 5 vùng nghiên cứu trên toàn bộ lãnh thổ phía Bắc (huyện Mae Chaem thành phố

Chiang Mai), phắa Tây (Kanchanaburi), phắa Nam (The Ao Sawi Area), phắa đông (The Eastern Sea Board) phắa đông Bắc (Phusithan, Sakol Nakorn-Nakorn Phanom) [23]

Tư liệu nghiên cứu là ảnh vệ tinh Landsat năm 1990, 1999 Phương pháp nghiên cứu là phương pháp ựược sử dụng rộng rãi đầu tiên tiến hành phân loại ựộc lập hai ảnh vệ tinh sau ựó sử dụng chức năng phân tắch không gian của GIS ựể tắnh toán biến ựộng và thành lập bản ựồ biến ựộng

* Belarus

Quá trình ựô thị hóa dẫn ựến sự thay ựổi nhanh chóng của lớp phủ thực vật và sử dụng ựất để xác ựịnh thay ựổi sử dụng ựất ựô thị và vùng ngoại ô của hai thành phố Polost và Novopolost, người ta ựã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh SPOT

Tư liệu viễn thám của khu vực nghiên cứu là ảnh SPOT 3 chụp ngày 24/6/1994 ựộ phân giải 20m (kênh toàn sắc 10m) và ảnh SPOT 5 chụp ngày 19/6/2002 ựộ phân giải 10m Các ảnh ựược nắn chỉnh hình học về lưới chiếu UTM-84 Các kết quả phân tắch thực hiện bằng phần mềm PCI Geomatic

Nghiên cứu ựược thực hiện theo hai phương pháp ựó là phương pháp phân loại ảnh ựa thời gian và phương pháp so sánh sau phân loại

Ảnh ựa thời gian năm 1999-2002 ựược tạo ra trên 3 kênh ảnh XS1, XS2, XS3 Ảnh năm 2002 ựược tái chia mẫu theo phương pháp người láng giếng gần nhất ựể có cùng ựộ phân giải với ảnh năm 1994 Và dùng phép biến ựổi Histogram ựể chuyển từ hệ RGB sang hệ HIS Phương pháp này không cần hiệu chỉnh khắ quyển nhưng cần thận trọng trong quá trình lựa chọn vùng biến ựộng và không biến ựộng

đối với phương pháp so sánh sau phân loại tác giả ựã phân loại bằng nhiều phương pháp khác nhau ựể chọn ra phương pháp có ựộ chắnh xác cao nhất như phân loại không kiểm ựịnh, phân loại có kiểm ựịnh theo xác suất cực ựại, phương pháp sử dụng trắ tuệ nhân tạo

Kết quả thực nghiệm ựạt ựược như sau [25]:

- Phương pháp thứ nhất: Có ba ảnh khác nhau ựược tạo ra từ ba kênh

ảnh, tuy nhiên bản ñồ biến ñộng cuối cùng ñược tạo ra từ hai kênh XS1 và XS2 Ảnh của kênh XS3 tương tự như kênh XS2 Giá trị của các pixel biến ñộng ñược thể hiện ở biên của biểu ñồ phân bố, giá trị pixel không thay ñổi dao ñộng xung quanh giá trị trung bình ðộ chính xác của lớp thay ñổi tương ñối thấp chỉ ñạt 64,3%, ñộ chính xác vùng không thay ñổi ñạt 94,8%, ñộ chính xác toàn bộ 85,8%, hệ số Kappa 0,63

- Phương pháp thứ hai: Ba phương pháp phân loại ñược thực hiện trên ảnh 1994 và 2002, ñộ chính xác toàn bộ từ 75% ñến 86,3% Phương pháp phân loại có kiểm ñịnh theo xác suất cực ñại và phương pháp trí tuệ nhân tạo ñạt ñộ chính xác từ 83,1% ñến 86,3% Tuy nhiên, ma trận sai số ñược tạo ra cho thấy kết quả ñộ chính xác toàn bộ của bản ñồ biến ñộng tương ứng là 71% và 69%, thấp hơn so với phương pháp phân loại trực tiếp từ ảnh ña thời gian

Sự nhầm lẫn giữa các lớp phân loại như ñất nông nghiệp và ñất trồng

cỏ, ñất xây dựng và ñất giao thông là nguyên nhân dẫn ñến sai sót trong kết quả phân loại, do ñó ảnh hưởng ñến kết quả biến ñộng

Như vậy, việc vận dụng GIS và viễn thám sẽ hỗ trợ rất lớn cho nhiều ñối tượng trong ñó có nhà quản lý, nhà khoa học và người sử dụng ðối với nhà quản lý sẽ hỗ trợ công tác quy hoạch và ra các chính sách; ñối với nhà khoa học, nghiên cứu hỗ trợ phân tích các vấn ñề có tính hệ thống cao; ñối với người sử dụng sẽ ñược cung cấp thông tin cụ thể, chính xác, ñầy ñủ và cập nhật thường xuyên, ñược cung cấp các giải pháp ñể lựa chọn trong quản lý và

sử dụng tài nguyên

2.3 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ viễn thám

2.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ viễn thám trên thế giới

Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần ñây, khi mà công nghệ vũ trụ ñã cho ra ảnh số, bắt ñầu ñược thu nhận từ các vệ tinh trên quỹ ñạo Trái ñất vào năm 1960 Tuy nhiên, viễn thám

cĩ lịch sử phát triển lâu đời, sự xuất hiện của phương pháp viễn thám được bắt đầu khi lồi người phát minh ra kỹ thuật chụp ảnh vào năm 1826 Từ thế

kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789-1881) đã đưa ra báo cáo cơng trình nghiên cứu về hố ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt Trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp Tiếp đĩ là bức ảnh chụp bề mặt Trái đất từ khinh khí cầu vùng Bostom năm 1860 của James Wallace Black Năm 1894, Aine Laussedat đã khởi dẫn một chương trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình [11]

Sự ra đời và phát triển của ngành hàng khơng đã tạo nên một cơng cụ tuyệt vời trong việc chụp ảnh từ trên khơng những vùng lựa chọn và cĩ điều khiển Cơng nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi Khả năng đĩ giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thơng tin từ ảnh cĩ hiệu quả cao Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay được thực hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright - nhà nhiếp ảnh người Ý, bằng việc thu nhận ảnh di động trên vùng gần Centocalli thuộc nước Ý

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914-1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của cơng nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự Cơng nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh Năm 1929, ở Liên Xơ đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng khơng Leningrad, Viện đã sử dụng ảnh hàng khơng để nghiên cứu địa mạo, thực vật thổ nhưỡng Vào giữa những năm 1930 người ta đã sáng chế ra chụp ảnh màu và đồng thời thực hiện nhiều nghiên cứu nhằm tạo

ra các lớp cảm quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại, cĩ tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng tán xạ và mù khí quyển Các loại máy ảnh tự động cĩ độ chính xác cao dần dần được đưa vào thay thế các máy ảnh chụp bằng tay Những năm sau đĩ các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ ðồng thời, nghệ thuật giải đốn khơng ảnh và đo

ñạc từ ảnh ñã phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới là

ño ñạc ảnh (photogrametry)

Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1945) không ảnh ñã dùng chủ yếu cho mục ñích quân sự Trong thời kỳ này ngoài việc phát triển công nghệ radar còn ñánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại Các bức ảnh thu ñược từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar ñã ñược sử dụng rộng rãi trong quân sự (ngày nay ñược ứng dụng trong lĩnh vực thăm dò tài nguyên ñã trở nên phong phú và ña dạng) Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho khả năng triết lọc thông tin nhiều hơn

Việc chạy ñua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ ñã thúc ñẩy việc nghiên cứu Trái ñất bằng viễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện ñại Các trung tâm nghiên cứu mặt ñất ñược ra ñời như cơ quan vũ trụ Châu Âu ESA, chương trình vũ trụ NASA Ngoài ra, còn kể ñến các chương trình nghiên cứu Trái ñất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn

ðộ, Trung Quốc

Bức ảnh ñầu tiên chụp về Trái ñất từ vũ trụ ñược cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959 ðến ñầu những năm 60, khi mà các vệ tinh Trái ñất ñầu tiên ñược phóng vào quỹ ñạo ñã mở ra một hướng mới cho việc ứng dụng những thành tựu của công nghệ vũ trụ trong việc nghiên cứu các ñối tượng của bề mặt Trái ñất Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ ñạo Trái ñất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, ñược chụp từ một máy tự ñộng Vệ tinh khí tượng ñầu tiên (TIR0S-1) ñược phóng lên quỹ ñạo Trái ñất vào tháng 4/1960 ñã mở ñầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng, nó cung cấp những hình ảnh ñầu tiên về mây và bề mặt Trái ñất Vào các năm 1962, 1964 các chương trình MA-6 và GT-4 ñược thực hiện, trong các chương trình này người ta chụp ñược 1100 tấm ảnh màu chất lượng cao, có tỷ lệ 1/2.400.000, phục vụ cho việc nghiên cứu các ñối tượng ñịa chất như kiến tạo, núi lửa, ñịa mạo Vệ tinh khí tượng