TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Trên thế giới
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với tiến bộ trong phương pháp chụp ảnh và thu thập thông tin từ mặt đất Kể từ năm 1858, khinh khí cầu đã được sử dụng để chụp ảnh phục vụ cho việc lập bản đồ địa hình Đặc biệt, vào năm 1909, Wilbur Wright đã thực hiện những bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay tại Centocelli, Italia.
Cuộc chiến tranh thế giới lần thứ I (1914 - 1918) đã thúc đẩy sự phát triển của thiết bị và đào tạo nhân lực cho công tác thu thập, xử lý và giải đoán ảnh hàng không, mở ra một giai đoạn mới trong ứng dụng không ảnh vào mục đích dân sự Đến giữa những năm 1930, công nghệ chụp ảnh màu đã ra đời và nhiều nghiên cứu được thực hiện để phát triển các lớp cảm quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại, giúp loại bỏ ảnh hưởng tán xạ và mù của khí quyển.
1930 - 1939 đã góp phần quan trong vào việc áp dụng ảnh hàng không trong quy hoạch môi trường và giám sát việc phát triển kinh tế nông thôn [43]
Trong Chiến tranh Thế giới thứ II (1939 - 1945), việc sử dụng phổ điện từ đã được mở rộng, và các nghiên cứu sau chiến tranh đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực phi quân sự Ảnh hàng không và kỹ thuật viễn thám đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia thời hậu chiến, nhằm phục vụ hiệu quả cho phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng.
Cuộc chạy đua vũ trang vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy nghiên cứu Trái Đất qua viễn thám bằng các công nghệ hiện đại Điều này dẫn đến sự ra đời của các trung tâm nghiên cứu như Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Cơ quan Hàng không Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ (NASA) Ngoài ra, nhiều quốc gia như Canada, Nhật Bản, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc cũng đã triển khai các chương trình nghiên cứu Trái Đất thông qua viễn thám.
Bức ảnh đầu tiên về Trái đất từ vũ trụ được tàu Explorer - 6 ghi lại vào năm 1959 Sau đó, chương trình vũ trụ Mercury vào năm 1960 đã cho ra những bức ảnh chụp từ quỹ đạo Trái đất với chất lượng cao, bao gồm ảnh màu 70mm được chụp từ một máy tự động.
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho việc nghiên cứu Trái đất và các hành tinh Các ảnh chụp nổi từ vệ tinh Gemini (1965) đã chứng minh ưu thế trong nghiên cứu Trái đất Tàu Apollo cung cấp ảnh chụp nổi và đa phổ 70mm, mang lại thông tin quý giá cho nghiên cứu mặt đất Nga đã đi đầu trong nghiên cứu Trái đất từ vũ trụ, với các tàu vũ trụ có người như Soyuz và các trạm Salyut Các thiết bị quét đa phổ phân giải cao như MSU-E trên Meteor - priroda đã thu được những bức ảnh giá trị Vệ tinh Cosmos cung cấp ảnh chụp với 5 kênh phổ, kích thước 18 x 18cm, trong khi thiết bị KATE-140 và MKF-6M trên Salyut cho ra 6 kênh ảnh với độ phân giải mặt đất đạt 20 x 20m.
Nghiên cứu ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được NASA thực hiện từ những năm 1960, dẫn đến việc phát triển các bộ cảm biến độ phân giải cao trên vệ tinh nhân tạo Những công nghệ này đã cung cấp thông tin quan trọng về lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương, nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu Vào tháng 4 năm 1960, vệ tinh quan sát khí tượng đầu tiên, TIROS-1, đã được phóng vào quỹ đạo, mở ra một kỷ nguyên mới cho việc phát triển vệ tinh quan sát tài nguyên.
Từ năm 1972 đến nay, NASA đã phóng tổng cộng 7 vệ tinh quan sát tài nguyên Landsat Ba vệ tinh đầu tiên, bao gồm Landsat 1 (1972), Landsat 2 (1975) và Landsat 3 (1978), được trang bị bộ cảm biến đa phổ MSS với độ phân giải 80m.
Vào năm 1982, Landsat 4 được phóng lên không gian, tiếp theo là Landsat 5 vào năm 1984, cả hai đều được trang bị bộ cảm TM (Thematic Mapper) với 7 kênh phổ, có độ phân giải không gian 30m cho dải sóng nhìn thấy và 120m cho dải sóng hồng ngoại nhiệt Landsat 6 và 7 lần lượt được phóng vào năm 1993 và 1999 với bộ cảm ETM (Enhanced TM) Ngoài ra, Hoa Kỳ cũng đã phát triển vệ tinh khí tượng NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) thuộc thế hệ thứ 3, kế thừa từ các vệ tinh TIROS (1960 - 1965) và TIROS (1970 - 1976).
Từ năm 1979 đến 1991, các vệ tinh NOAA 6, NOAA 7 đến NOAA 12 đã cung cấp hình ảnh với độ phân giải không gian 1.1km, tiếp theo là NOAA - I vào năm 1992 và NOAA - J vào năm 1993.
Pháp đã phóng ba vệ tinh SPOT, bao gồm SPOT 1 vào ngày 22 tháng 2 năm 1986, SPOT 2 vào ngày 22 tháng 1 năm 1990, và SPOT 3 vào ngày 26 tháng 9 năm 1993 Các vệ tinh này được trang bị cảm biến HVR (High Resolution Visible) với ba kênh phổ có độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc với độ phân giải 10m.
Vào ngày 24 tháng 3 năm 1998, vệ tinh SPOT 4 đã được phóng vào quỹ đạo, trang bị bộ cảm biến HRVIR (High Resolution Visible and Infrared) Tiếp theo, SPOT 5 được ra mắt vào năm 2002 với bộ cảm biến HRVIR đã được nâng cấp, cho phép thu ảnh với độ phân giải lên đến 5m.
Vào năm 1998, Ấn Độ đã thành công trong việc phóng vệ tinh giám sát tài nguyên IRS-1A, tiếp theo là các vệ tinh IRS-1B (1991), IRS-1C (1995) và IRS-1D (1997) Các vệ tinh này được trang bị bộ cảm biến LISS (Linear Imaging Scanner System) với các tính năng kỹ thuật tương đương với MSS.
Japan launched the JERS-1 resource satellite in 1992, equipped with SAR (Synthetic Aperture Radar), VNIR (Visible and Near Infrared Radiometer), and SWIR (Short Wavelength Infrared Radiometer) sensors In 1996, Japan's ADEOS (Advanced Earth Observation Satellite) was placed in orbit, featuring the OCTS (Ocean Colour & Temperature Scanner) with a resolution of 700m, AVNIR (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer) with a resolution of 16m, and other low-resolution sensors Additionally, Japan collaborated with the United States to develop the advanced ASTER (The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) sensor, which was launched aboard NASA's Terra satellite in December 1999.
Ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (1 ÷ 4m) hiện đang được tích hợp với GPS và GIS để khai thác dữ liệu không gian hiệu quả, phục vụ cho việc thành lập bản đồ thành phố, quy hoạch giao thông và giám sát biến động sử dụng đất Vệ tinh IKONOS, phóng vào tháng 4 năm 1999, cung cấp ảnh với độ phân giải 1m, trong khi vệ tinh Quickbird, phóng vào tháng 10 năm 2001, cung cấp ảnh với độ phân giải 0.61m Ảnh đa phổ với độ phân giải cao đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển ứng dụng viễn thám trong nhiều lĩnh vực, đáp ứng nhu cầu cung cấp thông tin chi tiết và chính xác.
Trong nước
Theo bản dự thảo kế hoạch tổng thể về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam giai đoạn 2001 - 2010, có thể tóm tắt rằng công nghệ viễn thám đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường tại Việt Nam.
Năm 1979 - 1980, các cơ quan của nước ta bắt đầu tiếp cận công nghệ viễn thám
Trong 10 năm tiếp theo (1980 - 1990), đã triển khai các nghiên cứu - thử nghiệm nhằm xác định khả năng và phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám để giải quyết các nhiệm vụ của mình
Từ những năm 1990 đến 1995, nhiều ngành đã áp dụng công nghệ viễn thám trong thực tiễn, dẫn đến những kết quả rõ rệt về khoa học công nghệ và kinh tế Ngoài việc mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm, các cơ quan đã sử dụng ảnh vệ tinh khí tượng NOAA và GMS, cùng với nhiều ảnh vệ tinh quang học như LANDSAT.
Trong những năm gần đây, các công nghệ viễn thám như SPOT, KFA-1000, ADEOS, cùng với ảnh vệ tinh radar như RADASAT và ERT đã được thử nghiệm ứng dụng Mặc dù ảnh vệ tinh độ phân giải cao (1 - 2m) chưa được phổ biến, nhưng việc phát triển phần mềm, chế tạo thiết bị và quy trình xử lý ảnh vệ tinh đã được thực hiện tại một số cơ quan Ngành lâm nghiệp đã sớm áp dụng viễn thám, bắt đầu từ năm 1958 với sự hợp tác của CHDC Đức, khi sử dụng ảnh máy bay đen trắng tỷ lệ 1/30.000 để điều tra rừng ở Đông Bắc Đây là bước tiến quan trọng, giúp nâng cao chất lượng điều tra rừng, với trung bình khoảng 200.000 ha rừng được điều tra mỗi năm, dẫn đến tổng diện tích rừng điều tra ở miền Bắc đạt khoảng 1,5 triệu ha vào cuối năm 1960.
1959 ở miền Nam Việt Nam đã sử dụng ảnh máy bay vào điều tra rừng và đã xác định được tổng diện tích rừng ở miền Nam là 8 triệu ha [3]
Năm 1968, việc sử dụng ảnh máy bay trong điều tra rừng tại lâm trường Hữu Lũng, Lạng Sơn đã được thực hiện Dựa vào những bức ảnh này, các loại rừng đã được khoanh vùng, sau đó tiến hành kiểm tra thực địa và đo đếm cho từng loại rừng, từ đó xây dựng bản đồ hiện trạng rừng.
Trong giai đoạn 1970 - 1975, máy bay đã được áp dụng phổ biến để tạo ra các bản đồ hiện trạng và bản đồ mạng lưới vận tải cho nhiều khu vực thuộc miền Bắc.
Từ 1981 đến 1983, Viện ĐTQH rừng đã tiến hành điều tra và đánh giá tài nguyên rừng toàn quốc với sự hỗ trợ của FAO, nhằm cung cấp dữ liệu cho việc xây dựng chính sách lâm nghiệp và phát triển kinh tế - xã hội giai đoạn 1983 - 1990 Chương trình này kết hợp giữa ảnh vệ tinh Landsat MSS và điều tra mặt đất, thu thập thông tin về diện tích và trữ lượng rừng theo từng tỉnh Tiếp theo, từ 1991 đến 1995, chương trình điều tra và theo dõi tài nguyên rừng được thực hiện theo Quyết định số 575/TTg, trong đó bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng được cập nhật từ các bản đồ trước năm 1990 và sử dụng ảnh vệ tinh Landsat MSS và TM để ghi nhận các thay đổi về sử dụng đất Kết quả của chương trình bao gồm số liệu về tài nguyên rừng toàn quốc, bản đồ sinh thái thảm thực vật và bản đồ dạng đất đai các tỉnh.
Chương trình điều tra đánh giá và theo dõi tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 1996 - 2000 đã sử dụng bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng bằng phương pháp viễn thám Ảnh vệ tinh SPOT3 với độ phân giải 15m x 15m được sử dụng, phù hợp cho bản đồ tỷ lệ 1:100.000 So với ảnh Landsat MSS và Landsat TM, SPOT3 có độ phân giải cao hơn và thể hiện chi tiết hơn các đối tượng Tuy nhiên, việc giải đoán ảnh SPOT3 vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm của chuyên gia và chất lượng ảnh.
Chương trình này đã đạt được nhiều thành quả quan trọng trong việc tạo lập bản đồ, bao gồm báo cáo và số liệu về tài nguyên rừng, báo cáo thuyết minh bản đồ phân vùng sinh thái thảm thực vật ở cấp vùng và toàn quốc, cũng như báo cáo thuyết minh và bản đồ phân loại đất ở cấp tỉnh, vùng và toàn quốc Ngoài ra, chương trình còn cung cấp báo cáo thuyết minh và bản đồ hiện trạng rừng ở cấp tỉnh, vùng và toàn quốc, cùng với báo cáo tổng hợp diễn biến tài nguyên rừng trong giai đoạn cụ thể.
Từ năm 1996 đến 2000, bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng với tỷ lệ 1:100.000, 1:250.000 và 1:1.000.000 Trong giai đoạn 2000 - 2005, chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng đã phát triển phương pháp xây dựng bản đồ trong chu kỳ III, sử dụng ảnh số vệ tinh Landsat ETM+ với độ phân giải 30m x 30m Ảnh được lưu trữ ở dạng số trên đĩa CD, không in ra giấy Viện ĐTQH rừng đã ứng dụng công nghệ giải đoán ảnh số với phần mềm Erdas Imagine 8.5, thực hiện giải đoán dựa trên mẫu khóa ảnh đã kiểm tra ngoài hiện trường Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian và cho phép giải đoán thử nhiều lần trước khi có kết quả chính thức, đạt thành quả tương tự như các chương trình trước đó.
Hiện nay, chương trình điều tra và đánh giá tài nguyên rừng giai đoạn 2006 - 2010 (chu kỳ IV) đang được thực hiện Chương trình này bao gồm việc xây dựng hệ thống bản đồ và số liệu hiện trạng tài nguyên rừng dựa trên ảnh vệ tinh Spot-5 với độ phân giải 2.5m, do Bộ Tài nguyên và Môi trường cung cấp Các loại bản đồ được biên tập bao gồm bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng tỷ lệ 1/25.000 cho 1.000 xã trọng điểm lâm nghiệp, bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1/50.000 cho các huyện, và các tỷ lệ 1/100.000, 1/250.000 và 1/1.000.000 cho cấp tỉnh, vùng và toàn quốc Đồng thời, bộ mẫu khóa ảnh sẽ được xây dựng để hỗ trợ công tác đoán và đọc ảnh vệ tinh Hệ thống số liệu sẽ được cập nhật và công bố 5 năm một lần, với việc kiểm tra, giám sát và đánh giá vào cuối chu kỳ theo dõi.
(2010) Xây dựng báo cáo phân tích, đánh giá biến động về diện tích rừng giữa
Hai chu kỳ nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đề xuất giải pháp cho công tác quản lý rừng Bên cạnh các chương trình điều tra và đánh giá theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, còn nhiều chương trình và đề tài khác cũng áp dụng công nghệ viễn thám.
Luận án tiến sĩ của Trần Văn Thuy (1996) chuyên ngành khoa học địa lý, với đề tài “Ứng dụng phương pháp viễn thám để thành lập bản đồ thảm thực vật tỉnh Thanh Hoá, tỷ lệ 1/200.000”, đã áp dụng phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt trên các ảnh tổ hợp màu từ vệ tinh Landsat TM, KFA-1000, Landsat MSS, KT-200 và ảnh máy bay đen trắng để xây dựng bản đồ thảm thực vật cho tỉnh Thanh Hoá.
Luận án tiến sĩ của Chu Thị Bình (2001) nghiên cứu ứng dụng công nghệ tin học trong khai thác thông tin từ tài liệu viễn thám nhằm phân tích đặc trưng rừng Việt Nam Đề tài sử dụng chỉ số NDVI và TRRI với dữ liệu từ vệ tinh ADEOS và Landsat TM để phân loại trạng thái rừng và giám sát biến động rừng giai đoạn 1989 - 1998 tại Quảng Nam và Đồng Nai, áp dụng phương pháp phân loại đa phổ có kiểm định Đề tài cấp nhà nước KC.08.24, do Vương Văn Quỳnh - Trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì, nghiên cứu giải pháp phòng chống và khắc phục hậu quả cháy rừng tại U Minh và Tây Nguyên từ 2004 - 2006, đã phát triển phần mềm tự động phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh Landsat ETM+ và MODIS, kết hợp dữ liệu GIS để xác định điểm cháy trên toàn lãnh thổ Việt Nam.
Nghiên cứu của Nguyễn Đình Dương và cộng sự (2004) về việc sử dụng ảnh đa phổ MODIS để đánh giá sự thay đổi lớp phủ thực vật tại Việt Nam từ 2001 đến 2003 đã được trình bày trong Hội thảo lần thứ 14 về nông nghiệp ở Đông Nam Á Tác giả áp dụng phương pháp phân loại có kiểm định với ảnh vệ tinh MODIS có độ phân giải thấp nhằm đánh giá biến động lớp phủ thực vật trên toàn lãnh thổ Đồng thời, đề tài do Nguyễn Trường Sơn tại Trung tâm Viễn Thám Quốc Gia chủ trì, tập trung vào việc sử dụng ảnh vệ tinh và công nghệ GIS để giám sát hiện trạng tài nguyên rừng tại một khu vực cụ thể.
CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỄN THÁM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI RỪNG
Cơ sở khoa học của phương pháp viễn thám
Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trường và từ trường trong không gian [43]
Hình 2.1 Bức xạ sóng điện từ
Bức xạ điện từ có cả tính chất sóng và tính chất hạt, với tính chất sóng được thể hiện qua biểu thức v.
(2.1) (C)9,793 km/s trong môi trường chân không)
Trong viễn thám, sóng điện từ được sử dụng qua các dải bước sóng của quang phổ điện từ, là dải liên tục của các tia sáng tương ứng với các bước sóng khác nhau Sự phân chia này tạo ra các dải phổ liên quan đến các tính chất bức xạ khác nhau.
Hình 2.2 Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ
Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau [37]:
- Các tia vũ trụ: là các tia từ vũ trụ có bước sóng vô cùng ngắn với λ 30cm
Còn tính chất hạt được mô tả theo tính chất của photon hay quang lượng tử được thể hiện bằng biểu thức sau [43]: v h
2.1.2 Tương tác giữa các đối tượng và đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
Sự tương tác năng lượng với các đối tượng ở trên mặt đất
Sóng điện từ tương tác với bề mặt vật thể thông qua ba hình thức chính: hấp thụ, phản xạ và truyền qua Phần trăm năng lượng phản xạ phụ thuộc vào chất liệu và các điều kiện tương tác với vật thể.
EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) (2.3) Trong đó: EI: là năng lượng tới mặt đất
ER: năng lượng phản xạ
EA: năng lượng hấp thụ
ET: năng lượng truyền qua
Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, bao gồm cả phần vật chất và tình trạng của nó Hơn nữa, tỷ lệ này còn bị ảnh hưởng bởi bước sóng của ánh sáng chiếu tới.
Trong viễn thám, năng lượng phản xạ phổ đóng vai trò quan trọng trong việc phân biệt các đối tượng Việc nghiên cứu sự khác biệt này giúp tính toán sự cân bằng năng lượng, từ đó nâng cao hiệu quả phân tích dữ liệu viễn thám.
Công thức (2.4) chỉ ra rằng năng lượng phản xạ bằng năng lượng rơi xuống một đối tượng, đã bị suy giảm do truyền qua hoặc hấp thụ bởi đối tượng đó Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông số quan trọng nhất trong viễn thám Độ phản xạ phổ được xác định theo công thức nhất định.
E (2.5) Trong đó: là độ phản xạ phổ (tính bằng %)
Phổ phản xạ là tỷ lệ phần trăm năng lượng chiếu vào một đối tượng và được phản xạ trở lại, với độ phản xạ có thể khác nhau ở các bước sóng khác nhau.
Đồ thị phổ phản xạ thể hiện mối quan hệ giữa giá trị phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ Hình dáng của đường cong này cho thấy rõ tính chất phổ của đối tượng tự nhiên, và nó phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà thiết bị viễn thám có khả năng ghi nhận tín hiệu.
Hình 2.3 Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tượng tự nhiên chính
Phản xạ phổ của các lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và các vật thể, cho phép viễn thám xác định và phân tích đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ.
Hình dạng đường cong phổ phản xạ chịu ảnh hưởng lớn từ tính chất của các đối tượng Trong thực tế, giá trị phổ của từng đối tượng và nhóm đối tượng có sự khác biệt rõ rệt, nhưng nhìn chung chúng dao động quanh giá trị trung bình.
Thông tin viễn thám liên quan mật thiết đến năng lượng phản xạ của các đối tượng tự nhiên, do đó, nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ là rất quan trọng để khai thác hiệu quả thông tin từ các phương tiện bay Kết quả dự đoán các lớp thông tin phụ thuộc vào hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên Thông tin này giúp các nhà khoa học lựa chọn các kênh ảnh tối ưu, cung cấp nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu, từ đó nghiên cứu tính chất và phân loại chúng Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như điều kiện ánh sáng, môi trường khí quyển, bề mặt đối tượng và các yếu tố nội tại như độ ẩm, lớp nền, thực vật, chất mùn, cấu trúc bề mặt.
Theo [9],[37] đă ̣c trưng phản xa ̣ phổ của một số đối tượng tự nhiên như sau:
• Đă ̣c trưng phản xa ̣ phổ của lớp phủ thực vật:
Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào chiều dài bước sóng và giai đoạn sinh trưởng, phát triển của chúng Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau sẽ có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau Điểm chung của các trạng thái thực vật là phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần (>0,72m) và hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (0,68m