Công nghệ kết hợp tư liệu ảnh viễn thám với những ưu việt là tính cập nhật và đồng bộ về thông tin, khả năng phủ trùm rộng, cùng với sự phát triển mạnh về hệ thống thông tin địa lý GIS -
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
CÙ THỊ THU HÀ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH
BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ BIỂN TỈNH CÀ MAU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2014
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
CÙ THỊ THU HÀ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH
BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ BIỂN TỈNH CÀ MAU
Ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thong tin địa lý
Mã số: 60440214
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS Trần Xuân Trường
HÀ NỘI - 2014
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
Hà Nội, ngày 10 tháng 4 năm 2014
Tác giả luận văn
Cù Thị Thu Hà
Trang 4
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
MỞ ĐẦU 7
1 Tính cấp thiết của đề tài 7
2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 8
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9
4 Nội dung nghiên cứu 9
5 Phương pháp nghiên cứu 9
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 9
7 Cấu trúc của luận văn 9
CHƯƠNG 1 11
TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM, GIS VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ 11
1.1.Khái niệm đường bờ……… 11
1.1.1 Đường bờ……….11
1.1.2 Đới bờ 11
1.1.3 Vai trò của đánh giá biến động trong nghiên cứu đường bờ 12
1.2 Giới thiệu về viễn thám 13
1.2.1 Khái niệm về viễn thám 13
1.2.2 Phân loại viễn thám 14
1.2.3 Ảnh số và các phép xử lý ảnh 15
1.2.4 Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 17
1.2.5 Một số yếu tố chính ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 21
1.2.6 Các đặc điểm của ảnh viễn thám 22
1.2.7 Xử lý ảnh viễn thám 24
1.2.8 Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám 28
1.3 Hệ thông tin địa lý (GIS) 30
1.3.1 Khái niệm và định nghĩa GIS 30
1.3.2 Các thành phần của GIS 31
1.3.3 Các chức năng của GIS 33
1.3.4 Mô hình dữ liệu GIS 33
1.3.5 Cấu trúc dữ liệu 34
Trang 51.3.6 Ứng dụng khả năng phân tích không gian của GIS 35
1.4 Tổng quan ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trên thế giới và ở Việt Nam 38
1.4.1 Trên thế giới 38
1.4.2 Ở Việt Nam 40
1.4.3 Lợi thế của sự tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS 42
1.4.4 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS nghiên cứu biến động đường bờ .43
CHƯƠNG 2 45
ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ BIỂN 45
2.1 Ưu việt của viễn thám trong nghiên cứu biến động 45
2.2 Xác định biến động bằng viễn thám 45
2.2.1 Xác định định tính 45
2.2.2 Xác định định lượng 45
2.3 Nguyên tắc xác định biến động 46
2.4 Phương pháp nghiên cứu biến động 46
2.5 Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động đường bờ biển 47
2.5.1 Phương pháp bản đồ – bản đồ 47
2.5.2 Phương pháp Ảnh - Ảnh 48
2.6 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu 53
2.7 Quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động đường bờ biển bằng công nghệ viễn thám và GIS 54
CHƯƠNG 3 57
THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG VIỄN THÁM- GIS NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ BIỂN TỈNH CÀ MAU 57
3.1 Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu 57
3.1.1.Vị trí địa lý 57
3.1.2 Địa hình 58
3.1.3 Khí hậu 59
3.1.4 Thủy văn 60
3.1.5 Giao thông 61
3.1.6 Dân cư, kinh tế-xã hội 62
3.2 Phương pháp thực hiện 63
3.2.1 Tổng quan về phương pháp và quy trình công nghệ 63
3.2.2 Nội dung và phương pháp thực hiện 64
3.3 Thu thập, đánh giá thông tin tư liệu 64
3.3.1 Tư liệu ảnh vệ tinh 64
Trang 63.3.2 Tư liệu bản đồ 64
3.3.3 Các tư liệu khác 65
3.4 Thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 65
3.5 Thành lập bản đồ nền 68
3.6 Điều vẽ ảnh viễn thám và ngoại nghiệp 68
3.6.1 Điều vẽ ảnh viễn thám 69
3.6.2 Điều vẽ ngoại nghiệp 71
3.7 Phương pháp xác định bản đồ biến động đường bờ 79
3.7.1 Quy trình thành lập bản đồ biến động đường bờ 80
3.8 Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu 81
3.8.1 Cơ sở dữ liệu bản đồ biến động tỉnh Cà Mau như sơ đồ cấu trúc 81
3.8.2 Biên tập và thành lập bản đồ biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau giai đoạn 2000-2006 -2011 tỷ lệ 1:25 000 84
3.9 Phân tích, đánh giá biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau 85
3.9.1 Một số nhận xét bản đồ biến động đường bờ tỉnh Cà Mau 85
3.9.2 Đánh giá kết quả thành lập bản đồ biến động đường bờ 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92
1 Kết luận 92
2 Kiến nghị 92
Trang 7CÁC TỪ VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
TIN Triangulated Irregular Network
ESRI Environmental System Research Institute
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình mô phỏng đường bờ và các thành phần liên quan 12
Hình 1.2 Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên 18
Hình 1.3 Cửa sổ khí quyển 22
Hình 1.4 Sơ đồ tổ chức của hệ thống GIS 32
Hình 1.5 Phân lớp thông tin trong mô hình chồng xếp GIS 34
Hình 1.6 Cấu trúc dữ liệu Vector và Raster 34
Hình 1.7 Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính 35
Hình 1.8 Phân tích chồng xếp 38
Hình 1.9 Mô hình chuyển đổi dữ liệu giữa viễn thám và GIS 43
Hình 2.1 Sơ đồ so sánh sau phân loại 49
Hình 2.2 Phân loại ảnh tổ hợp của các kênh thời gian 50
Hình 2.3 Phương pháp phân tích thành phần chính 50
Hình 2.4 Tạo ảnh sai biệt 51
Hình 2.5 Tạo ảnh tỷ số 51
Hình 2.6 Phân tích vectơ thay đổi 52
Hình 2.7 Giá trị ảnh thay đổi 53
Hình 2.8 Quy trình xác định biến động theo phương pháp bản đồ – bản đồ 55
Hình 3.1 Vị trí tỉnh Cà Mau trong khu vực Nam Bộ 57
Trang 8Hình 3.2 Sơ đồ quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 67
Hình 3.3 Sơ đồ phân mảnh điều vẽ ảnh 69
Hình 3.4 Sơ đồ các điểm khảo sát thực địa 72
Hình 3.5 Quy trình thành lập bản đồ biến động đường bờ 80
Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc lưu trữ dữ liệu các lớp thông tin bản đồ biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau 82
Hình 3.7 Diện tích vùng đất được bồi tụ và bị xói lở giai đoạn 2000 – 2006 87
Hình 3.8 Diện tích vùng đất được bồi tụ và bị xói lở giai đoạn 2006 - 2011 87
Hình 3.9 Diện tích vùng đất biến động thời kỳ 2000-2006-2011 87
Hình 3.10 Bản đồ biến động đường bờ tỉnh Cà Mau giai đoạn 2000-2006 89
Hình 3.11 Bản đồ biến động đường bờ tỉnh Cà Mau giai đoạn 2006-2011 90
Hình 3.12 Bản đồ biến động đường bờ tỉnh Cà Mau thời kỳ 2000- 2006-2011 91
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Hệ thống phân loại các đối tượng biến động đường bờ 80
Bảng 3.2 Bảng các lớp thông tin bản đồ biến động đường bờ tỉnh Cà Mau 81
Bảng 3.3: Diện tích đường bờ biển tỉnh cà mau các năm 2000, 2006, 2011 86
Bảng 3.4: Tổng hợp biến động diện tích đường bờ biển tỉnh cà mau qua các giai đoạn 2000 -2006, 2006-2011,2000 -2006-2011 86
Trang 9MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Đất đai là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, nó tác động đến sự phát triển kinh tế - xã hội và ổn định chính trị của mỗi quốc gia Chính vì vậy, việc quản lý
và sử dụng đất đai sao cho hợp lý, hiệu quả và bền vững nhất Vừa phát triển kinh
tế, vừa bảo vệ môi trường và phát triển bền vững là mục tiêu chung của các nước hiện nay
Vùng bờ biển nơi có nhiều cảnh quan sinh thái phong phú, đa dạng có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển kinh tế-xã hội, bảo vệ môi trường và đa dạng sinh học cũng là nơi chịu nhiều sự tác động của các nhân tố tự nhiên như thủy quyển, thạch quyển, khí quyển và sinh quyển Dưới các sự tác động đó trên bờ biển luôn có sự biến đổi theo các mức độ và hình thái khác nhau đó là quá trình bồi tụ - xói lở Vùng ven biển nước ta với đường bờ dài và chịu sự tác động của nhiều nhân
tố động lực đã hình thành nên các đoạn bờ biển khác nhau về hình thái, tính chất: có đoạn là bờ đá gốc cứng, có nơi là các bãi cát bằng phẳng trải dài Đoạn bờ này có thảm cỏ biển bảo vệ, đoạn bờ kia có vùng bãi đá, san hô che chắn, nhưng về cơ bản đường bờ vẫn phải chịu sự tác động mạnh mẽ của sóng và dòng chảy biển Do đó việc nghiên cứu sự biến động đường bờ là rất cần thiết để xác định được quy luật biến đổi của đường bờ từ đó đưa ra các kế hoạch, chính sách hợp lý giúp cho việc bảo vệ và khai thác vùng bờ tốt hơn
Vị trí địa lý và điều kiện khí hậu thuận lợi, đã mang đến cho Cà Mau nguồn tài nguyên thiên nhiên đặc thù, đó là những khu rừng ngập nước và một vùng biển nông, rộng tạo cho Cà Mau có nhiều thế mạnh về phát triển kinh tế thủy sản, nông lâm nghiệp, công nghiệp chế biến xuất khẩu, dịch vụ, du lịch, khai thác khí đốt và dầu khí Diện tích vùng biển Cà Mau rộng trên 71.000 km2 có độ sâu trung bình từ
30 đến 35 mét Vùng biển Cà Mau giàu có về giống loài và trữ lượng hải sản cũng như các mỏ dầu và khí có trữ lượng lớn bên dưới thềm lục địa Biển Cà Mau có vị trí thuộc trung tâm đường biển trong vùng Đông Nam á và sát với đường biển quốc
tế, rất thuận lợi cho phát triển kinh tế biển
Trang 10Biến động là một đặc tính của tất cả các đối tượng, hiện tượng quanh ta, đặc biệt là các đối tượng tự nhiên như đường bờ nước Nghiên cứu biến động để nắm bắt được quy luật, nhìn thấy thực trạng và dự báo tình huống, cảnh báo nguy cơ là
cơ sở của việc quản lý, bảo vệ và khai thác các đối tượng tự nhiên Quy trình nghiên cứu biến động đã được thực hiện từ rất lâu và đặc biệt trong những năm gần đây, khi điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển mạnh trong các lĩnh vực vũ trụ và tin học, đồng thời cũng là giai đoạn biến động về nguồn tài nguyên thiên nhiên diễn ra mạnh
mẽ nhất không chỉ ở phạm vi quốc gia mà trên cả toàn cầu Công nghệ kết hợp tư liệu ảnh viễn thám với những ưu việt là tính cập nhật và đồng bộ về thông tin, khả năng phủ trùm rộng, cùng với sự phát triển mạnh về hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographical Information Systems) có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, thể hiện dữ liệu địa lý phục vụ các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa
lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất là công cụ hỗ trợ đắc lực cho công tác quản
lý đất đai Các nguồn tài nguyên trong đó có đường bờ biển Đề tài: “Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS xác định biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau”
được thử nghiệm qua 2 giai đoạn 2000- 2006 và 2006 – 2011 để nhằm giải quyết các vấn đề thực tiễn nêu trên đồng thời nhằm nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên biển ở Cà Mau
2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài:
- Xác định biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS
Nhiệm vụ của đề tài:
- Thu thập, tổng hợp các tư liệu ảnh viễn thám, bản đồ và các tài liệu cần
thiết khác khu vực tỉnh Cà Mau các năm 2000, 2006, 2011
Trang 11Phân tích biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau qua các giai đoạn 2000
-2006, 2006-2011
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Đường bờ biển tỉnh Cà Mau
Phạm vi nghiên cứu:
Biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau
4 Nội dung nghiên cứu
- Thành lập bản đồ biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau, phân tích và dánh giá biến động đường bờ biển ở khu vực nghiên cứu
5 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động đường bờ biển
- Phương pháp điều tra khảo sát thực địa: nhằm khảo sát lấy mẫu cho quá trình xử lý tư liệu viễn thám và so sánh với kết quả nghiên cứu
- Phương pháp phân tích thống kê: nhằm đưa ra đánh giá tổng hợp trong quá trình phân tích các số liệu thống kê về diện tích biến động
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Áp dụng công nghệ hiện đại để nghiên cứu biến động
đường bờ biển tỉnh Cà Mau
- Ý nghĩa thực tiễn: Thiết lập nguồn tài liệu về đường bờ biển phục vụ quản
lý và hỗ trợ nhà quản lý quyết định lựa chọn các giải pháp tối ưu để bảo vệ đường
bờ biển
7 Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, phụ lục, danh mục hình, bảng biểu cấu trúc của luận văn gồm có 3 chương:
- Chương1: Tổng quan về viễn thám, GIS và ứng dụng trong xác định biến động đường bờ
- Chương 2: Ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động đường bờ biển
Trang 12- Chương 3: Thực nghiệm ứng dụng viễn thám – GIS nghiên cứu biến động đường bờ biển tỉnh Cà Mau
Luận văn đã được hoàn thành dưới sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn:
TS Trần Xuân Trường (Trường Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội) Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo
và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này Trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn, tác giả cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, đóng góp quý báu của thầy cô trong Khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội
Trang 13
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM, GIS VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÁC
Từ dữ liệu ảnh vệ tinh, các thông tin hữu ích như đường mực nước có thể được trích rút cho một không gian rộng lớn với cùng một khoảng thời gian Với các thông tin đường mực nước, sau khi đã hiệu chỉnh dao động triều ta sẽ có được dữ liệu đường
bờ, một trong những dữ liệu đầu vào quan trọng trong việc tính toán diễn biến đường bờ bằng cách tích hợp viễn thám và GIS Dựa trên tính chất các band phổ Phương pháp viễn thám đã trở thành phương pháp ưu việt, nó có ý nghĩa rất lớn trong việc đưa ra những thông tin, kết luận và dự báo một cách nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết
1.1.2 Đới bờ
Đới bờ biển là hệ chuyển tiếp, có chứa nhiều hệ tự nhiên cấp nhỏ hơn như:
hệ vùng cửa sông, đầm phá, vũng, vịnh nhỏ, các bãi biển, đất ngập triều, đất ngập nước, vùng đất ven biển Các hệ này có bản chất tự nhiên, có giá trị tài nguyên môi trường khác nhau, do đó đòi hỏi phải có những phương thức khai thác, sử dụng, bảo
vệ, phát triển và quản lý phù hợp
Đới bờ và vùng bờ là các mảng không gian nằm chuyển tiếp giữa lục địa và biển, luôn chịu sự tương tác giữa lục địa và biển, hệ tự nhiên và hệ nhân văn, các ngành và người sử dụng tài nguyên vùng bờ theo cả cấu trúc dọc và cấu trúc ngang, giữa cộng đồng địa phương và các thành phần kinh tế khác Nơi đây tạo ra tính đa
Trang 14dạng về kiểu loại và sự giàu có về tài nguyên thiên nhiên, tiền đề phát triển đa ngành đa mục tiêu ở vùng ven biển
Ở Việt Nam, vùng ven biển là vùng “nhạy cảm” và đang chịu nhiều áp lực nhất về môi trường từ sự gia tăng dân số và các hoạt động nông nghiệp, phát triển công nghiệp, năng lượng, thuỷ sản, hàng hải, du lịch, khai khoáng, đô thị hoá…
Đới bờ là vùng biển ven bờ và đất ven biển có ranh giới phía đất liền là nơi tương tác qua lại với biển không đáng kể và ranh giới về phía biển là nơi mà các hoạt động của con người ảnh hưởng đến
Việc nghiên cứu biến động đường bờ biển và tìm ra quy luật biến động sẽ giúp các nhà quản lý có những quyết định, giải pháp hữu hiệu khắc phục phần nào hiện tượng xói lở đường bờ biển gây thiệt hại cho các vùng dân cư ven biển…
1.1.3 Vai trò của đánh giá biến động trong nghiên cứu đường bờ
Trong nghiên cứu đường bờ, ngoài việc xác định được hiện trạng đường bờ nước qua các mốc thời gian thì việc tính toán và nghiên cứu sự biến động của đường bờ nước giữa các thời kỳ đó có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề quản lý, xây dựng kế hoạch bảo vệ đường bờ biển một cách hợp lý và hiệu quả
Trang 15- Tính toán được khối lượng biến động: Biến động ở đây bao gồm cả biến động về diện tích và chiều dài của dải ven bờ
- Xác định được quy luật biến động, từ đó xác định được tính chất, nguyên nhân của sự biến động này, xác định được diễn biến của biến động theo chiều hướng nào, có lợi hay có hại cho môi trường và kinh tế
- Dự báo và cảnh báo những nguy cơ có thể xảy ra đối với đường bờ biển trong tương lai, đưa ra giải pháp cụ thể để ngăn chặn hoặc khắc phục những hậu quả
có thể xảy ra
1.2 Giới thiệu về viễn thám
1.2.1 Khái niệm về viễn thám
Viễn thám trong tiếng Anh là “Remote Sensing - RS”: là một ngành khoa học
và công nghệ giúp cho việc xác định, đo đạc hoặc phân tích thông tin về đối tượng
mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một số đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng
Viễn thám là công nghệ sử dụng sóng điện từ để chuyển tải thông tin từ vật thể tới thiết bị thu nhận thông tin cũng như kỹ thuật xử lý để các thông tin thu nhận có ý nghĩa
Khả năng của con người chỉ có thể nhận biết được các đối tượng nhờ năng lượng ánh sáng nhìn thấy được (0.4µm-0.7µm) phản xạ từ bề mặt các đối tượng Ngoài ra, bề mặt các đối tượng cũng phản xạ năng lượng trong vùng sóng hồng ngoại
và tử ngoại (cực tím) mà mắt người không nhìn thấy được
Các đối tượng khác nhau dưới mặt đất sẽ phản xạ các bước sóng điện từ khác nhau Vì thế các đối tượng mặt đất thuộc cùng một lớp sẽ có phổ khác nhau trong các băng phổ khác nhau và các đối tượng thuộc lớp khác nhau cũng sẽ có phổ khác nhau trên cùng một băng phổ Nói cách khác, tất cả các đối tượng trong tự nhiên sẽ có phản
xạ phổ riêng, đặc trưng phụ thuộc vào hình dạng và tính chất bề mặt của chúng và được gọi là đặc trưng phản xạ phổ Dựa vào đặc trưng này, có thể nhận biết và phân loại các đối tượng nhờ việc đo cường độ phổ phản xạ từ bề mặt các đối tượng trên tư liệu ảnh viễn thám
Trang 161.2.2 Phân loại viễn thám
* Phân loại theo nguồn năng lượng:
- Viễn thám sử dụng nguồn năng lượng điện từ của bức xạ của mặt trời được gọi là viễn thám thụ động (passive remote sesing)
- Viễn thám sử dụng năng lượng điện từ do con người tự tạo ra (radar, laser) được gọi là viễn thám chủ động (active remote sensing)
* Phân loại theo kênh phổ:
Tuỳ thuộc vào bước sóng sử dụng, viễn thám được chia làm 3 loại cơ bản a) Viễn thám trong giải nhìn thấy và hồng ngoại
b) Viễn thám hồng ngoại nhiệt
c) Viễn thám siêu cao tần
Trong nhóm a) nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời Mặt trời phát xuống trái đất một năng lượng rất lớn gọi là năng lượng bức xạ Bức xạ mặt trời sau khi tác động lên các vật thể trên mặt đất sẽ phản xạ trở lại Năng lượng phản xạ này chính là phương tiện truyền tin trong kỹ thuật viễn thám Mỗi vật thể, mỗi đối tượng trên bề mặt trái đất khi có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều có khả năng tự phát xạ, nguồn năng lượng trong nhóm b) là bức xạ nhiệt do chính vật thể phát ra Trong nhóm c) nguồn năng lượng là các sóng siêu cao tần có thể của vật thể tự phát xạ, gọi là viễn thám bị động hoặc từ các radar phát sóng nhân tạo, gọi là viễn thám chủ động
* Phân loại theo độ cao
Bức xạ điện từ phản xạ từ bề mặt trái đất, sau khi đi qua khí quyển được ghi lại nhờ bộ cảm biến (Sensor) như máy đo bức xạ hoặc máy chụp ảnh năng lượng điện từ này đi vào hệ thống Sensor sẽ được đo đạc và biến đổi thành tín hiệu điện dạng phổ ghi lên băng từ Tùy vào đối tượng nghiên cứu, Sensor có thể được đặt trong các phương tiện khác nhau như ô tô, tàu thủy, máy bay, khinh khí cầu, vệ tinh Như vậy, tùy vào độ cao hoạt động của các phương tiện, viễn thám được chia ra làm
ba loại: Viễn thám mặt đất (Ground-based); Viễn thám hàng không (Air-born); Viễn thám vệ tinh (Space-born)
Nhờ những ưu điểm nổi trội, ảnh viễn thám vệ tinh thu được từ các vệ tinh nhân tạo được coi là các tư liệu quan trọng trong nghiên cứu tài nguyên-môi trường
Trang 17Trong những phần tiếp theo sẽ nghiên cứu sâu thêm một số thông tin về tư liệu viễn thám vệ tinh (gọi tắt là tư liệu viễn thám)
1.2.3 Ảnh số và các phép xử lý ảnh
a) Ảnh số
Ảnh số là một dạng tư liệu ảnh được lưu trữ trên máy tính với phần tử nhỏ được gọi là pixel Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị thông tin về đối tượng mặt đất Đơn vị thông tin được ghi nhận dưới dạng một giá trị độ xám là kết quả mã hóa từ việc đo bức xạ phát ra từ pixel đó dưới dạng một xung điện từ
Các pixel thường có dạng hình vuông và được xác định bằng tọa độ hàng, cột
Hệ tọa độ ảnh thường có gốc tọa độ ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với tọa độ cột, từ trên xuống dưới đối với tọa độ hàng Tùy theo độ phân giải của ảnh người ta sử dụng các mục đích khác nhau cho phù hợp Tư liệu ảnh số được ghi lại trên đĩa hoặc băng từ theo những trật tự nhất định gọi là kiểu định dạng Các kiểu định dạng này có thể chuyển đổi qua lại nhau để xử lý nhờ các chương trình xử lý ảnh
b) Các phép xử lý ảnh
* Hiệu chỉnh phổ: Các dữ liệu vệ tinh viễn thám bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ
nhạy của thiết bị thu nhận, điều kiện khí quyển, đường bay của vệ tinh Hiệu chỉnh phổ được định nghĩa như là quá trình khôi phục các điều kiện môi trường tại thời điểm thu nhận Thông thường, sau khi nhập ảnh vào máy, ta khai báo một số thông số liên quan đến trạng thái khí quyển tại thời điểm thu nhận, góc phương vị mặt trời, hướng tia tới chụp ảnh Một phần mềm chuyên dụng sẽ sử dụng các thông số này để hiệu chỉnh lại phổ của tấm ảnh
* Nắn chỉnh hình học: Là bước tiền xử lý bắt buộc trong viễn thám Nắn chỉnh
hình học giúp ta xác định vị trí của dữ liệu ảnh vệ tinh trong một hệ tọa độ nào đó
Ta có thể thực hiện việc nắn chỉnh hình học ảnh viễn thám là nắn ảnh theo bản
đồ hoặc nắn ảnh theo ảnh Nói chung công việc nắn chỉnh hình học bao gồm hai bước:
- Nội suy không gian nhằm chuyển tọa độ hàng cột của pixel về tọa độ địa lý
- Nội suy mức độ xám để xác định giá trị độ xám cho các pixel mới được nắn chỉnh
Trang 18Nội suy không gian được tiến hành bằng cách xác định các điểm khống chế trên ảnh cần nắn và trên bản đồ sau đó tính toán tọa độ của mỗi pixel ảnh cần nắn qua một mô hình toán học Mô hình thường được sử dụng trong đa số các phần mềm là
mô hình đa thức Mô hình này chỉ đòi hỏi tọa độ của các điểm khống chế ảnh với số
lượng điểm khống chế tối thiểu là:
, với n là bậc của đa thức Sai số nắn chỉnh được tính theo công thức:
RMSerror = 2 2
' ' x g y y g
x
Trong đó xg và yg là tọa độ hàng cột của điểm khống chế trên ảnh được xác định lúc ban đầu Sau khi sử dụng mô hình đa thức để chạy chương trình nắn ta được giá trị x' và y' Trường hợp lý tưởng là: x' = xg và y' = yg, nhưng điều đó rất khó xảy ra
vì thế RMSerror luôn lớn hơn 0
Các pixel sau khi nắn chỉnh hình học không có độ xám nên để xác định độ xám mới người ta sử dụng các phương pháp nội suy mức độ xám từ các pixel trong ảnh gốc Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp sau:
- Nội suy điểm ảnh lân cận gần nhất: xác định giá trị độ xám từ một pixel gần nhất của ảnh gốc và gán giá trị này cho ảnh mới
- Nội suy bậc 2: xác định giá trị trung bình có trọng số của các giá trị độ xám
từ 4 pixel gần nhất trên ảnh gốc và gán giá trị này cho ảnh mới
- Nội suy bậc 3: xác định giá trị trung bình có trọng số của các giá trị độ xám
từ 16 pixel gần nhất trên ảnh gốc và gán giá trị này cho ảnh mới
* Tăng cường chất lượng ảnh
- Giãn ảnh: hình ảnh vệ tinh thu được ở dạng gốc ban đầu chưa được hiệu chỉnh phổ, có độ tương phản thấp, ảnh tối và mờ, giá trị pixel chỉ ở trong khoảng từ
50 ÷ 140, khoảng từ 0 ÷ 49 và từ 141 ÷ 255 không được sử dụng Vì vậy cần thiết phải tiến hành các bước tăng cường xử lý ảnh vệ tinh gốc để có được một hình ảnh rõ nét, có độ tương phản tốt, tận dụng được mọi giá trị trong khoảng sáng cho phép Kỹ thuật xử lý ảnh số cho phép làm tăng hoặc giảm độ tương phản của ảnh viễn thám dạng số Các phương pháp thông dụng thường được sử dụng là: giãn tuyến tính, giãn đều mật độ phân bố, giãn Gauss
Trang 19Giãn tuyến tính là sự tăng cường độ tương phản làm mở rộng khoảng độ sáng
của thông tin ban đầu và ảnh sau khi xử lý sẽ có các pixel nằm trong toàn bộ cung độ
sáng
Giãn đều mật độ phân bố là phương pháp tăng cường độ tương phản với mục
đích làm rõ hơn các đối tượng có sự đồng nhất về độ xám trên ảnh
Giãn Gauss là phương pháp giãn không tuyến tính để làm tăng độ tương phản
ở dải độ xám trung bình, các yếu tố chi tiết được thể hiện rõ hơn Phương pháp này
thường được áp dụng cho từng phần của ảnh
- Lọc ảnh là thao tác tăng cường chất lượng hình ảnh mà giá trị độ xám của
mỗi pixel được nội suy trong mối quan hệ phụ thuộc vào các pixel xung quanh Vì
vậy phép lọc được coi như phép toán cho từng vùng, khác với phép giãn ảnh là một
phép toán cho từng điểm vì không có sự phụ thuộc vào các pixel xung quanh Lọc
ảnh liên quan đến sự biến đổi giá trị độ xám của điểm ảnh Một bức ảnh số chứa các
thông tin tần số thấp và các thông tin tần số cao Tần số thấp là các thông tin mô tả
các đối tượng có sự thay đổi độ xám từ từ: hồ nước, rừng, ruộng lúa Tần số cao là
các thông tin mô tả các đối tượng có sự thay đổi độ xám đột ngột: kênh mương,
đường ranh giới Các phép lọc có thể chia ra lọc tần số cao, lọc tần số thấp Phép
lọc tần số thấp làm cho đường nét trở nên mềm mại, hình ảnh dịu Lọc tần số cao
nhấn mạnh sự thay đổi độ xám của các pixel, tôn đường gờ, ranh giới của các đối
tượng
1.2.4 Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
Sóng điện từ chiếu tới mặt đất, năng lượng của chúng sẽ tác động lên mặt đất
gây ra các hiện tượng sau: Phản xạ năng lượng ; Hấp thụ năng lượng; Thấu quang
Gọi năng lượng nguồn phát là Eo, khi chiếu xuống đối tượng chuyển thành
một phần mang năng lượng phản xạ E , một phần bị hấp thụ E , một phần thấu
quang E Theo định luật bảo toàn năng lượng :
Eo= E+ E + E (1-1)
E
EE
EE
Trang 20 + + =1 (1-2)
trong đó ,, là độ phản xạ, độ hấp thụ và độ thấu quang Tuỳ thuộc vào cấu trúc, thành phần cấu tạo bề mặt đối tượng và bước sóng năng lượng chiếu tới mà các thành phần E, E , E có những giá trị khác nhau đối với các đối tượng khác nhau Do vậy ảnh thu được có khả năng phản xạ phổ các đối tượng khác nhau là khác nhau Các hệ thống viễn thám ghi nhận năng lượng phản xạ từ công thức (1-1): E = Eo- (E + E) Hệ số phản xạ phổ r ( ở bước sóng ) được định nghĩa:
100% E E r (1-3) Để thấy rõ đặc trưng phản xạ phổ phụ thuộc vào bước sóng ta xét đồ thị sau:
Hình 1.2 Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
Trong đó:
1 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của thực vật
2 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của đất khô
3 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của nước
a) Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật
Tùy thuộc vào độ dài của bước sóng, khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh cũng thay đổi Đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:
60
40
20
r(%)
()
0 0.4 0.6 0.8 1.0 1 2 1.4 1.6 1.8 2.0 2 2 2.4 2.6 2.8
1
2
3
Trang 21- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi chorophyll
có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá, phần còn lại bị phản xạ
- Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp thụ là cực đại Ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào là ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ là không lớn bằng hàm lượng nước trong lá
b) Đặc trưng phản xạ phổ của nước
Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng bức xạ trong nước và thành phần vật chất có trong nước Khả năng phản xạ phổ còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước
Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại, đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hấp thụ mạnh năng lượng ở dải hồng ngoại và cận hồng ngoại Thông thường, trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần, trạng thái của nước: Nước đục có khả năng phản xạ cao hơn nước trong, nhất là ở những dải sóng dài Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: Nước biển, nước ngọt và nước sạch trong phòng thí nghiệm có chung đặc tính thấu quang Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ít trong dải sóng nhìn thấy chứng tỏ rằng: đối với tầng nước mỏng (ao, hồ, sông suối) và trong, phổ phản xạ ghi nhận được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc vào phản xạ của chất đáy như bùn, cát, sỏi, đá thể hiện khả năng phản xạ phổ của một số đối tượng nước Hàm lượng chlorophyll là yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phản xạ của nước Chlorophyll sẽ làm giảm khả năng phản xạ phổ ở các bước sóng ngắn và tăng khả năng phản xạ phổ ở bước sóng màu xanh lục (green)
c) Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng
Đặc tính chung nhất của thổ nhưỡng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại Ở đây, chỉ có năng lượng hấp thụ và năng lượng phản xạ mà không có năng lượng thấu quang Tuy nhiên, với
Trang 22các loại đất cát có thành phần cấu tạo hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau Tùy thuộc vào thành phần hợp chất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ phổ của đất là cấu trúc
bề mặt của đất, độ ẩm của đất, thành phần hợp chất hữu cơ, vô cơ có trong đất
Cấu trúc của đất phụ thuộc vào tỉ lệ sét, bụi, cát Sét là hạt mịn, đường kính nhỏ hơn 0,002mm, bụi có đường kính 0,002÷0,05mm, cát có đường kính 0,005mm
÷2mm Tùy thuộc tỷ lệ thành phần của 3 loại đất cơ bản trên mà tạo nên các loại đất
có tên gọi khác nhau Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt cũng nhỏ vì chúng
ở sít gần nhau hơn Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn Khi ẩm ướt, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng nước, do vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ cao hơn
và do đó độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của chúng
Khi độ ẩm tăng thì khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị giảm Do vậy khi hạt nước rơi vào cát khô ta sẽ thấy cát bị thẫm hơn, đó là do sự chênh lệch rõ rệt giữa các đường đặc trưng 1, 2, 3 Tuy nhiên nếu cát đã ẩm mà có thêm nước cũng sẽ không thẫm màu đi mấy (do sự chênh lệch ít giữa đường 2 và đường 3)
Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ trong đất Với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5 - 5,0% đất có mầu nâu xẫm Nếu hàm lượng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có mầu nâu sáng
Ôxít sắt cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của đất Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng ô xít sắt trong đất giảm xuống, nhất là ở vùng phổ nhìn thấy (có thể làm giảm tới 40% khả năng phản xạ phổ khi hàm lượng ô xít sắt tăng lên) Khi bỏ ô xít sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt ở dải sóng từ 0,5 - 1,1 nhưng với bước sóng lớn hơn 1,0 hầu như không có tác dụng Như trên đã nói có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất, tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn bề mặt, hàm lượng chất hữu cơ và ô xít sắt là những yếu tố quan trọng Vùng phản xạ và bức xạ phổ có thể sử dụng để ghi nhận thông tin hữu ích về đất còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là dấu hiệu để giải đoán các đặc tính của đất Một điểm quan trọng cần lưu ý là mặc dù biên độ đồ thị khả năng phản xạ phổ của các loại đất có thể khác xa nhau nhưng nhìn chung những khác nhau này ổn định ở nhiều dải sóng khác nhau Đối với
Trang 23thực vật chúng ta phải nhờ khả năng phản xạ phổ phụ thuộc bước sóng (tức là giải đoán ở các kênh khác nhau), nhưng với thổ nhưỡng không thể làm được như vậy, mặc dù sự khác biệt về khả năng phản xạ phổ là quan trọng nhưng nhiều đặc tính phản xạ phổ của chúng giải đoán ở các dải sóng nhìn thấy
1.2.5 Một số yếu tố chính ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên
1 Ảnh hưởng của các yếu tố thời gian - không gian
Các đối tượng tự nhiên trên bề mặt đất thường thay đổi theo thời gian Vì vậy khi giải đoán cần biết rõ thời điểm ghi nhận và đặc điểm của đối tượng ở thời điểm đó
Yếu tố không gian chia làm hai loại: yếu tố không gian cục bộ và địa lý Yếu
tố không gian cục bộ khi đối tượng được phân bố có quy luật, khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào các quy luật khác nhau Yếu tố không gian địa lý thể hiện khi cùng một loại thực vật nhưng điều kiện sinh trưởng ở các vùng địa lý khác nhau thì cho khả năng phản xạ phổ khác nhau Cũng như phụ thuộc vào địa hình mà có bên sáng bên tối khi ánh sáng mặt trời chiếu nghiêng
Để làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố không gian - thời gian đến khả năng phản xạ phổ có thể đưa ra một số phương pháp ghi nhận sau:
này khác xa đối tượng khác
- Ghi nhận thông tin thường xuyên trong một khoảng thời gian nhất định
mặt trời tối thiểu, lượng mây nhỏ hơn 10%
2 Ảnh hưởng của khí quyển:
Khí quyển là môi trường lan truyền năng lượng từ nguồn tới đối tượng và từ đối tượng tới máy thu trên vệ tinh Do vậy khí quyển ảnh hưởng rất lớn tới quá trình phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên Bề dày khí quyển ảnh hưởng tới số liệu thông qua tham số độ cao vệ tinh Khí quyển có thể ảnh hưởng tới số liệu bằng hai cách tán xạ và hấp thụ Hiện tượng tán xạ làm đổi hướng tia chiếu mà không làm mất năng lượng Tán xạ có được do các thành phần không khí hoặc các ion khí quyển phản xạ ánh sáng chiếu tới hoặc do các lớp khí quyển dày có chiết quang không đồng nhất gây nên hiện tượng khúc xạ Do vậy trường nhìn của máy thu sẽ bị
Trang 24hạn chế khi các tia sáng bị tán xạ ra ngoài trường nhìn Hiện tượng tia sáng bị hấp thụ diễn ra khi tia sáng không tán xạ mà truyền qua khí quyển làm nung nóng khí quyển
Hiện tượng tán xạ còn phụ thuộc vào kích thước hạt gây tán xạ, khi hạt bé thì tán xạ phụ thuộc vào bước sóng năng lượng Khi hạt lớn thì tán xạ ánh sáng bao gồm: phản xạ bề mặt, khúc xạ, phản xạ nhiều lần bên trong hạt Đặc tính của khí quyển tác động lên bức xạ mặt trời bao gồm phản xạ, hấp thụ và cho năng lượng truyền qua Đối với viễn thám phần năng lượng truyền qua rất quan trọng Sau đây xét đồ thị đặc trưng cho tác động khí quyển đến bức xạ
Hình 1.3 Cửa sổ khí quyển
Ở vùng ánh sáng nhìn thấy khả năng phản xạ phố lớn nhất khoảng 60% năng lượng chiếu tới Ở mỗi dải sóng khả năng phản xạ, hấp thụ khác nhau Điều này rất quan trọng trong khi thiết kế máy chụp đa phổ để thu nhận ánh sáng phản xạ ở các cửa sổ có bước sóng phù hợp [1]
1.2.6 Các đặc điểm của ảnh viễn thám
Tư liệu viễn thám vệ tinh trên thế giới rất đa dạng và phong phú, và được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau Khi nói tới tư liệu viễn thám, người ta quan tâm đến một trong những đặc tính quan trọng của chúng là độ phân giải Trong nhiều trường hợp để ứng dụng cho mục đích nghiên cứu cụ thể, độ phân giải là tiêu chuẩn
để lựa chọn tư liệu viễn thám Có 3 loại độ phân giải: độ phân giải không gian, độ phân giải phổ và độ phân giải thời gian
Trang 25a) Độ phân giải không gian
Xuất phát từ đặc tính của đầu thu (Sensor) được thiết kế sẵn , độ phân giải không gian phụ thuộc vào hai thông số: Trường nhìn FOV (Field of view) và trường nhìn tức thì IFOV (Instantaneous field of view) FOV là phạm vi không gian mà đầu thu có thể nhận được bức xạ điện từ từ vật thể Dễ dàng nhận thấy rằng: FOV càng lớn thì phạm vi ảnh thu được càng rộng Đối với đầu thu có thông số FOV cố định, vệ tinh bay càng cao thì phạm vi ảnh thu được càng lớn hơn IFOV là trường nhìn tức thời của đầu thu, là phạm vi không gian trên mặt đất được "nhìn" bởi một phần tử của
bộ ghi tại một thời điểm Góc IFOV càng nhỏ thì khả năng phân biệt các đối tượng càng lớn Độ phân giải không gian được thể hiện bằng kích thước của pixel (picture element) cho ta biết phạm vi các đối nhỏ nhất có thể phân biệt được trên ảnh Căn cứ vào độ phân giải không gian, có thể chia các tư liệu viễn thám thành 3 nhóm chính:
- Độ phân giải cao và siêu cao
- Độ phân giải trung bình
- Độ phân giải thấp
Đại diện cho nhóm ảnh viễn thám có độ phân giải cao và siêu cao là nhóm ảnh
vệ tinh QuickBird, IKONOS có độ phân giải từ vài chục cen-ti-met đến vài mét Do giá thành cao, ở Việt Nam các loại ảnh nhóm này ít phổ biến Thường được sử dụng
để thành lập bản đồ tỷ lệ lớn Các ảnh vệ tinh Landsat, Spot, Aster có độ phân giải từ
15 mét đến 30 mét là đại diện cho nhóm tư liệu có độ phân giải trung bình Đại diện cho nhóm tư liệu có độ phân giải thấp là các ảnh vệ tinh MODIS, NOAA có độ phân giải không gian từ 250 đến 1000 mét Những ưu điểm nổi bật của tư liệu ảnh nhóm này là tính bao trùm lãnh thổ lớn, chu kỳ thu nhận ảnh ngắn (2 ngày) và thông tin được ghi ở nhiều dải phổ khác nhau
Trong nghiên cứu tài nguyên môi trường, khảo sát và theo dõi diễn biến thành phần tự nhiên và các tai biến tự nhiên, chủ yếu sử dụng các tư liệu viễn thám có độ phân giải trung bình
b) Độ phân giải phổ
Tín hiệu phản xạ từ các vật thể trên mặt đất có thể thu nhận trong các dải sóng khác nhau Mỗi dải sóng đó được gọi là một băng (band) hoặc một kênh (chanel)
Trang 26Thông thường, tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu độ chính xác thu thập thông tin mà các đầu thu được thiết kế để thu nhận sóng điện từ trong một số khoảng bước sóng nhất định Độ rộng hẹp của khoảng bước sóng này gọi là độ phân giải phổ của ảnh Các khoảng bước sóng được gọi là các kênh ảnh Bức xạ phổ của đối tượng thay đổi theo bước sóng điện từ Như vậy, một đối tượng được chụp trên nhiều kênh khác nhau thì ảnh sẽ khác nhau và nhờ đó các thông tin về đối tượng cũng sẽ được thu thập toàn diện hơn, đầy đủ hơn Hay nói cách khác: độ phân giải phổ càng cao (càng nhiều kênh ảnh) thì lượng thông tin thu thập được của đối tượng càng nhiều Cho đến nay, các ảnh viễn thám đa phổ (multispectral images) thường có khoảng 3-10 kênh Các ảnh siêu đa phổ (hyperspectral images) có thể có tới 30 kênh
c) Độ phân giải thời gian
Chuyển động trên quỹ đạo cực, vệ tinh viễn thám chụp ảnh bề mặt trái đất theo chu kỳ Độ phân giải thời gian là khoảng thời gian lặp lại giữa các lần chụp một khu vực trên bề mặt đất của vệ tinh Độ phân giải thời gian càng nhỏ tức là lần lặp càng nhiều, thông tin thu thập được về một khu vực nào đó càng lớn
1.2.7 Xử lý ảnh viễn thám
Ảnh viễn thám thường được ghi lại trên nhiều dải phổ khác nhau nên còn được gọi là ảnh đa phổ Mỗi một đối tượng tự nhiên có đặc tính phản xạ, hấp thụ chọn lọc phổ khác nhau nên độ rõ của thông tin vật thể trên các dải phổ cũng khác nhau Phần lớn các vệ tinh hoạt động mang tính chất chu kỳ, cứ sau một thời gian nhất định vệ tinh lại bay qua vị trí cũ Ảnh chụp một vùng lãnh thổ ở nhiều thời gian khác nhau gọi
là ảnh đa thời gian Ảnh đa thời gian được sử dụng nhiều trong quan trắc (monitoring) tài nguyên và môi trường, để theo dõi, đánh giá sự biến động các thành phần tài nguyên thiên nhiên và môi trường trong một quá trình, một giai đoạn phát triển
a) Giải đoán ảnh viễn thám (Interpretation)
Giải đoán ảnh viễn thám (Interpretation) là quá trình chiết tách các thông tin định tính và định lượng từ các tư liệu ảnh Nội dung chiết tách thông tin có thể chia thành 5 loại:
* Phân loại đa phổ: Là quá trình tách gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ,
không gian và thời gian của đối tượng (phân loại thực vật, phân loại lớp phủ mặt đất)
Trang 27* Phát hiện biến động: Là phát hiện và tách các biến động của đối tượng dựa
trên tư liệu ảnh đa thời gian (biến động tài nguyên rừng, biến động, biến động mạng lưới thủy văn, đường bờ biển v.v…)
* Chiết tách các thông tin tự nhiên như nhiệt độ, trạng thái khí quyển, cường
độ bức xạ, hoạt động của mây.…dựa trên các đặc trưng phổ
* Xác định các chỉ số, là việc tính toán các chỉ số mới, ví dụ: chỉ số thực vật
* Xác định các đặc tính hoặc đối tượng đặc biệt như thiên tai (cháy rừng, lũ
lụt, núi lửa), phát hiện các hoạt động tân kiến tạo (đứt gẫy địa chất, sụt lở…)
b) Giải đoán ảnh thông thường
Giải đoán ảnh thông thường chia làm hai nhóm chính: giải đoán bằng mắt và giải đoán bằng phương pháp số hay còn gọi là xử lý tự động
* Giải đoán bằng mắt (Visual interpretation)
Là sử dụng khả năng của mắt người kết hợp với các dụng cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu để xác định đối tượng Khi giải đoán một đối tượng cụ thể, người giải đoán cần phải hiểu bản chất phản xạ phổ của đối
tượng và sự thể hiện chúng trên tấm ảnh đang xử lý; phải nắm vững các chuẩn giải đoán, bao gồm các chuẩn về kích thước, hình dạng, độ bóng, độ đen, màu sắc, cấu
trúc, sự phân bố Quá trình giải đoán viễn thám bằng mắt thường dựa trên những bộ mẫu giải đoán ảnh Mẫu giải đoán ảnh là những tài liệu thu thập những ảnh mẫu đặc trưng cho các đối tượng khác nhau, kèm theo mô tả chi tiết về đối tượng đó Dựa
trên cơ sở của các chuẩn, mẫu giải đoán ảnh được xây dựng cho các mục đích giải
đoán cụ thể như hiện trạng sử dụng đất, địa chất, thổ nhưỡng, thực vật Đối với từng loại tư liệu viễn thám cần phải xây dựng những bộ mẫu giải đoán ảnh riêng, trong đó nhấn mạnh các đặc trưng phổ của ảnh, những gợi ý trong quá trình giải đoán và các mẫu giải đoán tiêu biểu Việc giải đoán ảnh có thể thực hiện trực tiếp trên tư liệu gốc thông qua trợ giúp của một số thiết bị phóng đại hoặc trên tư liệu đã được phóng lên một tỷ lệ cần thiết Việc giải đoán ảnh bằng mắt có nhiều hạn chế vì
nó phụ thuộc vào kiến thức, kinh nghiệm và kỹ năng của từng người Trong khi mắt người trung bình chỉ phân biệt được 16 cấp độ xám, thì máy tính có khả năng phân biệt được tất cả cấp độ xám mà tư liệu có khả năng cung cấp Tuy vậy, giải đoán
Trang 28bằng mắt có ưu thế trong việc kết hợp kinh nghiệm, kiến thức hỗ trợ từ các thông tin liên quan và khả năng khái quát, tổng hợp của con người được áp dụng triệt để
Vì vậy, mặc dù kỹ thuật xử lý ảnh số ngày càng phát triển cũng như được áp dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất, phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt vẫn không ngừng được củng cố và áp dụng
* Xử lý số (Digital interpretation)
Hiện nay, các tư liệu thu được trong viễn thám phần lớn ở dạng số Xử lý số
là phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại Thay thế cho việc giải đoán bằng mắt, hiện nay, người ta sử dụng ngày càng nhiều phương pháp xử lý ảnh số, sau đây
là một số thông tin tóm tắt về qui trình xử lý ảnh số:
- Nhập số liệu: Để xử lý ảnh số, trước hết cần nhập tư liệu ảnh vào máy Tư
liệu viễn thám ở dạng số được chuyển từ lưu trữ mật độ cao HDDT vào băng từ CCT Ảnh tương tự được chuyển thành ảnh số qua máy quét
- Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Là giai đoạn thực hiện các hiệu chỉnh hệ
thống, bức xạ, hình học của các tín hiệu số, 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
- Biến đổi ảnh: Là quá trình xử lý nâng cao chất lượng ảnh, biến đổi tuyến
tính … nhằm tạo ra một tập dữ liệu mới có một số tính chất được nhấn mạnh và một
số tính chất bị giảm đi.Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính nhỏ như các máy vi tính trong khuôn khổ của một phòng thí nghiệm
- Phân loại ảnh: Là quá trình xử lý ảnh theo yêu cầu của người sử dụng Yêu
cầu của người sử dụng được đưa vào máy thông qua giai đoạn chọn tập mẫu cho các đối tượng cần phân loại Máy tính sẽ tự động phân loại và cho kết quả dưới dạng ảnh đã phân loại
Có 2 phương pháp phân loại: Phân loại có kiểm định (Supervised classification)
và phân loại không kiểm định (Unsupervised classification)
Phân loại có kiểm định là một hình thức phân loại mà các chỉ tiêu phân loại được
xác lập dựa trên các vùng mẫu Vùng mẫu là khu vực mà trên ảnh người giải đoán biết chắc chắn thuộc vào trong các lớp cần tìm Dựa vào các vùng mẫu,
Trang 29các thông số thống kê sẽ được xác định và đó chính là các tiêu chí thống kê sử dụng trong quá trình phân loại sau này
Phân loại không kiểm định là cách phân loại mà tại những khu vực không
có một thông tin nào về đối tượng cần phân loại người ta sử dụng kỹ thuật phân loại không kiểm tra Phân loại không kiểm tra chỉ sử dụng thuần tuý thông tin ảnh
c) Xuất kết quả xử lý ảnh viễn thám
Xuất kết quả là bước cuối cùng sau khi hoàn tất các khâu xử lý trên đây Kết quả có thể hiển thị trên phim, ảnh (dạng tương tự), bản đồ hoặc dạng số Hiện nay, kết quả dạng số là phổ biến vì nó được tích hợp với các loại thông tin khác trong hệ thông tin địa lý (GIS), cho các kết quả nghiên cứu đối tượng đầy đủ hơn, chính xác hơn (so với trường hợp chỉ sử dụng riêng tư liệu viễn thám)
Một hệ xử lý ảnh số bao gồm 3 phần cơ bản:
+ Phần cứng
Có 2 loại phần cứng chính: Phần cứng có các bộ xử lý ảnh chuyên dụng và phần cứng dùng các máy tính vạn nãng
+ Các thiết bị ngoại vi bao gồm các thiết bị hiện ảnh, các thiết bị lưu trữ dung tích lớn, các bộ chuyến đổi ảnh số sang tương tự và ngược lại v.v
+ Phần mềm
Hệ phần mềm xử lý ảnh số bao gồm các modul như: Nhập xuất dữ liệu; hiện ảnh và thao tác liên quan; hiệu chỉnh và khôi phục ảnh; phân tích ảnh; xuất tư liệu ảnh
Việc xử lý thông tin bằng máy tính có ưu điểm là năng suất cao, thời gian xử
lý ngắn có thể đo được các chỉ số đặc trưng tự nhiên nhưng nó có yếu điểm là khó kết hợp với tri thức và kinh nghiệm của con người, kết quả phân tích thông tin kém
Để khắc phục nhược điểm này, những năm gần đây người ta nghiên cứu các hệ chuyên gia, đó là các hệ chương trình máy tính có khả năng mô phỏng tri thức chuyên môn của con người phục vụ cho việc đoán đọc và điều vẽ tự động
Trang 301.2.8 Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám
Ngày nay, với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học công nghệ, tư liệu ảnh vệ tinh đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường
Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám có thể kể ra là:
- Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực phủ trùm lớn (Landsat 180km x 180km; SPOT, ASTER 60km x 60 km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc
- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau
- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau đo đó cho phép nghiên cứu
bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau Ví dụ như các loại ảnh độ phân giải siêu cao như SPOT 5, IKONOS, QuickBird, ảnh hàng không để nghiên cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu vực
- Khả năng chụp lặp lại hay còn gọi là độ phân giải thời gian Do đặc điểm quĩ đạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại được vị trí trên mặt đất Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau
sẽ cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tượng diễn ra trên mặt đất, ví dụ như quá trình sinh trưởng của cây trồng, thảm thực vật
- Các dữ liệu được thu nhận ở dạng số nên tận dụng được sức mạnh xử lý của máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin như hệ thống thông tin địa lý (GIS)
Do những đặc tính hết sức ưu việt kể trên ảnh viễn thám đã trở thành một công cụ không thể thiếu được trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường nói chung và việc chiết tách các thông tin lớp đất mặt nước sông, hồ nói riêng
Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ viễn thám, tại những nước phát triển,
đã được thực hiện ngay từ khi có những tấm ảnh đầu tiên của vệ tinh quan sát trái
Trang 31đất Cho đến nay ảnh vệ tinh đã được ứng dụng ở khắp các nước trên thế giới, kể cả những nước đang phát triển
Ở Việt Nam, mặc dù việc ứng dụng công nghệ viễn thám có chậm hơn những nước tiên tiến trong khu vực nhưng ảnh vệ tinh cũng đã được sử dụng ở rất nhiều các cơ quan, ngành và địa phương khác nhau như nông nghiệp, lâm nghiệp, đo đạc
và bản đồ, qui hoạch đất đai, địa chất – khoáng sản…
Những ứng dụng tiêu biểu của ảnh viễn thám liên quan đến việc chiết tách các thông tin là:
- Điều tra thành lập bản đồ hiện trạng và theo dõi biến động rừng
- Thành lập bản đồ lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất
- Theo dõi giám sát mùa màng
- Thành lập bản đồ và theo dõi biến động các vùng đất ngập nước
- Thành lập bản đồ và theo dõi biến động rừng ngập mặn
- Kiểm kê tài nguyên nước mặt
- Qui hoạch đô thị và theo dõi quá trình đô thị hóa
Hiện nay trên thế giới, đặc biệt là các nước công nghiệp phát triển, việc theo dõi diễn biến tài nguyên thiên nhiên, mà trước hết là lớp đất mặt nước được tiến hành trên cơ sở sử dụng tư liệu viễn thám cùng các phần mềm xử lý số chuyên dụng Các tư liệu viễn thám được sử dụng để nghiên cứu lớp đất mặt nước chủ yếu
là ảnh vệ tinh và ảnh Radar Ở nước ta việc theo dõi diễn biến lớp đất mặt nước là theo dõi diễn biến về diện tích nước mặt Vai trò quan trọng của công nghệ viễn thám và nhu cầu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh của các cơ quan, ngành trong cả nước, chính phủ đã cho phép Bộ Tài nguyên và Môi trường triển khai đề án “Hệ thống Giám sát Tài nguyên thiên nhiên và môi trường tại Việt Nam” sử dụng vốn ODA của chính phủ Pháp Thành phần quan trọng nhất của hệ thống này là Trạm thu ảnh
vệ tinh có khả năng thu nhận, xử lý và cung cấp các loại ảnh vệ tinh bao gồm cả ảnh quang học (MERIS, SPOT 2, 4, 5) và radar (ASAR) cho người sử dụng trong nước
Hệ thống giám sát Tài nguyên và Môi trường tại Việt nam sẽ thúc đẩy các nghiên cứu ứng dụng của ảnh vệ tinh ở nước ta Khi hệ thống đi vào hoạt động, người sử
Trang 32dụng có khả năng tiếp xúc với nhiều loại tư liệu ảnh trên cùng một khu vực nghiên cứu
Trong ngành lâm nghiệp tư liệu viễn thám với những ưu thế như ảnh chụp được ở những phạm vi rộng, chi tiết, tư liệu đa thời gian, tức thời cũng đóng góp một phần không nhỏ trong việc thành lập bản đồ hiện trạng tài nguyên nước, biến động tài nguyên nước, quản lý trữ lượng nước, …
1.3 Hệ thông tin địa lý (GIS)
1.3.1 Khái niệm và định nghĩa GIS
Theo ESRI (Environmental System Reseach Institute): Hệ thống thông tin địa
lý (Geographic Information System-GIS) được định nghĩa “là một hệ thống bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu và con người nhằm thu thập, lưu trữ, cập nhật,
xử lý, phân tích và hiển thị các thông tin địa lý trên bề mặt trái đất”
Thuật ngữ GIS xuất hiện lần đầu tiên trong các ấn phẩm đương đại xuất bản vào những năm 1960 Nhiều khái niệm và sự hình thành ý tưởng của GIS đã có một truyền thống lâu dài và xuất hiện khá sớm Cuối thế kỷ 19, ý tưởng về chồng ghép bản đồ (map overlay), một khái niệm rất quan trọng trong GIS hiện đại, đã được một người Pháp tên là Louis Alexandre Berthier sử dụng cách đây 200 năm Ông là người đã biên tập và phân lớp một loạt bản đồ để phân tích sự di chuyển của các đội quân trong cuộc cách mạng Mỹ Một ví dụ nữa, minh hoạ cho ý nghĩa của khái niệm lớp được tiến sĩ John Snow thực hiện năm 1854 Ông đã phân lớp bản đồ London, để chỉ ra khu vực xẩy ra tử vong do bệnh dịch tả với bản đồ vị trí giếng nước ở thành phố này, phân tích mối quan hệ giữa hai tập số liệu này để tìm ra khu vực phát sinh vi khuẩn dịch tả và dự báo sự lây lan Những ví dụ này đã chỉ ra những nguyên lý cơ bản, ngày nay vẫn là nền tảng của GIS hiện đại, tức là đưa ra quyết định dựa trên sự phân tích đồng thời các loại số liệu khác nhau phân bố trên cùng một hệ quy chiếu địa lý Khả năng và tiện ích của GIS hiện đại phụ thuộc chủ yếu vào khả năng, tốc độ xử lý của máy tính Trong những năm cuối của thế kỷ 20, nhiều vấn đề bức xúc đã đặt ra với nhiều quốc gia và các khu vực trên thế giới Đó
là vấn đề cạn kiệt tài nguyên, ô nhiễm môi trường, bùng nổ dân số, thiên tai, dịch bệnh,…Nỗ lực kiểm soát và giải quyết các vấn đề này đòi hỏi cần có sự thu thập,
Trang 33tổng hợp và xử lý các thông tin đầy đủ, chính xác và nhanh chóng Công nghệ GIS hiện đại ra đời và phát triển mạnh mẽ trong hầu hết các ngành kinh tế quốc dân, một phần chính là từ lý do đó
1.3.2 Các thành phần của GIS
1 Phần cứng
Phần cứng của hệ thống GIS bao gồm các loại máy tính và các thiết bị ngoại
vi để nhập dữ liệu, in ấn và truy xuất kết quả Máy tính có thể được nối mạng cục
bộ hoặc internet để chia sẻ thông tin Trong số các thiết bị ngoại vi, bên cạnh máy
in, máy vẽ…, trong trường hợp cần phải chuyển đổi thông tin từ ảnh tương tự, bản
đồ sang dạng số cần có cả máy quét
2 Phần mềm
Công cụ quan trọng trong công nghệ GIS là các phần mềm tin học Mỗi loại phần mềm có những chức năng và công dụng riêng Một cách gần đúng, có thể chia phần mềm GIS ra làm 3 nhóm:
* Nhóm phần mềm đồ hoạ (Microstation, Autocad…) Là nhóm các phần mềm được ứng dụng để biên tập, quản lý, cập nhật và hiện chỉnh các loại bản đồ (tức là các thông tin không gian) Nhờ sự trợ giúp của các loại phần mềm này, các bản đô có thể được chuyển đổi tọa độ, nắn chỉnh hình học, chuyển đối lưới chiếu v.v
* Nhóm phần mềm quản trị bản đồ (Mapinfor, ArcView, MGE…) Là những phần mềm mà ngoài chức năng đồ hoạ, chúng có khả năng quản trị các thông tin phi không gian (thông tin thuộc tính); kết nối các thông không gian với thông tin thuộc tính
* Nhóm phần mềm quản trị và phân tích không gian (ArcInfor, ArcView, Softdesk, AcrGIS…) Là các phần mềm mà ngoài khả năng cập nhật và quản lý dữ liệu chúng có thêm chức năng phân tích không gian
Các phần mềm GIS rất đa dạng có nhiều tính năng khác nhau Các modul phần mềm phải thực hiện được các nhiệm vụ, bao gồm:
- Nhập và kiểm tra dữ liệu
- Phân tích và biến đổi dữ liệu
Trang 34- Lưu trữ và quản trị dữ liệu
- Hỏi đáp về dữ liệu và tương tác với người sử dụng
- Xuất và in ấn dữ liệu
Các phần mềm GIS ngày càng được hoàn thiện, phát triển với các chức năng
đa dạng hơn, thân thiện với người dùng hơn và khả năng quản lý dữ liệu hiệu quả hơn
3 Dữ liệu
Dữ liệu là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống GIS Dữ liệu được phân thành 2 loại: dữ kiệu không gian (spatial data) và dữ liệu phi không gian (non-spatial data) Dữ liệu không gian là thông tin về vị trí của các đối tượng trong thế giới thực trên mặt đất theo một hệ quy chiếu nhất định (toạ độ) Dữ liệu phi không gian là dữ liệu thuộc tính (attribute) hoặc dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý, dữ liệu này có thể là đinh lượng hoặc định tính Sự kết nối giữa dữ liệu không gian và phi không gian là cơ sở để xác định chính xác các thông tin của đối tượng địa lý và thực hiện phép phân tích tổng hợp trong hệ thống GIS
4 Con người
Không thể có một hệ thống nào vận hành tốt mà không có sự tham gia của con người Con người được coi là bộ não của hệ thống Con người thiết kế, thành lập, khai thác và bảo trì hệ thống
Hình 1.4 Sơ đồ tổ chức của hệ thống GIS
Trang 35Bốn thành phần nêu trên tạo thành một hệ thống thống nhất hoàn chỉnh Người ta ví rằng: Thiết bị (phần cứng, phần mềm), quy trình xử lý và con người là công cụ điều khiển và vận hành hệ thống, cơ sở dữ liệu là nguyên liệu tạo ra các sản phẩm của hệ (Hình 1.4)
1.3.3 Các chức năng của GIS
Hệ thống GIS thực hiện các chức năng cơ bản sau đây:
- Nhập và biến đổi dữ liệu, kể cả dữ liệu không gian và phi không gian, từ các
số liệu thống kê, bảng biểu, bản đồ, phim ảnh dạng tương tự sang dạng số tạo nguồn thông tin cho hệ thống
- Quản trị dữ liệu, là chức năng tổ chức, lưu trữ, cập nhật…dữ liệu
- Phân tích dữ liệu, là chức năng quan trọng của GIS, là khả năng kết nối, phân tích các dữ liệu không gian và phi không gian, phân tích tổng hợp để giải quyết các yêu cầu của bài toán
- Hiển thị và truy xuất dữ liệu, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng biểu đồ, bản
đồ, bảng biểu…
1.3.4 Mô hình dữ liệu GIS
Mô hình hoá dữ liệu là phương pháp đang được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực Nhiều loại phần mềm máy tính và các thiết bị ngoại vi đã trợ giúp, tạo điều kiện dễ dàng và hiệu quả cho sự phát triển của mô hình hoá dữ liệu Trong lĩnh vực tổ chức dữ liệu các yếu tố tài nguyên-môi trường thì mô hình chồng xếp được coi là thông dụng nhất Các đối tượng tự nhiên đuợc thể hiện như một tập hợp các lớp thông tin riêng rẽ, tách biệt Trên cơ sở thu thập, cập nhật từ nhiều nguồn, nhiều phương pháp khác nhau như: khảo sát, đo đạc ngoại nghiệp, thống kê, bản đồ, ảnh hàng không, ảnh viễn thám vệ tinh, số liệu GPS v.v…các thông tin sẽ được tổ chức theo các lớp (layer) dưới dạng bản đồ chuyên đề Như vậy, lớp thông tin là các
dữ liệu địa lý về một đối tượng địa lý cần phải thể hiện, lưu trữ và quản lý Đối tượng địa lý có thể là: sông ngòi, sự phân bố khoáng sản, địa hình, địa mạo, hiện trạng sử sụng đất, các đứt gẫy kiến tạo, mật độ dân cư v.v…(Hình 1.5.) Tùy vào mục đích sử dụng, yêu cầu quản lý, các lớp thông tin sẽ được tổng hợp, chọn lọc, khái quát và tổ chức hợp lý để hiệu quả thể hiện của các lớp đạt hiệu quả cao nhất
Trang 36Hình 1.5 Phân lớp thông tin trong mô hình chồng xếp GIS
1.3.5 Cấu trúc dữ liệu
Theo quan điểm topo, tất cả mọi dữ liệu địa lý trên bề mặt trái đất đều có thể
mô hình hoá theo ba thành phần cơ bản đó là: điểm, đường và vùng cấu trúc dữ liệu
là cách tổ chức, cách cấu trúc dữ liệu thành các hình dạng có thể làm việc trong máy tính Thực thể không gian có thể cấu trúc theo một trong hai cách: Cấu trúc dạng Raster hoặc cấu trúc dạng Vector
Cấu trúc Raster sử dụng lưới điểm để thực hiện và lưu trữ thông tin Trong cấu trúc này, điểm được xác định bởi các ô (cell) hoặc ô ảnh (pixel); đường được xác định bởi các ô kề nhau theo một hướng, vùng được thể hiện bởi số các ô mà trên
đó đối tượng phủ lên
Cấu trúc Vector thể hiện toàn bộ thông tin thông qua các phần tử cơ bản
là điểm, đường, vùng, và quan hệ giữa các đối tượng với nhau (Hình 1.6)
Trang 37
Hình 1.6 Cấu trúc dữ liệu Vector và Raster
Mối liên kết dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính thể hiện thông qua việc đặt dữ liệu thuộc tính vào đúng vị trí của dữ liệu không gian Bằng cách gán các giá trị thuộc tính cho các đối tượng thông qua các bảng số liệu Mỗi bản ghi (record) đặc trưng cho các đối tượng địa lý, mỗi cột của bảng tương ứng với mỗi kiểu thuộc tính của đối tượng đó Mối liên kết dữ liệu đảm bảo cho mỗi đối tượng bản đồ đều được gắn với các thông tin thuộc tính và phản ánh đúng hiện trạng, điểm riêng biệt của các đối tượng Đồng thời qua đó người sử dụng dễ dàng tra cứu, tìm kiếm, chọn lọc các đối tượng theo yêu cầu thông qua bộ xác định hay chỉ số ID (Hình 1.7)
Hình 1.7 Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính
1.3.6 Ứng dụng khả năng phân tích không gian của GIS
* Các phép toán về xử lý cơ sở toán học thông tin không gian
1
2
Thế giới thực
Raster
Vector
1
Trang 38- Chuyển đổi phép chiếu, chuyển đổi hệ quy chiếu (toạ độ), múi chiếu,
chuyển đổi tỷ lệ nền địa lý,
- Chuyển đổi giữa các đơn vị đo khác nhau
- Nắn chỉnh hình học, thực hiện việc điều chỉnh hình ảnh bản đồ theo điều kiện hình học để chuyển về đồ hình thực của nó, nhằm loại bỏ các sai số biến dạng hình học nâng cao độ chính xác
- Xử lý thông tin bản đồ: Tiếp biên, ghép bản đồ, chồng lớp không gian, lập bản đồ chuyên đề, phân tích hoặc chồng phủ các vùng
* Các phép toán về chỉnh sửa, chuẩn hoá dữ liệu
- Phép sửa lỗi (CLEAN): Được dùng để sửa các lỗi thường gặp trong quá
trình nhập các lỗi bản đồ (có thể là tự động hoặc hiển thị lỗi để thao tác viên sửa), các lỗi do CLEAN là:
Đường cắt nhau (Intersection): Các đường bắt buộc phải cắt nhau tại các điểm nút, không được chéo nhau
Bắt không đúng vị trí: Gồm bắt quá (over shoot), bắt chưa tới (under shoot) Đường số hoá trùng lặp nhau nhiều lần (Duplicate)
Lọc, loại bỏ bớt giá trị điểm tham gia tạo đường khi mật độ quá dày
- Phép toán xây dựng topology (BUILD) có chức năng chạy tự động nhằm xây dựng cấu trúc topology cho các đối tượng không gian dạng Vector
- Các phép toán chuyển đổi: Khuôn dạng dữ liệu khi xuất dữ liệu dạng các hệ thông tin địa lý khác
* Các phép phân tích dữ liệu địa lý
Các công cụ về phân tích dữ liệu địa lý chia thành các nhóm chính là hỏi đáp
CSDL (Database Query), đại số bản đồ (Map Algebra) và các toán tử nội suy bề mặt
- Hỏi đáp cơ sở dữ liệu thường có hai định hướng:
Hỏi đáp dữ liệu không gian (Spatial Query)
Hỏi đáp dữ liệu thuộc tính (Attribute Query) để trả lời câu hỏi những vị trí nào mang thuộc tính này Gồm hai bước, chọn các đối tượng thoả mãn điều kiện tìm kiếm theo từng lớp thông tin riêng rẽ và chồng xếp các đối tượng tìm riêng rẽ trên từng lớp ra tập các đối tượng thoả mãn toàn bộ các điều kiện chung cho các lớp thông tin
Trang 39- Đại số bản đồ (Map Algebra): Có thể coi là phần mở rộng của phân tích không gian, là cốt lõi của việc tạo ra các dữ liệu bản đồ mới từ các dữ liệu cũ Thông thường nó được dùng để xử lý ảnh số, tính toán, phân tích bề mặt
Các phép toán nội suy bề mặt: Bao gồm các phép toán liên quan đến nội suy địa hình hoặc bề mặt liên tục nào đó trong không gian ba chiều (3D):
Nội suy bề mặt địa hình từ các số liệu đầu vào
Các phép toán giải quyết các bài toán liên quan đến khoảng cách
Các phép toán về tính lân cận
GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp đơn giản "chỉ và nhấn" và các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân tích Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó có hai công
cụ quan trọng đặc biệt:
a) Phân tích liền kề
GIS có khả năng phân tích những đối tượng bao xung quanh một đối tượng
cụ thể nào đó bằng cách dùng một vùng đệm Vùng đệm là một dạng hình học dựa trên đối tượng tồn tại khác (điểm, đường hoặc vùng) mà nó có thể được GIS tạo ra Đối tượng đệm diễn tả tổng diện tích trong một khoảng cách nào đó của một feature được cho trước
Ta có thể dùng GIS để tạo ra những vùng đệm (và sau đó xác định tất cả các feature nằm trong một khoảng cách cụ thể Chẳng hạn như ta chọn tất cả các địa chỉ trong vòng một vùng đệm 500m của một con đường đông đúc và so sánh chúng với
dữ liệu về tác động của bệnh hen suyễn Bằng cách so sánh hai tập hợp dữ liệu, ta
có thể thống kê được những người bệnh suyễn đang sống trong vùng đệm nhiều hơn
là dân số chung Nó cho phép ta phân tích có hay không nhân tố của sự sống gần những con đường đông đúc với nguyên nhân gây ra bệnh hen suyễn
b) Phân tích chồng xếp
Chồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thông tin khác nhau Các thao tác phân tích đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết vật lý Sự chồng xếp này, hay liên kết không gian, có thể là sự kết hợp dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế…
Trang 40Hình 1.8 Phân tích chồng xếp Quá trình chồng xếp sử dụng một số bản đồ để sinh ra thông tin mới và các đối tượng mới Trong nhiều trường hợp topology mới sẽ được tạo lại Phân tích chồng xếp khá tốn thời gian và thuộc vào nhóm các ứng dụng có tính chất sâu, khi
hệ thống được khai thác sử dụng ở mức độ cao hơn là được sử dụng cho từng vùng
cụ thể hoặc cả nước với tỷ lệ bản đồ phù hợp (Hình 1.8)
Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ Bản đồ khá hiệu quả trong lưu giữ và trao đổi thông tin địa lý GIS cung cấp nhiều công cụ mới để mở rộng tính nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ Bản đồ hiển thị có thể được kết hợp với các báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác (đa phương tiện) Nhờ khả năng
xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý tài nguyên môi trường Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS
1.4 Tổng quan ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trên thế giới và ở Việt Nam
1.4.1 Trên thế giới
Hiện nay trên Thế giới, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển, việc xây dựng bản đồ và theo dõi biến động tài nguyên thiên nhiên ngày càng trở nên cấp thiết và không chỉ trên phạm vi quốc gia mà đã trở thành vấn đề đang được chú trọng trên mỗi châu lục và toàn cầu Việc kết hợp giữa công nghệ viễn thám và GIS
đã mở ra khả năng to lớn cho việc ứng dụng chúng trong các lĩnh vực khoa học khác nhau