Ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý và viễn thám trong công tác quản lý và giám sát tài nguyên rừng tỉnh kiên giang

Luận văn: “ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý và viễn thám trong công tác quản lý và giám sát tài nguyên rừng tỉnh Kiên Giang” tập trung nghiên cứu và đưa ra phương pháp thành lập

Nguyễn Thị Bích Huệ

ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý và viễn thám trong công tác quản lý và giám sát tài nguyên rừng tỉnh Kiên Giang

luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Hà nội - 2007

Nguyễn Thị Bích Huệ

ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý và

viễn thám trong công tác quản lý

và giám sát tài nguyên rừng tỉnh Kiên Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo dõi diễn biến rừng và đất lâm nghiệp là một nhiệm vụ quan trọng của quản lý nhà nước trong lĩnh vực bảo vệ và phát triển rừng được quy định tại Luật Bảo vệ và phát triển rừng Mặc dù đ5 có những dự án kiểm kê rừng với quy mô toàn quốc, nhưng phương pháp theo dõi diễn biến rừng và đất lâm nghiệp vẫn chưa đáp ứng kịp thời cho công tác quản lý nhà nước về lâm nghiệp và cung cấp nguồn tư liệu cập nhật cho công tác hoạch định các chiến lược về bảo vệ và phát triển rừng

Những tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực chinh phục vũ trụ

và tin học đ5 tạo ra một nền tảng vững chắc cho một phương pháp hiện đại ra

đời và nhanh chóng phục vụ đắc lực cho điều tra theo dõi tài nguyên thiên nhiên- đó là phương pháp viễn thám Với tầm bao quát rộng lớn và cập nhật thường xuyên, phương pháp viễn thám đ5 trở thành công cụ đắc lực và không thể thay thế được trong điều tra tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là điều tra rừng

Theo các kết quả nghiên cứu và thống kê cho thấy sự biến động tài nguyên rừng thường xẩy ra theo hai chiều hướng tích cực lẫn tiêu cực là do những nguyên nhân sau:

- Sự gia tăng dân số dẫn đến cần mở rộng diện tích đất nông nghiệp để canh tác

- Sự khai thác bừa b5i không có ý thức của con người;

- Thảm hoạ cháy rừng do thiên nhiên khắc nghiệt, sâu bệnh tàn phá trên diện rộng

- Trồng mới rừng trên những diện tích rừng đ5 bị tàn phá

Do đó việc nghiên cứu tìm những biện pháp nhằm xác định lượng biến

động rừng qua mỗi thời kỳ, đưa ra những bản báo cáo nhanh cung cấp cho các nhà chức trách một nguồn thông tin kịp thời và chính xác, là công cụ hữu hiệu giúp cho công tác quản lý, định hướng bảo vệ, phục hồi và phát triển bền vững tài nguyên rừng là việc làm hết sức cần thiết

Một trong những công cụ hữu hiệu đó là bản đồ biến động lớp phủ rừng Bản đồ biến động lớp phủ rừng hiển thị một cách trực quan nhất những gì liên quan đến lớp phủ rừng, là tài liệu dễ sử dụng khi phân tích các nguy cơ

về rừng tại một khu vực cần quan tâm Chính vì vậy mà để quản lý, giám sát,

định hướng phát triển bền vững tài nguyên rừng cần phải xây dựng các loại bản đồ rừng

Luận văn: “ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý và viễn thám

trong công tác quản lý và giám sát tài nguyên rừng tỉnh Kiên Giang” tập trung nghiên cứu và đưa ra phương pháp thành lập các bản đồ rừng thông qua

ảnh viễn thám kết hợp với các phần mềm GIS, các số liệu thống kê và các

nguồn tài liệu có liên quan

ảnh viễn thám và công nghệ GIS được chọn để nghiên cứu giám sát hiện trạng tài nguyên rừng vì:

Khi nghiên cứu về biến động lớp phủ rừng cũng như thành lập cơ sở dữ liệu cho những vấn đề này, bằng phương pháp truyền thống sẽ có rất nhiều hạn chế Phương pháp truyền thống đòi hỏi đầu tư lớn về thời gian, công sức trong điều tra và thu thập thông tin, tổng hợp thống kê số liệu từ các cấp Trong các số liệu thu thập được từ các cấp lại không khớp nhau, không chỉnh hợp nên việc xử lý số liệu sẽ khó khăn

Thời gian tổng hợp số liệu và thành lập bản đồ cho khu vực nghiên cứu càng kéo dài thì thông tin trên bản đồ càng lạc hậu và không chính xác Trong khi đó bản đồ sử dụng đất dù ở quốc gia nào đều đòi hỏi nhanh về thời gian,

chính xác về loại hình, cập nhật về thông tin Do đó cần phải có một số công

đoạn, nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp truyền thống trong việc nghiên cứu hiện trạng và biến động lớp phủ thực vật rừng

Với khả năng cung cấp thông tin đa dạng và cập nhật của phương pháp viễn thám, khả năng tích hợp, phân tích thông tin của công nghệ GIS kết hợp với phương pháp truyền thống thì việc nghiên cứu và thành lập bản đồ biến

động lớp phủ thực vật rừng sẽ đạt hiệu quả cao hơn Trong những năm gần đây

việc "ứng dụng viễn thám và GIS để nghiên cứu biến động lớp phủ rừng" ở

nước ta ngày càng phát triển nhanh chóng, luận văn này sẽ tập trung vào việc chiết tách thông tin từ tư liệu viễn thám và ứng dụng các phần mềm GIS để xử

lý thông tin và đưa ra kết quả

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

* Luận văn đặt ra hai mục tiêu sau:

-Nghiên cứu ứng dụng quy trình công nghệ thành lập bản đồ hiện trạng

và biến động lớp phủ rừng từ tư liệu ảnh viễn thám phục vụ cho cho công tác quản lý và giám sát tài nguyên rừng

-Thực nghiệm xây dựng bản đồ hiện trạng rừng thời điểm năm 1996, năm 2001 và năm 2006, từ đó thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng

* Nhiệm vụ:

- Thành lập bản đồ hiện trạng rừng các thời kỳ

- Thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng qua các thời kỳ đó

- Xây dựng mô hình quản lý tài nguyên rừng có kết hợp với công nghệ tiên tiến

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Về mặt không gian, do hạn chế về thời gian nên đề tài được thực hiện tại khu vực đảo Phú Quốc, tỉnh Kiên Giang

Về mặt nội dung, đề tài sẽ sử dụng ảnh viễn thám ở các thời điểm năm

1996, năm 2001 và năm 2006 để thành lập bản đồ hiện trạng rừng, từ đó thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng

Do không đi sâu vào nghiên cứu đặc điểm sinh hoá, cũng như đo đạc về trắc lượng, sinh khối nên luận văn chỉ dừng ở việc nghiên cứu biến động về diện tích rừng và biến động do chuyển hoá giữa lớp phủ rừng với các loại đất khác

4 Nội dung nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh vệ tinh trợ giúp quá trình suy giải các đối tượng tự nhiên nói chung và lớp phủ thực vật rừng nói riêng Đưa ra quy trình thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng kết hợp tư liệu viễn thám và công nghệ GIS, phân tích các số liệu biến động phục vụ cho công tác quản lý, giám sát tài nguyên rừng

5 Phương pháp nghiên cứu

Để quan sát, theo dõi và phân tích biến động lớp phủ thực vật trên l5nh thổ, ta cần hiểu được các khái niệm cơ bản về biến động (các tác nhân gây biến đổi, ảnh hưởng của biến động tới các vấn đề khác ), phân tích các mối quan hệ thuộc tính của các đối tượng mặt đất theo không gian và thời gian tại

ít nhất hai thời điểm mà tư liệu vệ tinh có được Chính vì vậy, phương pháp luận nghiên cứu trong luận văn này dựa trên ba yếu tố chính:

- Diễn biến biến động lớp phủ rừng qua các thời kỳ

- Xử lý các tư liệu viễn thám đa thời gian so sánh, phân tích các phương pháp phân loại với sự nhấn mạnh vào yếu tố chính là độ phủ kín của lớp phủ rừng

- Phân tích mối liên hệ không gian trong môi trường GIS tìm ra mối quan hệ giữa các thời kỳ và các vấn đề khác

Do không đi sâu vào nghiên cứu đặc điểm sinh hoá, cũng như đo đạc về trắc lượng, sinh khối nên luận văn chỉ dừng ở việc nghiên cứu biến động về diện tích rừng và biến động do chuyển hoá giữa lớp phủ rừng với các loại đất khác

* Phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa: Phương pháp này nhằm

định hình, bổ sung và hoàn chỉnh những hiểu biết về khu vực nghiên cứu một cách trực quan Mặt khác từ khảo sát thực địa có thể sửa chữa sai sót kết quả giải đoán trong phòng

* Phương pháp phân tích thống kê: Mỗi thông tin thu thập cần phải phân tích, chọn lọc để đưa ra những thông tin chính phục vụ cho công tác nghiên cứu Những thông tin này cũng cần phải thống kê có hệ thống để tiến hành so sánh, phân tích, xử lý và chọn lọc các số liệu, tư liệu phù hợp với nội dung của luận văn

liên quan đến sử dụng một d5y dữ liệu theo thời gian để xác định vùng biến

động lớp phủ giữa các thời điểm - thời gian chụp ảnh Để nghiên cứu biến

động lớp phủ thực vật ta phải có được ít nhất hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực tại hai thời điểm khác nhau, giải đoán thông tin đưa ra kết quả

* Phương pháp phân tích không gian GIS : Nghiên cứu vấn đề theo khía cạnh không gian là đặc thù của các công trình nghiên cứu địa lý Phương pháp giúp ta tìm kiếm và phân tích các mối quan hệ thuộc tính giữa đối tượng

ở những vị trí khác nhau cũng như quan hệ không gian giữa các đối tượng có

cùng thuộc tính Công nghệ GIS phát triển đem đến khả năng phân tích không gian rất hiệu quả Vì vậy, khi tích hợp các thông tin viễn thám đ5 xử lý và các dữ liệu thống kê kinh tế - x5 hội khác trong môi trường GIS, ta sẽ phân tích và

đánh giá quá trình biến đổi lớp phủ bề mặt đất một cách nhanh chóng, thuận tiện và chính xác

5 ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

* ý nghĩa khoa học:

- Luận văn nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh vệ tinh - một nguồn tư liệu quan trọng ứng dụng để giám sát tài nguyên thiên nhiên

- Luận văn nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh vệ tinh để thành lập bản

đồ biến động lớp phủ rừng kết hợp với công nghệ GIS

* ý nghĩa thực tiễn:

- Luận văn đ5 kết hợp tư liệu viễn thám với công nghệ GIS để thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng, xây dựng mô hình quản lý tài nguyên rừng, góp phần hưởng ứng công tác theo dõi và đánh giá đất lâm nghiệp của ngành lâm nghiệp

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 3 chương với 96 trang, 16 hình và 15 bảng

Lời cảm ơn

Luận văn “ứng dụng công nghệ hệ thông tin địa lý và viễn thám

hoàn thành tại trường Đại học Mỏ - Địa Chất trong khoảng thời gian từ tháng

11 năm 2006 đến tháng 08 năm 2007

Để thực hiện luận văn này ngoài sự nỗ lực của bản thân, tác giả rất biết

ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS TS Nguyễn Trường Xuân về kiến thức khoa học, về phương pháp luận đồng thời được các thầy cô giáo trong Khoa Trắc

địa, Bộ môn Trắc địa ảnh, phòng Đại học và sau Đại học, Trường Đại học Mỏ

- Địa Chất giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn này Tác giả xin chân thành cảm ơn l5nh đạo Trung tâm Giám sát Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm Viễn thám; các đồng nghiệp đ5 giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Tôi xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người đ5 luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để cho tôi có thể thực hiện được luận văn này

Do thời gian cũng như kiến thức khoa học, kiến thức thực tiễn còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để bổ sung, hoàn chỉnh đề tài Xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: T ổng quan các vấn đề nghiên cứu 1.1 Tình hình ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong ngành lâm nghiệp

Trong suốt 15 năm qua, thông tin ảnh vệ tinh đ5 luôn là nguồn tư liệu quan trọng và có giá trị trong các dự án, các chương trình , công trình liên quan đến điều tra qui hoạch và thành lập bản đồ chuyên đề ở Việt Nam, đặc biệt là lĩnh vực về tài nguyên thảm thực vật, sử dụng đất, môi trường Đây là một điều dễ hiểu vì các đối tượng này luôn phản ánh rất rõ trên các thông tin

ảnh vệ tinh ngay cả quan sát bằng mắt thường với những công cụ xử lý đơn giản Tuy nhiên mức độ khai thác các thông tin còn chưa triệt để, do đầu tư công nghệ còn thấp Tuy vậy 15 năm qua, một số công trình ứng dụng viễn thám trong Lâm nghiệp đ5 được thực hiện như:

• Điều tra rừng toàn quốc (79-82) dự án VIE79/014 do FAO tài trợ

• Nghiên cứu biến động rừng ngập mặn Cà Mau (1985)

• Chương tình quy hoạch đồng bằng sông Cửu Long(1986)

• Dự án ứng dụng viễn thám theo dõi biến động các khu bảo tồn tự nhiên (91-95) WWF

• Chương trình theo dõi, đánh giá biến động tài nguyên rừng

viễn thám nhất định, bởi vì phương pháp và chất lượng của tư liệu viễn thám luôn không ổn định và thường bị ảnh hưởng do tác động trực tiếp của một số yếu tố thiên nhiên tại thời điểm bay chụp (đặc điểm khí hậu, cường độ chiếu sáng, kiểu loại thảm thực vật, đặc điểm phân bố cũng như tình trạng sử dụng

đất ) Bên cạnh những yếu tố khách quan còn có những nguyên nhân chủ quan như chất lượng của công tác giải đoán còn phụ thuộc vào phương pháp giải đoán bằng mắt hay xử lý số; vào khả năng đoán đọc địa lý của người sử dụng Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu về độ chính xác của việc ứng dụng viễn thám trong xây dựng bản đồ rừng kết luận độ tin cậy biến động như sau:

• Đất có rừng che phủ 85-95%

• Đất nông nghiệp (các dạng sử dụng đất NN nói chung) 85-90%

• Đất trống (cây bụi, gỗ rải rác, cỏ ) 80-90%

• Thổ cư 75-85%

• Ao, hồ, mặt nước (có diện tích trên 12 ha) 95%

Bên cạnh những ưu điểm viễn thám, kỹ thuật GIS được ứng dụng với chức năng hỗ trợ đắc lực cho việc thành lập bản đồ chuyên đề tổng hợp và bản

đồ theo dõi biến động

1.2 Khái quát chung về Viễn thám

Việc phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên đ5 mở ra một kỷ nguyên mới - kỷ nguyên của công nghệ vũ trụ Nhờ đó, nhiều loại thiết bị quan sát Trái Đất được đặt trên các vệ tinh, các tàu vũ trụ có người điều khiển, tạo nên các hệ thống thu thập thông tin đa thời gian, đa tầng về bề mặt Trái

Đất Các thành tựu công nghệ đó đ5 cho phép thực hiện việc thu thập, phân tích và tổng hợp các dữ liệu nhanh chóng, hiệu quả hơn, góp phần bảo vệ và phát triển bền vững môi trường trên Trái Đất Các vệ tinh quan sát Trái Đất có thể chia ra thành ba nhóm lớn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng các thông tin

thu được: nhóm vệ tinh khí tượng, nhóm vệ tinh tài nguyên môi trường và nhóm vệ tinh quân sự

Nhờ có các vệ tinh đó, công nghệ viễn thám hiện đại đ5 ra đời và trở thành một trong những công nghệ có ý nghĩa thực tiễn lớn đối với công tác

điều tra, quản lý tài nguyên, bao gồm cả tài nguyên rừng

"Viễn thám được xác định là một phương pháp nghiên cứu các đối tượng, hiện tượng bằng các thiết bị, đặt cách đối tượng một khoảng cách nào đó, không đòi hỏi tiếp xúc trực tiếp với đối tượng" Công nghệ viễn thám bao gồm thu nhận thông tin từ vệ tinh hoặc máy bay, xử lý, phân tích các thông tin đó nhằm giải quyết các nhiệm vụ đặt ra Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lý trong tự nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng Từ đó, nguồn tư liệu viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ các sóng

điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm (remote sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh

1.2.1 Cơ sở vật lý của Viễn thám

Cơ sở khoa học của phương pháp viễn thám cho thấy thông qua năng lượng phản xạ hoặc bức xạ của vật thể có thể xác định được các đặc trưng của vật thể Và về một phương diện nào đó viễn thám là công nghệ thu nhận thông tin và nhận biết các đối tượng hoặc các hiện tượng thông qua những đặc trưng

về phản xạ hoặc bức xạ mà không cần tiếp xúc trực tiếp tới đối tuợng

thông tin ảnh Ví dụ : bước sóng dùng để xác định màu sắc, hình dạng hoặc cấu trúc bên ngoài của vật thể dẫn tới sự phân cực khác nhau, biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0.3-0.4 àm), vùng ánh sáng nhìn thấy (0.4-0.7 àm), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Trong tất cả tài liệu cơ sở về viễn thám, theo buớc sóng sử dụng, công nghệ viễn thám có thể chia làm ba nhóm chính

a/ Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần;

b/ Viễn thám hồng ngoại nhiệt;

c/ Viễn thám siêu cao tần

ứng dụng : Tia Gamma & X : Y tế & Hạt nhân

Tia tím : Thiên văn,nghiên cứu Ozone

Vùng nhìn bằng mắt : Cho các phân tích bằng mắt

Hồng ngoại : Phân biệt thảm thực vật

Nhiệt : Lửa cháy

Sóng ngắn : Mặt đất, mặt nước

Radio : Radio, Truyền thanh

Hình 1.3 Phổ điện từ và các dải sóng dùng trong viễn thám

* Sự tương tác năng lượng với các đối tượng trên mặt đất

Khi năng lượng điện từ rơi vào một vật thể ở trên mặt đất, sẽ có 3 thành phần năng lượng cơ bản tương tác với đối tượng; đó là: phản xạ, hấp thụ và truyền qua

EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) (1.1) Trong đó EI- năng lượng tới mặt đất

ER- năng lượng phản xạ EA- năng lượng hấp thụ ET- năng lượng truyền qua Toàn bộ các năng lượng này là hàm của một bước sóng λ nào đó EI(λ)

Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau, tuỳ thuộc vào các đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và tình trạng của đối tượng Ngoài ra tỷ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới

Hình 1.4 Tương tác cơ bản giữa năng lượng điện từ với đối tượng bề mặt

Như vậy, sẽ xảy ra trường hợp hai đối tượng có cùng một đặc điểm trong những dải phổ khác nhau Chính vì vậy, trong vùng nhìn thấy màu sắc của một đối tượng chính là thể hiện sự phản xạ của nó trội hơn cả trong một

dải sóng nào đó Chẳng hạn màu xanh lơ của một vật chính là sự phản xạ của

nó trội hơn cả (vùng sóng Blue 0,4- 0.5 àm) Lá cây có màu xanh chàm do chúng phản xạ mạnh dải phổ Green (0,5 – 0.6 àm) Như vậy, mắt người sử dụng sự khác nhau về cường độ năng lượng phản xạ phổ để phân biệt các đối tượng

Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ là rất quan trọng

và viễn thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tượng Vì vậy, năng lượng phổ phản xạ thường được sử dụng để tính sự cân bằng năng lượng

ER(λ) = EI(λ) - [EA(λ) + ET(λ)] (1.2) Công thức này nói nên rằng năng lượng phản xạ bằng năng lượng rơi xuống một đối tượng sau khi đ5 bị suy giảm bởi việc truyền qua hoặc hấp thụ bởi đối tượng

1.2.2 Phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

1.2.2.1 Khái quát chung

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 tính theo công thức:

ER (λ) Năng lượng của bước sóng λ phản xạ từ đối tượng

ρλ = x 100 (1.3)

EI (λ) Năng lượng của bước sóng λ rơi vào đối tượng

ρ là độ phản xạ phổ, đó là tỷ lệ % của năng lượng rơi xuống và được phản xạ trở lại

Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu các tính chất quang học (chủ yếu là

đặc trưng phản xạ phổ) của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan

trọng đối với việc ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám Sự ra đời và phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn liền với những kết quả nguyên cứu trong lĩnh vực này Phần lớn các phương pháp ứng dụng viễn thám được ứng dụng,

được sử dụng hiện nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với việc nghiên cứu các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng hay nhóm đối tượng nghiên cứu Các thiết bị ghi nhận, các loại phim chuyên dụng với độ nhạy cảm phổ phù hợp đ5 được chế tạo dựa trên kết quả nghiên cứu về quy luật phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả của việc giải đoán các thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ, bản chất và trạng thái các đối tượng tự nhiên Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng được nghiên cứu, đồng thời đó cũng là cơ sở dữ liệu viễn thám để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng địa lý, tiến tới phân loại các đối tượng đó

Từ những năm 70 thế kỷ trước trở lại đây, bên cạnh phương pháp giải

đoán bằng mắt trên các hệ máy quang cơ thì phương pháp xử lý thông tin trên các ảnh tổng hợp màu, trên các hệ máy tính và phần mềm chuyên dụng ngày càng phát triển và ứng dụng rộng r5i Tuy nhiên, mức độ chi tiết của kết quả phân loại , xử lý chi tiết các tổ hợp màu tối ưu trên máy phụ thuộc rất nhiều vào sự nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, sự thay

đổi các đặc trưng đó theo thời gian (mùa, thời kỳ sinh trưởng, thay đổi các loại hình canh tác, cây trồng khác ) và sự phụ thuộc của các đối tượng vào tính chất hoá - lý cũng như trạng thái của đối tượng Trên cơ sở đó có thể xác định ngưỡng độ xám trên ảnh thông qua mối quan hệ giữa cường độ phản xạ và mật

độ quang học ảnh, cho các đối tượng khác nhau với tính chất khác nhau

ưu điểm cơ bản của sử dụng thông tin phổ là nhanh, dễ xử lý và độ chính xác cao, vì không bị ảnh hưởng bởi sai số sinh ra do hiện tượng tán xạ trong buồng chụp và trong quá trình xử lý phim ảnh

Tiến hành đo phổ ngoài thực địa cho phép xác định đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trong các điều kiện thực để so sánh với thông tin ảnh và sự thay đổi các đặc trưng này theo thời gian Do vậy, việc nghiên cứu các đặc trưng phản xạ phổ của các yếu tố tự nhiên là điều cần thiết để nghiên cứu sự thay đổi của trạng thái lớp phủ bề mặt trên tư liệu ảnh

1.2.2.2 Đặc điểm phổ phản xạ của các nhóm đối tượng tự nhiên chính

Nhìn chung, sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ ở thực vật được xác

định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài của lá cây, tác động của ngoại cảnh (điều kiện sinh trưởng, điều kiện chiếu sáng, thời tiết ) song đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật vẫn có một quy luật chung: phản xạ mạnh ở vùng sóng xanh (510- 575 nm) và hồng ngoại gần (>720 nm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng xanh tím (390- 480 nm) và sóng đỏ (680-720 nm) Đặc tính phản xạ của lá cây được chi phối bởi các tế bào diệp lục (Clorophin) có trong cấu trúc lá Hàm lượng diệp lục tố sẽ biến đổi tuỳ thuộc vào tình trạng của lá cây (non hay già, khoẻ mạnh hay sâu bệnh)

Ngoài ra, còn có sự khác nhau tương đối rõ về khả năng phản xạ phổ giữa những nhóm cây có khả năng chịu nước khác nhau (cây chịu nước, cây trung sinh, cây chịu hạn ), đặc biệt ở vùng hồng ngoại

* Đặc tính phổ phản xạ của thổ nhưỡng

Trên hình 1.5 đường cong biểu diễn đặc trưng phản xạ của thổ nhưỡng

đơn giản hơn so với đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật, tăng dần khả năng phản xạ phổ với độ dài bước sóng đặc biệt ở vùng cận hồng ngoại và

hồng ngoại

Trong thực tế nghiên cứu, đa số các trường hợp các đối tượng thực vật

và đất kết hợp với nhau tạo thành một đối tượng tổ hợp Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, đất thường có hệ số phản xạ cao hơn thực vật

* Đặc tính phổ phản xạ của nước

Khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nước và hàm lượng các vật chất lơ lửng Nước bẩn chứa nhiều tạp chất phản xạ mạnh hơn so với nước sạch, nhất là vùng dải sóng đỏ

Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng ngắn Blue, yếu dần khi sang vùng Green và triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng của sự tán xạ bởi vật chất lơ lửng Sự thay đổi về tính chất của nước (độ mặn, độ đục, độ sâu ) đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng Nghĩa là khi tính chất nước thay đổi, hình dạng đường cong và giá trị phổ phản xạ sẽ bị thay đổi

Sai số hệ thống này phát sinh chủ yếu là do có sự thay đổi trong hoạt

động của Sensor, sự thay đổi tốc độ quét tuyến tính và sự lặp lại các đường quét tuyến tính và sự lặp lại các đường quét, sự thay đổi tốc độ cuộn phim của

hệ thống tuy nhiên ảnh hưởng của các sai số này sau khi kiểm định thường rất nhỏ so với các sai số do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài hệ thống Chính vì vậy mà trong một chừng mực nào đó chúng ta không cần thiết quan tâm đến loại sai số này

* Sai số do các yếu tố bên ngoài hệ thống

Các sai số này chủ yếu được sinh ra do sự thay đổi các yếu tố định hướng ngoài (vị trí quỹ đạo của Sensor), sự khúc xạ của khí quyển, độ cong của Trái Đất, chênh cao địa hình ảnh hưởng của hầu hết các loại sai số này

tượng tự như trong chụp ảnh hàng không, tuy nhiên trong viễn thám một số sai

số này có tính khác biệt khi nhận ảnh thẳng đứng

Như vậy chúng ta thấy việc thu nhận tư liệu dựa trên quá trình ghi nhận

và truyền thông tin về bức xạ điện từ của các đối tượng và hiện tượng trên bề mặt Trái Đất, những đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính, cũng như xem xét các sai số đối với ảnh viễn thám là điều rất quan trọng Với hai dạng kỹ thuật thu nhận hình ảnh chủ yếu là chụp ảnh bằng máy ảnh và quét tạo ảnh bằng các thiết bị cảm biến Các kỹ thuật vật lý và thông tin đ5 cho phép mở rộng dải phổ điện từ và phân tích được thông tin ở nhiều phần khác nhau của dải phổ điện từ, từ vùng sóng cực tím đến vùng sóng cực ngắn Trên cơ sở tính chất khác nhau của bức xạ điện từ ở các dải sóng khác nhau

mà nhiều phương pháp viễn thám được hình thành và phát triển cùng với sự phát triển của công nghệ vũ trụ trên thế giới làm thay đổi dạng đường cong

đặc trưng phản xạ phổ của đất

Tóm lại: Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu

được về các đối tượng Dựa vào đặc điểm phản xạ phổ (cường độ, dạng đường cong của các dải sóng khác nhau) có thể phân tích và nhận diện các đối tượng trên bề mặt Thông tin về phản xạ phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích xử lý trong viễn thám

1.3 Tăng cường chất lượng ảnh và biến đổi hình ảnh

Tăng cường chất lượng ảnh (hay giảm các sai số của ảnh) là kỹ thuật xử

lý ảnh nhằm tăng khả năng phân biệt các đối tượng trên ảnh Những phép tăng cường chất lượng thường được sử dụng là: biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, tổng hợp màu, Biến đổi cấp độ xám là kỹ thuật tăng cường chất lượng ảnh đơn giản nhất Bản chất của công việc này là biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám thực tế ban đầu thành cấp độ xám khác sao cho thiết bị hiển thị có khả năng thể hiện được và ảnh trông rõ hơn Phép biến đổi này được biểu thị

bằng toán học là một hàm y=f(x), trong đó y là giá trị cấp độ xám sau khi biến

đổi và x là cấp độ xám thực tế ban đầu Có hai phép biến đổi chính là:

* Biến đổi tuyến tính theo công thức

Ymax - Ymin

Y = - ( X - Xmin ) + Ymin ( 1.4 ) Xmax - Xmin

* Biến đổi dựa trên giá trị trung bình và độ lệch chuẩn theo công thức

Sy

Y = - ( X - Xm ) + Ym ( 1.5 )

Sx

Trong đó : Xm - giá trị trung bình của ảnh đầu vào

Sx - độ lệch chuẩn của ảnh đầu vào

Ym - giá trị trung bình của ảnh đầu ra

Sy - độ lệch chuẩn của ảnh đầu ra Tổng hợp màu là phương pháp tạo ra ảnh màu từ ảnh các kênh phổ riêng biệt nhằm nâng cao khả năng nhận biết đối tượng của ảnh Để tổng hợp màu thường dùng phương pháp cộng màu và trừ màu Cộng màu sử dụng ba màu cơ bản là đỏ, lục, xanh lam (red, green, blue) Trừ màu sử dụng ba màu chính là: vàng, tím hồng, xanh dương (yellow, magenta, cyan) Tổ hợp màu gồm: tổ hợp màu tự nhiên (các đối tượng ở tổ hợp màu này có màu như trong

tự nhiên, thí dụ thực vật được thể hiện bằng các tông của màu xanh lá cây) và

tổ hợp màu giả (các đối tượng ở tổ hợp này có màu qui ước, phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp, thí dụ thực vật ở tổ hợp màu này được thể hiện bằng các cấp độ của màu đỏ hoặc tím v.v )

Các phép biến đổi ảnh dùng để tăng cường chất lượng ảnh, loại trừ một

số nhiễu cũng như ảnh hưởng của các yếu tố môi trường xung quanh hoặc tách

chiết các đặc tính Có hai kiểu biến đổi chính là biến đổi số học và biến đổi logic

- Hiệu chỉnh hình học (geometric correction) gồm nhiều mức khác

nhau nhằm loại bỏ ảnh hưởng của độ cong Trái Đất và đưa ảnh về hệ qui chiếu xác định cũng như loại bỏ ảnh hưởng của địa hình đến sai số hình học của hình ảnh Mức độ nắn chỉnh hình học phụ thuộc vào mục đích sử dụng ảnh cụ thể và đặc điểm địa hình của từng vùng

- Phân tích suy giải ảnh (image interpretation) là quá trình chiết tách

những thông tin hữu ích từ ảnh Suy giải có thể tiến hành theo phương pháp suy giải bằng mắt hoặc suy giải với sự trợ giúp của máy tính - suy giải ảnh số Suy giải ảnh số thực hiện bằng các kỹ thuật chiết tách các đặc tính thông tin

và bằng các phép phân loại ảnh số, đồng thời dựa trên cơ sở các tri thức chuyên ngành và kinh nghiệm của người suy giải ảnh Suy giải ảnh số thông thường có 5 công đoạn chính: nhập số liệu, khôi phục và hiệu chỉnh ảnh, biến

đổi ảnh, phân loại và xuất kết quả Trong đó phân loại là công đoạn quan trọng vì chất lượng kết quả phụ thuộc vào công đoạn này nhiều nhất Các phép phân loại thực hiện công việc gán những khoảng cấp độ xám nào đó cho một

đối tượng nào đó Có các kỹ thuật phân loại khác nhau như: phân loại kiểu cắt lớp, phân loại theo khoảng cách ngắn nhất, phân loại theo xác suất cực đại, phân loại dựa trên lý thuyết tệp mờ, hệ chuyên gia Có hai phương pháp phân loại là phân loại không mẫu và phân loại có mẫu Phân loại không mẫu là ghép nhóm các pixel ảnh có các đặc trưng phổ tương đối đồng nhất Phân loại

có mẫu là phân loại theo các vùng mẫu đ5 chọn có các chỉ tiêu xác định Có rất nhiều thuật toán phân loại khác nhau: ghép nhóm có cấu trúc, ghép nhóm không cấu trúc, phân loại hình hộp, phân loại theo cây quyết định, phân loại khoảng cách ngắn nhất (khoảng cách Ơclit, khoảng cách Mahalanobis ), phân loại theo xác suất cực đại v.v Trong viễn thám các phương pháp phân loại hay dùng đó là :

+ Phân loại xác suất cực đại: mỗi pixel được tính xác suất thuộc vào một lớp mà xác suất thuộc vào lớp đó là lớn nhất Công thức tổng quát là :

Lk = P(k/X) = P(k)*P(X/k)/ΣP(i)*P(X/i) (1.6 ) Trong đó : P(k): Xác suất tiền định của lớp k

P(X/k): Xác suất điều kiện có thể lấy được X thuộc lớp k + Phân loại hình hộp: mỗi trục phổ được chia thành nhiều lớp dựa trên giá trị tối đa, tối thiểu của tệp mẫu lớp tương ứng

+ Phân loại theo khoảng cách bình phương ngắn nhất : khoảng cách hay

được dùng nhất là khoảng cách Ơclit chuẩn hoá và khoảng cách Mahalanobis

Khoảng cách Ơclit chuẩn hoá được xác định theo công thức :

d2

k = (X - àk)’.σk-1.(X - àk) ( 1.7 ) Khoảng cách Mahalanobis xác định theo công thức :

d2

k = (X - àk)’.Σ k-1.(X - àk) (1.8 ) trong đó :

X : véc tơ giá trị cấp độ xám X = [ x1, x2, xn]

àk : véc tơ trung bình àk = [ m1, m2, mn ]

σk : ma trận phương sai σ11 0 0

σk = 0 σ22 0

0 σmn

Σk : ma trận phương sai-hiệp phương sai σ11 σ12 σ1n

∑k = σ21 σ22 σ2n

σn1 σn2 σnn

+ Phân loại theo cây quyết định: đây là phân loại có cấu trúc và không

có thuật toán tổng quát mà dựa vào việc đánh giá khả năng phân tách các đối tượng dựa trên đặc tính phổ và tri thức chuyên gia

Nhập số liệu: tư liệu gốc có hai loại ảnh tương tự do các máy chụp cung cấp và ảnh số là do các máy quét cung cấp Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: các tín hiệu số được hiệu chỉnh về hệ thống, bức xạ hoặc hình học do các máy tính lớn tại trung tâm thu hoặc trung tâm xử lý số liệu Biến đổi ảnh, phân loại và xuất kết quả (output result)

Kỹ thuật chiết tách các đặc tính thông tin nhằm phân loại sắp xếp các thông tin có sẵn trên ảnh theo các chỉ tiêu hoặc yêu cầu đưa ra dưới dạng các hàm số Các đặc tính này có ba loại chính là :

đặc tính phổ : các màu sắc đặc biệt, gradien, tham số phổ

đặc tính hình học : các cấu trúc đường, hình dáng, kích thước

đặc tính cấu trúc : tần xuất phân bố không gian, tính đồng nhất, mẫu Suy giải ảnh bằng mắt là xác định các đối tượng và các đặc trưng của chúng dựa theo các dấu hiệu trực tiếp và các dấu hiệu gián tiếp Kết quả suy giải phụ thuộc vào khả năng hiện ảnh của đối tượng, chất lượng ảnh cũng như trình độ, kinh nghiệm của người suy giải

Trong mọi trường hợp thì yếu tố con người - chuyên gia đóng vai trò quyết định chất lượng kết quả cuối cùng vì khi xử lý số thì mẫu hay giá trị

được chọn do con người quyết định

Từ góc độ viễn thám, lớp phủ thực vật tuy rất đa dạng về thành phần, cấu trúc và trạng thái phát triển, nhưng có đặc tính chung là khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào chiều dài bước sóng và các giai đoạn sinh trưởng cũng như tình trạng sinh trưởng Trong vùng ánh sáng nhìn thấy (0.4 - 0.7 àm) phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi diệp lục có trong lá cây, một phần nhỏ bị thấu qua,

phần còn lại phản xạ Trong vùng hồng ngoại gần (0.72 - 0.8 àm) khả năng phản xạ phổ của thực vật mạnh nhất, trong đó lượng diệp lục có trong lá cây

và cấu trúc lá là những nhân tố ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng phản xạ phổ Trong vùng hồng ngoại (0.8 - 1.1 àm) hàm lượng nước trong lá cây là nhân tố

ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ Khi độ ẩm trong lá cây cao thì năng lượng hấp thụ đạt cực đại

Như vậy, tư liệu viễn thám, nhất là tư liệu đa phổ là nguồn thông tin phong phú về lớp phủ thực vật dùng để nghiên cứu nhiều khía cạnh khác nhau của rừng phục vụ công tác điều tra, quản lý tài nguyên rừng Bên cạnh đó mỗi tấm ảnh vệ tinh phủ trùm diện tích rộng từ hàng trăm đến hàng chục nghìn

km2 thậm chí hơn nữa Do vậy viễn thám có khả năng thu nhận thông tin nhanh trên những vùng rộng lớn, bao gồm cả các vùng khó đến, và cho phép tiến hành nghiên cứu, điều tra rừng trên qui mô tỉnh, vùng, cũng như toàn quốc trong thời gian ngắn, đồng thời đảm bảo tính đồng nhất về thời điểm của thông tin, cũng như độ chính xác, độ tin cậy của các thông tin đó trên toàn bộ khu vực điều tra Với khả năng chụp lặp lại theo các chu kì khác nhau, công nghệ viễn thám cho phép theo dõi, giám sát diễn biến tài nguyên rừng cũng như phát hiện, giám sát các biến động của rừng và các hiện tượng cháy rừng, chặt phá rừng, sâu bệnh, v.v Nhờ đó cơ sở dữ liệu về tài nguyên rừng mới có thể được cập nhật một cách hệ thống Ngoài ra, tư liệu viễn thám ngày nay với nhiều thể loại, bao gồm các loại ảnh có độ phân giải mặt đất từ thấp đến trung bình, cao và siêu cao (0.8m -1m), đ5 cho phép đồng thời tiến hành điều tra, giám sát tài nguyên rừng theo các cấp khác nhau, từ khái quát đến chi tiết mà không đòi hỏi phải tuần tự đi từ chi tiết đến khái quát như các phương pháp

điều tra truyền thống Với các tính ưu việt như trên công nghệ viễn thám đ5 trở thành công cụ đem lại hiệu quả cao trong công tác quản lý tài nguyên rừng

ở các cấp khác nhau

Để phục vụ tốt hơn mục đích trên công nghệ viễn thám không ngừng

được hoàn thiện, nhất là theo hướng xác lập các phương pháp, các công thức

để biến đổi thông tin sao cho khả năng nhận dạng ngày càng chính xác tức là chất lượng các kết quả đầu ra ngày càng được nâng cao và thời gian để xử lý thông tin ngày càng rút ngắn Một trong các phương pháp đó chính là nghiên cứu và tìm ra công thức chỉ số thực vật tối ưu áp dụng cho các mục đích ứng dụng cụ thể trong việc xử lý thông tin tự động cho từng vùng, từng quốc gia

1.4 Một số hệ thống vệ tinh viễn thám cơ bản

1.4.1 Vệ tinh LANDSAT

LANDSAT là vệ tinh viễn thám đầu tiên được NASA phóng lên quĩ đạo vào năm 1972 Từ năm 1994 ảnh vệ tinh Landsat do công ty EOSAT phân phối, tuy nhiên những ảnh quá hạn hai năm được đưa vào lưu trữ và do trung tâm dữ liệu cục địa chất Mỹ phân phối

Vệ tinh đầu tiên trong serie Landsat ERTS-1 phóng ngày 23/7/1972 Sau đổi tên là Landsat-1, Landsat-2 phóng ngày 22/1/1975 Các vệ tinh tiếp theo là Landsat -3 phóng năm 1978 Landsat-4 phóng năm 1982 và Landsat-5 phóng năm 1984 Landsat-6 phóng tháng 10/1993 nhưng đ5 không thành công Landsat-7 phóng tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhanced Thematic Mapper) Trên vệ tinh Landsat bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được sử dụng nhiều nhất là TM Bộ cảm TM có các thông số chính (được nêu trong bảng 1.1), hiện đang có 2 vệ tinh đang hoạt động đó là Landsat-5 và Landsat-7

Hình 1.6 Vệ tinh LANDSAT

Quĩ đạo vệ tinh Landsat -5 và 7 đ−ợc đặc tr−ng bởi các thông số chính sau:

- Độ cao bay 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo 980

- Quĩ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại Thời điểm bay qua xích đạo 9 giờ 30 phút sáng Chu kì lặp lại 17 ngày và bề rộng tuyến chụp 185 km

SPOT (Systeme protatoire d’obsevartion de la terre) là chương trình viễn thám do các nước Pháp, Thụy Điển, Bỉ hợp tác SPOT-1 được phóng lên quĩ

đạo tháng 22/2/1986, 2 được phóng lên quĩ đạo ngày 22/1/1990,

SPOT-3 được phóng lên quĩ đạo ngày 26/9/199SPOT-3, SPOT-4 được phóng lên quĩ đạo ngày 24/3/1998 và SPOT-5 được phóng lên quĩ đạo ngày 04/5/2002

Trên mỗi vệ tinh Spot được trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system)

Hình 1.7 Vệ tinh SPOT và vị trí của nó trên quỹ đạo

SPOT có quĩ đạo tròn cận cực đồng bộ mặt trời

- Độ cao bay chụp là 830 km và góc nghiêng của mặt phẳng quĩ đạo

là 98,70

- Thời điểm bay qua xích đạo : 10 giờ 30 phút sáng

- Chu kỳ lặp một điểm nào đó trên mặt đất: 26 ngày trong chế độ quan sát bình thường

Vệ tinh SPOT được trang bị một bộ quét đa phổ HRV gồm hai máy HRV-1 và HRV-2 (high resolution visible) Bộ cảm HRV là máy quét điện tử CCD, HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng, gương này cho phép thay đổi hướng quan sát từ 00 đến 270 so với phương thẳng đứng HRV là máy chụp ảnh đa phổ trên 3 kênh (màu) và một kênh toàn sắc (trắng

đen) P (panchromantic) Máy HRV sử dụng hai tế bào quang điện (detecter)

Kênh-1 (Xanh lá cây) với bước sóng: 0.50-0.59 àm

Hình 1.8 Chụp lập thể vệ tinh SPOT

Vệ tinh ở thế hệ sau được cải tiến nâng cao về tính năng cung cấp ảnh

có chất lượng ngày càng cao Vệ tinh SPOT-4 có thêm kênh hồng ngoại ngắn SWIR (Short-Wave Infrared) Kênh SWIR nhạy cảm với tuyết, nước tù và thực vật Kênh này giúp tăng cường khả năng phân tích, nâng cao khả năng quan sát với độ phân giải không gian 20 m và có độ chính xác cao Vệ tinh SPOT-5

có độ phân giải với các kênh phổ là 10 m, độ phân giải cao của kênh toàn sắc

là 5 m và ngoài ra còn có chế độ xử lí supermode cho ảnh với độ phân giải cao gấp 2 lần (2,5 m) Ngoài ra SPOT-5 có độ chính xác định vị là 50 m trong trường hợp không có điểm nắn và có thể sản xuất mô hình số địa hình (DTM) Như vậy, đến SPOT-5 với độ phân giải không gian cao mở ra khả năng cho người sử dụng nhận biết tốt nhất các đối tượng như: đường, các tòa nhà và phân tích sản lượng, vụ mùa, cảnh quan, nghiên cứu trạng thái sinh trưởng của rừng

Hiện nay hầu hết các nước phát triển và đang phát triển trên thế giới đều

sử dụng nguồn tư liệu ảnh vệ tinh là chính để thành lập và theo dõi biến động

sử dụng đất đai, còn lựa chọn loại tư liệu vệ tinh nào phụ thuộc chủ yếu vào tỷ

lệ bản đồ cần thành lập Do các tính năng kỹ thuật và nhất là độ phân giải mặt

đất ảnh vệ tinh SPOT thường sử dụng để thành lập bản đồ ở tỉ lệ 1:10.000

1:50.000-1.4.3 ảnh hàng không

ảnh hàng không là ảnh chụp một phần bề mặt trái đất từ máy bay Là sản phẩm của phép chiếu xuyên tâm được chụp dưới một góc nghiêng α và bề mặt địa hình có độ chênh cao nhất định Trên ảnh hàng không tồn tại sai số do

ảnh nghiêng và sai số do độ chênh cao địa hình, vì vậy khi đoán đọc và điều

vẽ cần phải lưu ý đến đặc điểm này

Để có thể quan sát được lập thể tốt nhất và giảm các ảnh hưởng do bóng

đối tượng tạo ra khi bay chụp phục vụ cho mục đích đoán đọc điều vẽ thì hai tấm ảnh kề nhau trên cùng một dải bay có độ chồng phủ dọc tối thiểu là 60%, trên hai dải bay kề nhau có độ chồng phủ ngang tối thiểu là 30%

* Một số tính chất cơ bản của ảnh hàng không:

Tỷ lệ của ảnh hàng không: Tỷ lệ của ảnh không bao giờ đạt được tỷ lệ duy nhất Các điểm gần tâm máy ảnh có tỷ lệ lớn hơn, ngược lại các điểm xa tâm máy ảnh có tỷ lệ nhỏ hơn Tuy nhiên trong kỹ thuật người ta gọi tỷ lệ của

ảnh hàng không thì ta sẽ hiểu đó là tỷ lệ chung và tất nhiên đó không phải là

tỷ lệ đồng nhất của tấm ảnh

Công thức tính tỷ lệ của ảnh:

1/m = f/H

Trong đó: f là tiêu cự của ống kính máy ảnh

H độ cao của dải bay tính từ mặt chuẩn gốc

Lưu ý mặt chuẩn gốc là địa hình phổ biến nhất của diện che phủ chứ không phải là mặt thủy chuẩn cơ bản

Sự xê dịch vị trí điểm ảnh: ảnh hàng không được chụp theo nguyên lý của phép chiếu phối cảnh nên các đỉnh cao và vực sâu bị dịch chuyển so với vị trí thực của chúng trên mặt đất Các đối tượng càng xa tâm ảnh thì sai số càng lớn, hậu quả của hiện tượng này là các đối tượng dạng tuyến trở nên cong hơn

so với thực tế, ng5 ba đường trở nên nhọn hơn

Hiện tượng phóng đại theo chiều thẳng đứng: Hiện tượng phóng đại theo chiều thẳng đứng của ảnh hàng không giúp cho việc quan sát lập thể

được tốt hơn Chính hiện tượng này tạo cảm giác vực sâu như sâu hơn, các

đỉnh cao dường như cao hơn trong khi khoảng cách ngang không đổi, làm sai lệch việc tính toán về độ dốc, độ cao của sườn núi…

Độ phân giải không gian: Hay còn gọi là lực phân giải của ảnh là giá trị nhỏ nhất của chi tiết không gian trên thực địa, phân biệt được trên ảnh Độ phân giải không gian xác định mức độ chính xác đạt được

Nhìn chung tư liệu ảnh hàng không cung cấp cho ta lượng thông tin rất lớn về hiện trạng của mặt đất Đây là nguồn tư liệu rất tốt cho công tác thành lập bản đồ địa hình nói chung và các bản đồ chuyên ngành địa chính nói riêng trong đó có công tác thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, cũng như các bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt khác bằng công nghệ ảnh hàng không

1.5 Khả năng khai thác thông tin chuyên đề từ tư liệu viễn thám

Kỹ thuật viễn thám đang ngày càng phát triển và phạm vi ứng dụng của

nó ngày càng rộng lớn Nghiên cứu khả năng khai thác thông tin chuyên đề từ tư liệu viễn thám thực chất là nghiên cứu khả năng giải đoán các thông tin là nội dung chuyên đề của bản đồ từ tư liệu viễn thám

Từ tư liệu viễn thám chúng ta có thể giải đoán được các yếu tố nội dung sau:

1 Hệ thống thủy văn Hệ thống thủy văn được nhận biết trên ảnh không mấy khó khăn bởi chúng là các địa vật hình tuyến, hệ thống đường bờ thể hiện rất rõ, rất đặc trưng về hình dáng cong lượn tự nhiên và hình ảnh của bề mặt nước thường rất khác biệt so với các đối tượng xung quanh Những đặc trưng này là do độ xám của các yếu tố thủy văn thể hiện trên ảnh được quyết định bởi điều kiện chụp ảnh, độ sâu, chất đáy, độ trong của nước

2 Địa hình Các đối tượng của địa hình thường thể hiện rất rõ các

đường đứt gẫy đột biến như các vách sụt lở, các khe vực những yếu tố này có nền màu rất khác biệt, phía trên thường có dải xám trắng, phía dưới thường có màu xám đen

3 Lớp phủ thực vật Đây là một trong những yếu tố dễ dàng nhận biết trên ảnh viễn thám Các yếu tố thực phủ được nhận biết trên ảnh thông qua màu sắc, nền màu, cấu trúc kết hợp với hình dáng, diện tích và vị trí địa lý Khi giải đoán yếu tố này, không những nhận biết được chính xác mà còn xác

định được rất nhiều các đặc trưng khác của chúng như: nguồn gốc, tuổi rừng, tầng thứ, độ tàn che, mật độ, độ che phủ, chiều cao cây, độ dầy của rừng và

đặc trưng quan trọng nhất là diện tích của lớp phủ thực vật Xác định được các

đặc trưng trên có ý nghĩa quan trọng trong thành lập bản đồ chuyên đề về lớp phủ thực vật nói chung và lớp phủ rừng nói riêng, dựa vào đó có thể xây dựng các bản đồ động thái, đánh giá biến động

4 Thổ nhưỡng Đây là loại đối tượng dễ dàng nhận biết được trên ảnh viễn thám Dựa vào các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng thổ nhưỡng

mà ta có thể xác định được một số loại thổ nhưỡng khác nhau như: đất cát (cát khô, cát ẩm), đất sét (sét khô, sét ẩm, sét hạt to, sét hạt mịn, sét kết ), đá vôi,

đất đồi, đất Bazan Việc có khả năng xác định được các yếu tố này trên ảnh

có ý nghĩa vô cùng thiết thực trong việc xây dựng bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ hiện trạng sử dụng đất

5 Dân cư Đây là yếu tố địa vật rất đặc trưng, việc nhận biết yếu tố này chủ yếu dựa vào đặc trưng cấu trúc và vị trí phân bố Dựa vào một số đặc trưng ta có thể phân biệt được các loại hình dân cư như: đô thị (thành phố,thị x5, thị trấn), nông thôn (đông đúc, thưa thớt)

6 Hệ thống giao thông Đây là yếu tố có dạng hình tuyến, dựa vào hình dáng và vị trí tương hỗ với các đối tượng khác có thể nhận biết chúng và các yếu tố phụ trợ như: cầu, cống, đập tràn, đò, phà

Như vậy, với khả năng khai thác được những thông tin trên từ tư liệu viễn thám, đặc biệt là xác định chính xác, chi tiết được các yếu tố thực phủ và thổ nhưỡng cho phép ta xây dựng được bản đồ lớp phủ rừng từ các tư liệu này

Đối với các tư liệu viễn thám như LANDSAT, SPOT, ASTER là các ảnh viễn thám ở dạng số nên hoàn toàn có thể áp dụng việc tự động hóa trong xử

lý và phân loại các yếu tố nội dung của bản đồ lớp phủ rừng

1.6 Cơ sở khoa học của hệ thông tin địa lý (GIS)

Hiện nay có khá nhiều định nghĩa về GIS, song có thể thống nhất chung

về định nghĩa như sau: "GIS là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần:

phần cứng (máy tính và các thiết bị ngoại vi), phần mềm, dữ liệu địa lý và người điều hành; được thiết kế hoạt động một cách có hiệu quả nhằm thu nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa

lý GIS có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý "

GIS bao gồm các hợp phần cơ bản sau: dữ liệu không gian, người điều hành, phần cứng, phần mềm

Hình 1.9 Cấu trúc hệ thông tin địa lý GIS

1.6.1 Dữ liệu không gian

Dữ liệu không gian có thể đến từ nhiều nguồn như số liệu tính toán thống kê, các quan trắc thực địa, ảnh viễn thám , bản đồ giấy Với kỹ thuật hiện đại ngày nay, viễn thám và GIS có khả năng cung cấp thông tin không gian bao gồm các thuộc tính địa lý, khuôn dạng dữ liệu, tỷ lệ bản đồ và các số liệu đo đạc Việc tích hợp các tư liệu địa lý từ nhiều nguồn khác nhau trong đó

có tư liệu viễn thám là đặc điểm cơ bản của một phần mềm GIS

Hình 1.10 Các lớp dữ liệu trong GIS

Thông thường, dữ liệu không gian được trình bày dưới dạng các bản đồ truyền thống với các thông tin chi tiết Các dữ liệu đó không đáp ứng được các nhu cầu hiện nay về tư liệu không gian vì những lí do sau:

- Đòi hỏi không gian lưu trữ rất lớn, tra cứu khó khăn

người điều

CƠ Sở Dữ LIệU KHÔNH GIAN

- Để nhập và khai thác dữ liệu, nhất thiết phải liên kết các thông tin địa

lý trên bản đồ với các dữ liệu thuộc tính khác được lưu trữ riêng biệt, và điều này trở nên rất khó khăn với hình thức lưu trữ

- Các khuôn dạng dữ liệu truyền thống thường không tương thích với các tiêu chuẩn dữ liệu hiện nay

Thay thế cho các dữ liệu dạng truyền thống, hiện nay tư liệu dạng số với một khối lượng rất lớn có thể được lưu trữ trong các đĩa CD, tương ứng với những khối lượng rất lớn của tư liệu analog Tư liệu số còn cho khả năng xử lý

tự động trên máy tính

Như vậy, GIS là sự phát triển đặc biệt để sử dụng công nghệ và nghệ thuật máy tính trong việc xử lý tư liệu không gian dạng số

2.6.2 Người điều hành

Người điều hành là một ẩn không thể thiếu được của GIS vì GIS là một

hệ thống tổng hợp của nhiều công việc kỹ thuật, do đó đòi hỏi người điều hành phải được đào tạo có kinh nghiệm trong nhiều lĩnh vực Con người không chỉ tạo lập cơ sở dữ liệu mà còn phân tích, đánh giá, suy đoán, tích hợp các thông tin khác nhau trước khi đưa ra quyết định Thông qua các quá trình tư duy, sáng tạo của con người ngôn ngữ trong GIS không phải là các số liệu nằm im, khô khan Hơn nữa, sự phát triển không ngừng của các kỹ thuật phần cứng, phần mềm đòi hỏi người điều hành phải luôn được đào tạo Những yêu cầu cơ bản về người điều hành bao gồm các vấn đề sau:

- Có kiến thức cơ bản về địa lý, bản đồ, máy tính và công nghệ thông tin

- Việc đào tạo cơ bản về địa lý cung cấp khả năng khai thác các đặc

điểm không gian (spatical process) và các quá trình không gian đồng thời phát hiện được mối quan hệ không gian giữa các hợp phần

- Khoa học về máy tính và thông tin cung cấp các kiến thức cơ bản về

phần cứng máy tính và vận hành thông thạo các chương trình liên kết phần

cứng

- Có kinh nghiệm trong việc sử dụng các phần mềm GIS: việc đào tạo

các phần mềm chủ yếu thường tập trung vào việc xử lý GIS, lập trình cơ bản,

quản lý cơ sở dữ liệu và một số công việc khác có liên quan đến tích hợp

thông tin

- Có hiểu biết nhuần nhuyễn về dữ liệu: hiểu về nguồn tư liệu, nội dung

và độ chính xác của dữ liệu, tỷ lệ bản đồ nguyên thuỷ và các số liệu đo đạc

của tập dữ liệu, cấu trúc của dữ liệu

- Có khả năng phân tích không gian Yêu cầu được đào tạo về phương

pháp xử lý thống kê và xử lý định tính trong địa lý, việc đào tạo cho người xử

lý có thể lựa chọn phương pháp tốt nhất để phân tích và áp dụng nhằm đưa ra

kết quả tốt nhất

Các yêu cầu trên là cần thiết đối với người điều hành GIS, các huấn

luyện chi tiết sẽ tuỳ thuộc nội dung và mục tiêu cũng như khả năng của máy

tính và phần mềm để lựa chọn những chương trình đào tạo thích hợp

1.6.3 Phần cứng (máy tính và thiết bị ngoại vi)

Phần cứng của một GIS bao gồm các hợp phần sau: Bộ xử lý trung tâm,

thiết bị nhập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, thiết bị hiển thị và xuất dữ liệu

- Bộ xử lý trung tâm (Central Proccessing Unit- CPU): hệ thống điều

khiển, bộ nhớ, tốc độ xử lý là những yếu tố quan trọng nhất của CPU Hiện

nay xử lý GIS trên nền Unix là hệ thống có đủ các chức năng nhất, trong khi

đối với máy PC thì GIS có chức năng hạn chế hơn Các hệ xử lý GIS trước đây,

phần lớn đều chạy trong trạm Unix vì nó cho phép lưu trữ cơ sở dữ liệu lớn và

nhiều chức năng xử lý khác nhau Tuy nhiên, với sự trợ giúp của Window NT

thì PC cũng có thể so sánh được với hệ Unix Ví dụ điển hình về một hệ thống

có hiệu quả là một hệ Unix nhỏ có cài đặt phần mềm ARC_INFO để quản lý

và vận hành GIS Hiện nay, các hệ thống xử lý liên tục được nâng cấp và khoảng cách giữa trạm Unix và PC càng hẹp dần

- Các thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc nhập dữ liệu là: bàn số hoá, máy quét để chuyển đổi dữ liệu analoge thành dạng số, hoặc băng từ và đĩa CD- ROM Các phương tiện lưu trữ thông dụng là ổ đĩa cứng, ổ đọc băng, ổ đĩa quang có thể ghi hình và xoá dữ liệu Thiết bị hiển thị và xuất dữ liệu bao gồm màn hình, máy in Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ tin học và công nghệ thông tin, đặc biệt là khi có thiết bị mạng cho phép san sẻ các chức năng

và trao đổi giữa những người sử dụng, càng tạo điều kiện cho GIS phát triển

1.6.4 Phần mềm

Một hệ thống phần mềm xử lý GIS yêu cầu phải có đầy đủ hai hợp phần sau: tự động hoá bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu Sự phát triển kỹ thuật GIS

hiện đại liên quan đến sự phát triển của hai hợp phần này

Bản đồ học là môn khoa học về bản đồ địa lý, về các tính chất, phương pháp xây dựng và sử dụng chúng Bản đồ học bao gồm nhiều bộ môn khoa học và kỹ thuật quan hệ chặt chẽ với nhau Do đó, tự động hoá bản đồ là thành lập bản đồ với sự trợ giúp của máy tính Bản đồ là sự thể hiện bằng đồ hoạ của mối quan hệ không gian và là sự mô hình hoá thực tế theo những tỷ lệ nhất

định thông qua các công đoạn: lựa chọn, phân loại, làm đơn giản hoá và tạo mẫu ký tự

Các phần mềm tiện ích thông qua máy tính trợ giúp cho việc thành lập bản đồ trên nhiều phương diện như sau:

- Trước hết, bản đồ trong máy tính là dạng số nên dễ dàng chỉnh sửa làm cho bản đồ được hoàn thiện và lượng thông tin sẽ được nâng lên Đặc biệt, việc bổ sung thông tin cho bản đồ cũng dễ dàng thực hiện được

- Thứ hai, quá trình tạo chú giải và các chỉ dẫn lên bản đồ được thao tác với tốc độ nhanh nên giá thành thấp Việc lựa chọn, phân loại và làm đơn giản hoá các đặc điểm bản đồ cũng được thực hiện một cách khoa học Các chức năng cụ thể của phần mềm trợ giúp cho phép quá trình thiết kế và khái quát hoá bản đồ được thực hiện Kết quả như mong muốn có thể đạt được bởi nhiều cán bộ bản đồ hoặc do chính một cán bộ bản đồ làm trong nhièu thời gian khác nhau

-Thứ ba, thiết kế bản đồ có thể được hoàn thiện hơn qua việc thử và chỉnh sửa lỗi Kích thước, hình dạng hoặc vị trí của chữ hoặc ký hiệu trên bản

đồ có thể dễ dàng thay đổi được và đưa về vị trí chính xác như mong muốn Chức năng thứ hai của phần mềm GIS là hệ thống quản lý dữ liệu (DBMS) GIS phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu địa

lý đồng thời có thể quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu theo một trật

tự rõ ràng

Một yếu tố rất quan trọng của phần mềm GIS là cho khả năng liên kết

hệ thống giữa việc tự động hoá bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu Các tài liệu mô tả cho một vị trí bất kỳ, có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí không gian của chúng Sự liên kết đó là một ưu thế nổi bật của việc vận hành GIS:

+ Thứ nhất là: các dữ liệu thuộc tính nhất thiết phải được thể hiện liên kết với các đối tượng trên bản đồ Ví dụ, số liệu về dân số của một thành phố cũng được gọi ra một cách tự động mà không cần phải có một sự tra cứu nào khác Đối với bản đồ truyền thống thì công việc tra cứu thường phải làm độc lập, không thực hiện tự động được Ngoài ra, việc bổ sung số liệu cũng đòi hỏi phải được cập nhật thường xuyên nên chỉ GIS mới có thể đáp ứng được đầy

đủ

+ Thứ hai: sự thay đổi về hình học của các đối tượng nội dung trên bản

đồ nhất thiết phải phù hợp với sự thay đổi về thông tin thuộc tính Ví dụ, sự

thay đổi về diện tích đô thị về số liệu phải tương ứng với sự thay đổi về đường ranh giới thành phố Khi thay đổi ranh giới thì số liệu tính toán về diện tích

cũng tự động được thay đổi

1.6.5 Các chức năng cơ bản của phần mềm GIS

Một phần mềm GIS có các chức năng cơ bản như sau: nhập và bổ sung dữ liệu, chuyển đổi dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, điều khiển dữ liệu, hiển thị dữ liệu theo cơ sở địa lý và đưa ra quyết định Có thể khái quát về các chức năng đó

như sau:

1.6.5.1 Nhập và bổ sung dữ liệu

Một trong những chức năng quan trọng của GIS là nhập, bổ sung và cập nhật dữ liệu mà công việc đó không thể tiến hành riêng rẽ Bất kỳ một hệ thống nào cũng phải cho phép nhập, bổ sung và cập nhật dữ liệu

Việc nhập, bổ sung và cập nhật dữ liệu phải cho phép sử dụng nguồn tư liệu dưới dạng số hoặc dạng analog Dạng tư liệu không gian như bản đồ giấy hoặc ảnh vệ tinh, ảnh máy bay phải được chuyển thành dạng số và các nguồn tư liệu số khác cũng phải chuyển đổi được để tương thích với cơ sở dữ liệu trong hệ thống đang sử dụng

1.6.5.2 Chuyển đổi dữ liệu

Chuyển đổi dữ liệu là chức năng cần được làm ngay sau khi thực hiện việc thu thập, bổ sung và cập nhật dữ liệu Nhiều phần mềm thương mại cố gắng giữ độc quyền bằng cách hạn chế đưa các khuôn dạng dữ liệu theo loại phổ cập Tuy nhiên người sử dụng phải lựa chọn để hạn chế việc phải số hoá thêm những tài liệu đang có ở dạng số Trong thực tế, cùng một tư liệu nhưng

có thể tồn tại ở nhiều khuôn dạng khác nhau

1.6.5.3 Lưu trữ dữ liệu

Một chức năng quan trọng của GIS là lưu giữ và tổ chức cơ sở dữ liệu

do sự đa dạng và với một khối lượng lớn của dữ liệu không gian: đa dạng về