Ứng dụng công nghệ viễn thám và gis để xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác quản lý bảo vệ môi trường khu vực côn đảo

Mối quan hệ giữa quang phổ điện từ và các bộ cảm biến như chỉ ra trong hình 1.3 1.1.3.Hệ thống viễn thám Hệ thống viễn thám sử dụng bức xạ điện từ thông qua bốn phần cơ bản là nguồn Sou

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN ANH DŨNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS

ĐỂ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

KHU VỰC CÔN ĐẢO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN ANH DŨNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS

ĐỂ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ

CÔNG TÁC QUẢN LÝ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

KHU VỰC CÔN ĐẢO

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa

Mã số: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐÀO NGỌC LONG

Hà Nội - 2010

LỜI 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 khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Anh Dũng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ quí báu của nhiều cá nhân và tập thể

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn tới toàn thể cán bộ phòng sau đại học, cán

bộ và giáo viên khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tận tình giúp đỡ, cung cấp tư liệu giúp tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Đào Ngọc Long – Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ Việt nam đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

Tiếp theo tôi xin thành cảm ơn lãnh đạo và tập thể cán bộ Trung tâm Thông tin

và Tư liệu Môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

và hoàn thành luận văn

Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Do thời gian nghiên cứu không nhiều, trình độ kiến thức cũng như kinh nghiệm của bản thân còn có hạn, do vậy luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các chuyên gia, các nhà khoa học, các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để kết quả của luận văn hoàn thiện và có tính ứng dụng cao hơn, hiệu quả hơn

Xin trân trọng cảm ơn !

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 9

1 Đặt vấn đề 9

2 Tính cấp thiết của đề tài 9

3 Mục tiêu của đề tài 9

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

5 Các nội dung nghiên cứu của đề tài 10

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của để tài 10

7 Cấu trúc của Luận văn 10

Chương 1: 11

TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG 11

THÔNG TIN ĐỊA LÝ 11

1.1 Nguyên lý viễn thám 11

1.1.1.Nguyên lý phản xạ ánh sáng khác nhau 11

1.1.2.Nguyên lý bức xạ năng lượng nhiệt khác nhau 12

1.1.3.Hệ thống viễn thám 13

1.2 Giới thiệu một số tư liệu ảnh vệ tinh 15

1.2.1.Tư liệu ảnh vệ tinh viễn thám bị động 15

1.2.2.Tư liệu ảnh vệ tinh viễn thám chủ động 24

1.3 Hệ thống thông tin địa lý 31

1.3.1 Khái niệm 31

1.3.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin địa lý 32

1.3.3 Dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý 33

1.3.4 Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý 36

Chương 2: 38

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG QUẢN LÝ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG 38

2.1 Hiện trạng ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong quản lý môi trường tại Việt Nam 38

2.2 Cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý

trong quản lý bảo vệ môi trường 41

2.2.1 Cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám trong quản lý môi trường 41

2.2.2 Cơ sở khoa học ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong quản lý bảo vệ môi trường 47

2.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong một số công tác quản lý môi trường 49

2.3.1 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng bản đồ hệ sinh thái 50

2.3.2 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng bản đồ hiện trạng mạng lưới thuỷ văn 51

2.3.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng 52

2.3.4 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng bản đồ hiện trạng phân bố các vùng đất ngập nước 54

2.3.5 Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong xây dựng bản đồ hiện trạng phân bố các vùng nuôi trồng thuỷ sản 56

2.3.6 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS xây dựng bản đồ tài nguyên du lịch 57

Chương 3: 58

PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VỀ TÀI NGUYÊN – MÔI TRƯỜNG 58

3.1 Giới thiệu khái quát về phương pháp thực hiện 58

3.2 Các phương pháp kỹ thuật công nghệ thực hiện đề tài 59

3.2.1 Phương pháp thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 59

3.2.2 Phương pháp thành lập bản đồ biến động chuyên đề 62

3.2.3 Phương pháp điều vẽ ảnh 65

3.2.4 Phương pháp xây dựng các lớp thông tin chuyên đề và cơ sở dữ liệu GIS về tài nguyên - môi trường 65

3.3 Các quy định kỹ thuật phục vụ công tác thành lập bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu GIS về tài nguyên và môi trường Côn Đảo 68

3.3.1 Thiết kế kỹ thuật thành lập bản đồ nền và bản đồ biến động 68

chuyên đề 68

3.3.2 Thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu GIS về TN&MT Côn Đảo 73

3.3.3 Thiết kế khung cơ sở dữ liệu GIS về TN&MT Côn Đảo 79

Chương 4: 84

KẾT QUẢ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VỀ 84

TÀI NGUYÊN – MÔI TRƯỜNG KHU VỰC CÔN ĐẢO 84

4.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội Côn Đảo 84

4.1.1 Điều kiện tự nhiên 84

4.1.2 Tình hình kinh tế - xã hội của khu vực 85

4.2 Kết quả thành lập bình đồ ảnh viễn thám ba thời điểm 1996, 2000, 2006 tỉ lệ 1/25.000 khu vực huyện Côn Đảo 88

4.2.1 Mô hình hoá ảnh 89

4.2.2 Nắn chỉnh hình học 89

4.2.3 Xử lí phổ bình đồ ảnh 90

4.2.4 Biên tập, trang trí khung, xuất bình đồ ảnh 90

4.3 Kết quả thành lập bộ bản đồ biến động chuyên đề và phân tích sự biến động đường bờ biển, lớp phủ thực vật rừng và các vùng đất ngập nước khu vực huyện Côn Đảo giai đoạn 1996, 2000, 2006 90

4.3.1 Kết quả điều vẽ ảnh 90

4.3.2 Bản đồ nền khu vực Côn Đảo 91

4.3.3 Bản đồ biến động đường bờ biển 95

4.3.4 Bản đồ biến động lớp phủ thực vật rừng 103

4.3.5 Bản đồ biến động các vùng đất ngập nước 110

4.4 Kết quả xây dựng cơ sở dữ liệu GIS tài nguyên và môi trường huyện Côn Đảo 117 4.4.1 Nhóm lớp thông tin ranh giới hành chính- RG_hanhchinh 117

4.3.2 Nhóm lớp thông tin địa hình- Diahinh 120

4.3.3 Nhóm lớp thông tin cơ sở hạ tầng- CS_hatang 121

4.3.4 Nhóm lớp thông tin tài nguyên đất - TN_dat 121

4.3.5 Nhóm lớp thông tin tài nguyên khoáng sản- TN_Khoangsan 123

4.3.6 Nhóm lớp thông tin tài nguyên rừng- TN_Rung 124

4.3.7 Nhóm lớp thông tin tài nguyên nước- TN_nuoc 125

4.3.8 Nhóm lớp thông tin đa dạng sinh học và tài nguyên vùng bờ-

DDSH_TNVB 125

4.3.9 Nhóm lớp thông tin khí hậu và động lực vùng bờ- KH_Dongluc 127

4.3.10 Nhóm lớp thông tin ô nhiễm môi trường - ON_Moitruong 128

4.3.11 Nhóm lớp thông tin tai biến thiên nhiên -TB_thiennhien 129

4.3.12 Nhóm lớp thông tin kinh tế - xã hội- KT_XH 129

4.3.13 Nhóm lớp thông tin quy hoạch, kế hoạch-QH_KH 132

4.3.14 Các tư liệu ảnh viễn thám –TL_anhvientham 132

KẾT LUẬN 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

PHỤ LỤC 1: BÌNH ĐỒ ẢNH VỆ TINH CÁC THỜI KỲ 136

PHỤ LỤC 2: SẢN PHẨM BẢN ĐỒ NỀN VÀ BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG 139

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Phản xạ quang phổ của nước, đất và thực vật 11

Hình 1.2 : Bức xạ đối với vật thể đen 12

Hình 1.3 : Mối quan hệ quang phổ điện từ và các bộ cảm biến 12

Hình 1.4 : Hệ thống viễn thám 13

Hình 1.5 : Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng 14

Hình 1.6: Vệ tinh SPOT 16

Hình 1.7 : Vệ tinh IKONOS 20

Hình 1.8 : Vệ tinh QUICKBIRD 22

Hình 1.9 : Nguyên lý tạo ảnh SLR 26

Hình 1.10: Nguyên lý tạo ảnh SAR 29

Hình 1.11: Cấu trúc vector và raster 34

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình thành lập bình đồ ảnh vệ tinh 60

Hình 3.2: Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ biến động 64

Hình 3.3: Sơ đồ quy trình xây dựng các lớp thông tin và CSDL GIS

Tài nguyên – Môi trường 67

Hình 3.4: Các công cụ chính trong phần mềm ArcGIS 74

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc cơ sở dữ liệu tài nguyên và môi trường Côn Đảo 78

Hình 4.1: Bảng chú giải bản đồ nền khu vực Côn Đảo 93

Hình 4.2: Bảng chú giải bản đồ nền khu vực Côn Đảo(tiếp) 94

Hình 4.3: Bảng chú giải bản đồ biến động đường bờ biển 97

Hình 4.4: Diện tích vùng đất và bãi Côn Đảo các năm 1996, 2000, 2006 100

Hình 4.5: Tỷ lệ biến động vùng đất và bãi Côn Đảo thời kỳ 100

1996-2000-2006 100

Hình 4.6: Biến động vùng đất và bãi đảo Côn Đảo thời kỳ 1996-2000-2006 103

Hình 4.7: Bảng chú giải bản đồ biến động lớp phủ thực vật rừng 104

Hình 4.8: Diện tích các loại rừng Côn Đảo năm 1996, 2000, 2006 106

Hình 4.9 : Tỷ lệ biến động các loại rừng Côn Đảo thời kỳ 1996-2000-2006 106

Hình 4.10: Biến động các loại rừng Côn Đảo thời kỳ 1996-2000-2006 109

Hình 4.11: Bảng chú giải bản đồ biến động đất ngập nước 111

Hình 4.12: Diện tích đất ngập nước Côn Đảo các năm 1996, 2000, 2006 114

Hình 4.13: Tỷ lệ biến động các loại đất ngập nước thời kỳ 1996-2000-2006 115

Hình 4.14: Biến động đất ngập nước Côn Đảo thời kỳ 1996-2000-2006 115

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 : Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM 15

Bảng 1.2 : Các đặc trưng chính của ảnh vệ tinh SPOT 17

Bảng 1.3 : Độ phân giải phổ của ảnh nguồn các vệ tinh SPOT từ 1 đến 5 19

Bảng 1.4 : Các đặc tính của vệ tinh IKONOS 21

Bảng 1.5: Các đặc tính của vệ tinh Quickbird 23

Bảng 1.6 : Các thông số của hệ thống thu ảnh Radarsat 25

Bảng 1.7 : Các đặc trưng kỹ thuật của ERS 25

Bảng 4.1: Diện tích vùng đất và bãi Côn Đảo các năm 1996, 2000, 2006 99

Bảng 4.2: Tỷ lệ biến động vùng đất và bãi Côn Đảo thời kỳ 1996-2000-2006 100

Bảng 4.3: Diện tích biến động vùng đất và bãi Côn Đảo thời kỳ 1996-2000-2006 102

Bảng 4.4: Diện tích các loại rừng Côn Đảo năm 1996, 2000, 2006 105

Bảng 4.5 : Diện tích biến động các loại rừng Côn Đảo thời kỳ 1996-2000-2006 109

Bảng 4.6: So sánh diện tích rừng trên bản đồ và số liệu thống kê của 110

huyện Côn Đảo 110

Bảng 4.7: Diện tích của các Vũng, Vịnh lớn 112

Bảng 4.8: Diện tích đất ngập nước Côn Đảo các năm 1996, 2000, 2006 113

Bảng 4.9: Tỷ lệ biến động các loại đất ngập nước thời kỳ 1996-2000-2006 114

Bảng 4.10: Diện tích biến động đất ngập nước Côn Đảo thời kỳ 115

1996 - 2000 - 2006 115

Bảng 4.11: Thống kê diện tích các đảo 120

Bảng 4.12: Hiện trạng sử dụng đất tháng 01/2006 và tháng 1/2009 122

Bảng 4.13: Thống kê trữ lượng vật liệu san lấp khu vực Côn Đảo 123

Bảng 4.14: Thống kê hiện trạng đất lâm nghiệp huyện Côn Đảo 124

Bảng 4.15: Các lưu vực có khả năng tạo hồ chứa nước 125

Bảng 4.16: Độ phủ (%) trung bình của san hô, hợp phần đáy 126

Bảng 4.17: Hiện trạng và dự báo dân số và lao động 131

Bảng 4.18: Tổng kết tình hình kinh doanh du lịch 131

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

“Côn Đảo” nằm phía Đông nam của Biển Đông, là một quần đảo có dáng hình một con gấu đang vươn mình “Côn Đảo” cách đây hơn 3 thập kỷ là nơi được biết đến như là địa ngục trần gian Lịch sử đã để lại cho Côn Đảo một di sản lớn đó

là “Trường học Cách mạng”; Thiên nhiên đã ban tặng Côn Đảo một “Vườn Quốc gia” với nguồn tài nguyên rừng và biển có tiềm năng đa dạng sinh học cao mà đến nay vẫn giữ lại được nhiều sinh cảnh hoang sơ nguyên thủy: là những bãi biển rùa thường lên đẻ trứng; những thảm cỏ biển; những rạn san hô trải dài vòng quanh vùng bờ đảo Vậy nên việc định hướng và xây dựng Côn Đảo trở thành “Khu kinh

tế - du lịch và dịch vụ chất lượng cao” mà vẫn bảo tồn, tôn tạo được những giá trị lớn về lịch sử cách mạng và tiềm năng đa dạng sinh học cao của nguồn tài nguyên thiên nhiên nơi đây là nhiệm vụ cấp thiết

2 Tính cấp thiết của đề tài

Bên cạnh những lợi ích thu được từ việc khai thác, sử dụng nguồn lợi biển, các hoạt động của con người đã gây ra rất nhiều tác động đối với tài nguyên và môi trường biển, đặc biệt đới bờ biển và đảo Sự phát triển kinh tế gắn với bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường phục vụ phát triển bền vững đang là vấn đề hết sức cấp thiết được các nhà quản lý đặt ra Việc xây dựng cơ sở dữ liệu TN&MT Côn Đảo như một công cụ tổng hợp phục vụ công tác quản lý, khai thác, quy hoạch phát triển kinh tế xã hội, bảo vệ môi trường là nhiệm vụ cần phải giải quyết trong thời gian sớm nhất

3 Mục tiêu của đề tài

Phục vụ điều tra, đánh giá biến động đường bờ, đất ngập nước, diện tích rừng nhằm đáp ứng đầy đủ hơn các nhu cầu về thông tin cho công tác đề xuất hệ thống tổng thể các biện pháp bảo vệ môi trường của huyện Côn Đảo

Xây dựng cơ sở dữ liệu về tài nguyên và môi trường Côn Đảo phục vụ công tác quản lý, khai thác, quy hoạch kinh tế xã hội, nhằm đảm bảo các mục tiêu phát triển bền vững đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Toàn bộ vùng đảo nổi của quần đảo Côn Sơn và vùng biển bao quanh từ 0- 30m nước

Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí, đề tài tập trung nghiên cứu về các dạng bản đồ biến động đường bờ, đất ngập nước, lớp phủ rừng và sơ lược về cơ sở dữ liệu về tài nguyên môi trường

5 Các nội dung nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan một số vấn đề cơ bản về Môi trường và quản lý bảo vệ Môi trường

Đi sâu vào nghiên cứu hiện trạng ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ hiện trạng tài nguyên thiên nhiên ở Viêt Nam

Thu thập tổng hợp các tư liệu hiện có ảnh máy bay, ảnh viễn thám các thời

kỳ và các dữ liệu khác có liên quan, tiến hành thực nghiệm thành lập cơ sở dữ liệu ban đầu phục vụ công tác phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường khu vực Côn Đảo

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của để tài

Xây dựng được bộ bản đồ nền và bản đồ biến động 3 thời điểm 1996, 2000,

2006 Xây dựng cơ sở dữ liệu sơ lược về Tài nguyên và Môi trường phục vụ công tác nghiên cứu quy hoạch phát triển kinh tế và quản lý bảo vệ môi trường khu vực Côn Đảo

Nghiên cứu góp phần giúp học viên hiểu biết thêm về các ứng dụng của công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) nói chung và làm phong phú thêm về cơ sở khoa học ứng dụng trong công tác quản lý môi trường

7 Cấu trúc của Luận văn

Luận văn được trình bày trong 142 trang bao gồm: Phần mở đầu, 4 chương, kết luận với 30 hình và 25 bảng biểu

Hình 1.1 : Phản xạ quang phổ của nước, đất và thực vật

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 (độ đen) khác nhau trong các băng phổ khác nhau và các đối tượng thuộc các lớp khác nhau cũng

AS.nhìn thấy Vùng hồng ngoại

Cường Thực vật

độ Đất Nước

Bước sóng

µm

sẽ có phổ khác nhau trên cùng một băng phổ Hay nói cách khác, tất cả các đối tượng trong tự nhiên sẽ có phản xạ phổ riêng riêng đặc trưng phụ thuộc vào các đặc trưng bề mặt của chúng Ví dụ như phản xạ của thực vật, đất và nước như chỉ ra trong hình 1.1

Dựa vào đặc trưng này, chúng ta 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

1.1.2.Nguyên lý bức xạ năng lượng nhiệt khác nhau

Tất cả các đối tượng trong tự nhiên bức xạ năng lượng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ riêng của chúng và bức xạ nhiệt này như chỉ ra trong hình 1.2 đối với các vật thể đen Các thông tin nhiệt về các đối tượng có thể thu nhận được nhờ việc đo cường độ bức xạ

Hình 1.2 : Bức xạ đối với vật thể đen

Như vậy, nhờ các thông tin này, chúng ta cũng có thể nhận biết và phân loại các đối tượng

Vùng gần hồng ngoại

Ánh sáng nhìn thấy

Hình 1.3 : Mối quan hệ quang phổ điện từ và các bộ cảm biến

X 107w.m-2.m-1 Bước sóng được sử dụng

để dự báo năng lượng được bức xạ Cường

độ

Bước sóng µm

1.0 2.0 3.0 4.0

X tím và hồng Sóng Radar Sóng hồng ngoại Radio

Bộ cảm quang học

Bộ cảm chủ động

Bộ cảm bị động

0.1mm 0.4 0.7 1.5mm 1.0mm 0.8m

10 17 10 14 10 12 10 10 10 8

0.4mm 12mm

L C X 10GHz 100

Dựa vào nguyên tắc trên, hệ thống viễn thám có thể hoạt động trong vùng

cực tím, vùng ánh sáng nhìn thấy, vùng gần hồng ngoại và vùng sóng cực ngắn của

quang phổ điện từ

Mối quan hệ giữa quang phổ điện từ và các bộ cảm biến như chỉ ra trong hình 1.3

1.1.3.Hệ thống viễn thám

Hệ thống viễn thám sử dụng bức xạ điện từ thông qua bốn phần cơ bản là

nguồn (Source), tương tác với bề mặt trái đất (Interactions with the Earth's surface),

tương tác với khí quyển (Interaction with the atmosphere) và hệ thống cảm biến

(sensor), hình 1.4

Nguồn 3

Nguồn 1

Khí quyển

Phản xạ điện từ Bức xạ điện từ Sóng Radar Bề mặt trái đất

Nguồn 2

Hình 1.4 : Hệ thống viễn thám

Nguồn : Nguồn của bức xạ điện từ có thể là nguồn tự nhiên của bức xạ điện

từ là ánh sáng mặt trời (nguồn 1) hoặc bức xạ nhiệt của quả đất bị đốt nóng (nguồn

2) hoặc do con người tạo ra như sóng rađar (sóng radar)

Tương tác với bề mặt trái đất : Khi năng lượng điện từ chiếu tới vật thể,

một phần năng lượng điện từ bị vật thể hấp thụ, một phần bị phản xạ và một phần

sau đó bị bức xạ Cường độ và các đặc trưng của bức xạ hay phản xạ phụ thuộc vào

các đặc trưng bề mặt của các đối tượng khác nhau trên mặt đất

Tương tác với khí quyển : Năng lượng điện từ truyền qua môi trường khí

quyển Khi đi qua khí quyển, một phần năng lượng điện từ sẽ bị hấp thụ, bị biến

đổi và tán xạ

Bộ cảm 1

Bộ cảm 2

Bộ cảm 3

♣ ♣ ♣ ♣ ♣ ♣

Bộ cảm biến : Bức xạ điện từ phản xạ từ bề mặt trái đất sau khi đi qua khí

quyển được ghi nhờ bộ cảm biến 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

Hệ thống viễn thám sử dụng quang phổ của ánh sáng tự nhiên được gọi là hệ thống viễn thám bị động như hệ thống LandSat, hệ thống Spot, Quick Bird Hệ thống viễn thám sử dụng nguồn năng lượng do con người tạo ra và thu nhận được gọi là hệ thống viễn thám chủ động như hệ thống viễn thám Radar Ngoài ra, người

ta cũng có thể phân loại hệ thống viễn thám theo bước sóng

VIỄN THÁM TRONG DẢI SÓNG NHÌN THẤY VÀ HỒNG NGOẠI

VIỄN THÁM HỒNG NGOẠI NHIỆT

VIỄN THÁM SIÊU CAO TẦN

1.2 Giới thiệu một số tư liệu ảnh vệ tinh

1.2.1.Tư liệu ảnh vệ tinh viễn thám bị động

1 Landsat

LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Cho đến nay đã

có nhiều thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển

Vệ tinh LANDSAT 1 được phóng năm 1972, lúc đó bộ cảm cung cấp tư liệu chủ yếu là MSS (Multispectral scanner) thuộc loại máy quét quang cơ (Optical-Mechanical Scanner) Vệ tinh LandSat có độ cao bay 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo là 98o Quĩ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp Thời điểm bay qua xích đạo là 9h39' sáng và chu kỳ lặp 17 ngày Bề rộng tuyến chụp 185km Hệ thống Landsat MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại

Từ năm 1985 vệ tinh LANDAT 3 được phóng và mang bộ cảm TM (Thematic Mapper) Vệ tinh LANDSAT 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhaced 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

Bảng 1.1 : Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM

Kênh 6 10.4 - 12.5 micromet Hồng ngoại nhiệt 120m

Kênh 7 2.08 - 2.35 micromet Hồng ngoại trung 30m

Vệ tinh LANDSAT bay ở độ cao 705km, mỗi cảnh TM có độ bao phủ mặt đất là 185km x 170km với chu kỳ chụp lặp là 16 ngày Có thể nói TM là bộ cảm quan trọng nhất trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường Tư liệu TM được cung cấp dưới dạng CCT, CD ROM và băng từ 8mm

2.SPOT

Vào đầu năm 1978 chính phủ Pháp quyết định phát triển chương trình SPOT (Système Pour l'Observation de la Terre) với sự tham gia của Bỉ và Thụy Điển Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT do Trung tâm Nghiên cứu Không gian (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES) của Pháp chế tạo và phát triển Vệ tinh đầu tiên SPOT-1 được phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT-2, SPOT-3, SPOT- 4 và SPOT-5 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002 trên đó mang

độ phân giải 20m Khả năng chụp nghiêng của SPOT cho phép tạo cặp ảnh lập thể

từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với các góc chụp nghiêng khác nhau

Hình 1.6: Vệ tinh SPOT

Vệ tinh SPOT - 5 phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng 5 năm 2002, được trang

bị một cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric) là loại Sensor ưu việt hơn

các loại trước đó Mỗi một Sensor HRG có thể thu được ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10m với ảnh mầu Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt được ảnh độ phân giải 2,5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60km đến 80km Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT, điều mà các loại ảnh vệ tinh cùng thời khác ở độ phân giải này đều không đạt

Kỹ thuật thu ảnh HRG cho phép định vị ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 50m nhờ hệ thống định vị vệ tinh DOGIS và Star Tracker lắp đặt trên vệ tinh Trên vệ tinh SPOT-5 còn lắp thêm hai máy chụp ảnh nữa Máy thứ nhất HSR (High Resolution Stereoscopic) - Máy chụp ảnh lập thể lực phân giải cao Máy này chụp ảnh lập thể dọc theo đường bay với độ phủ 120 x 600km Nhờ ảnh lập thể độ phủ rộng này tạo lập mô hình số độ cao (DEM) với độ chính xác 10m mà không cần tới điểm khống chế mặt đất Máy chụp ảnh thứ hai mang tên VEGETATION, giống như VEGETATION lắp trên vệ tinh SPOT- 4 hàng ngày chụp ảnh mặt đất trên một dải rộng 22.5km với kích thước pixel 1 x 1km trong 4 kênh phổ Ảnh VEGETATION được sử dụng rất hữu hiệu cho mục đích theo dõi biến động địa cầu

Các kênh đa phổ

XS (Multispictral) SPOT 1,

2, 3

HRV (High Resolution Visible)

3 10 x 10 Lục, đỏ, gần

hồng ngoại

merging)

XI (Multispictral) SPOT 4 HRVIR (High

Resolution Visible)

4 20 x 20 Lục, đỏ, gần

hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình

M (Monospectral) SPOT 4 HRVIR (High

Resolution Visible)

4 10 x 10* Lục, đỏ, gần

hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình

4 10 x 10 Lục, đỏ, gần

hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình

HX (Multispectral

High Resolution)

SPOT 5 HRG (High

Resolution Geometric)

3 2,5 x 2,5** Lục, đỏ, gần

hồng ngoại

2 (FW/

Bảng 1.3 : Độ phân giải phổ của ảnh nguồn các vệ tinh SPOT từ 1 đến 5

phân giải

SPOT 1, 2, 3 Kênh 3 0,79-0,89µm Gần hồng ngoại 20m

SPOT 1, 2, 3 Kênh toàn sắc 0,51 - 0,73µm Toàn sắc 10m

3.COMSMOS và RESURS-01

Chương trình vệ tinh COSMOS của Liên Xô trước đây rất quen thuộc đối với Việt Nam Tư liệu ảnh viễn thám COSMOS gồm có 2 loại Ảnh độ phân giải cao có độ bay chụp 270km, máy ảnh tiêu cự 1.000mm, kích thước ảnh 30 x 30cm,

độ phủ dọc trên 60%, độ phân giải mặt đất 6 - 7m Ảnh độ phân giải trung bình có

độ cao bay chụp 250km, máy ảnh tiêu cự 200mm, kích thước ảnh 18 x 18cm, độ phủ dọc trên 60%, độ phân giải mặt đất 30cm, chụp ở 3 phổ là xanh lục (0,51 - 0,60µm), đỏ (0,60 - 0,70µm), gần hồng ngoại (0,70 - 0,85µm)

CHLB Nga đưa lên quỹ đạo 3 vệ tinh viễn thám RESURS - 01 vào các năm

1985, 1988 và 1994 Vệ tinh RESURS - 01 bay ở độ cao 678km, trang bị bộ cảm đa phổ MSU-SK, có độ phân giải không gian là 170m đối với 4 kênh gồm kênh xanh lục (0,5 - 0,6µm), đỏ (0,6 - 0,7µm), gần hồng ngoại (0,7 - 0,8µm và 0,8 - 1,1µm) Kênh hồng ngoại nhiệt (10,4 - 12,6µm) có độ phân giải 600m Một cảnh có độ bao phủ 600 x 600km

4.IKONOS

Vệ tinh viễn thám IKONOS được phóng lên quỹ đạo ngày 24 tháng 9 năm

1999 và do Space Imaging LLC của Mỹ quản lý, điều hành Đây là thế hệ vệ tinh thương mại đầu tiên cung cấp ảnh chụp mặt đất độ phân giải siêu cao 1m Các kênh

đa phổ có độ phân giải mặt đất độ phân giải siêu cao 1m Các kênh đa phổ có độ phân giải mặt đất là 4m gồm kênh xanh chàm (0,45 - 0,53µm), xanh lục (0,51 - 0,60µm), đỏ (0,60 - 0,70µm), gần hồng ngoại (0,70 - 0,85µm) Kênh toàn sắc (0,45 - 0,90µm) có độ phân giải 1mét

Hình 1.7 : Vệ tinh IKONOS

Một ảnh IKONOS chuẩn có kích thước 11 x 11km Vệ tinh có thể chụp một dải rộng 11km và dài 1000km liên tục hoặc chụp và tạo ảnh ghép thành khối rộng tới 12.000 km2

Bảng 1.4 : Các đặc tính của vệ tinh IKONOS

Thời gian đi hết một vòng quanh Trái đất 98 phút

0,82 m Panchromantic 3,2 m Multispectral

26o off – Nadir 1,0 m Panchromantic 4,0 m Multispectral

13,8 km ở kiểu quét off - Nadir Thời gian bay qua mặt phẳng xích đạo Bình thường khoảng 10h30

xanh lá cây, đỏ, cận hồng ngoại Với ảnh viễn thám IKONOS ta có thể làm được nhiều việc mà trước đây chỉ

có thể thực hiện với ảnh chụp từ máy bay Các ứng dụng ảnh IKONOS tập trung chủ yếu vào nhiệm vụ quy hoạch và theo dõi các đề án lớn, quản lý sân bay, bến cảng, quản lý và theo dõi thảm hoạ, tai biến thiên nhiên Quản lý rừng và theo dõi môi trường, lập bản đồ vùng bờ, nghiên cứu thực vật nhiệt đới và đương nhiên, đo

vẽ bản đồ tại những khu vực địa hình phức tạp, dân cư đông đúc v.v…

5.QuickBird

Vệ tinh Quickbird đã được phóng vào tháng 10 năm 2001 ở California

Hình 1.8 : Vệ tinh QUICKBIRD

Vệ tinh được định vị ở độ cao quĩ đạo là 450 km với góc nghiêng quĩ đạo là 97,2o , đồng bộ mặt trời Các đặc tính của vệ tinh Quickbird được trình bày ở bảng 1-5

Vệ tinh QuickBird của Công ty Digital Globe cung cấp dải quét rộng nhất, khả năng lưu trữ trong lớn nhất và độ phân giải cao nhất trong tất cả các loại vệ tinh thương mại hiện hành Vệ tinh QuickBird có khả năng thu nhận trên 75 triệu km2

dữ liệu ảnh mỗi năm (lớn hơn 3 lần diện tích vùng Bắc Mỹ), cho phép Công ty Digital Globe có thể chụp và cập nhật các dữ liệu lưu trữ của Công ty với tốc độ cao chưa từng có trước đây Vệ tinh Quickbird đã và đang nhanh chóng trở thành sự lựa chọn tốt nhất cho việc sử dụng ảnh vệ tinh phân giải cao cho mục đích thành lập bản đồ

Từ khi phóng thành công vệ tinh Quickbird Digital Globe và có thể thu nhận được dữ liệu, ảnh Quickbird nhanh chóng được nghiên cứu sử dụng trong công tác hiện chỉnh và thành lập bản đồ tỷ lệ lớn khu đô thị

Bảng 1.5: Các đặc tính của vệ tinh Quickbird

CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA QUICKBIRD

Thời gian cắt qua xích đạo 10h 30’ sáng (điểm đi xuống)

Thời gian hoàn thành một quỹ đạo 93.5 phút

Thời gian lặp lại một vị trí 1 – 3.5 ngày phụ thuộc vĩ độ (30o tính từ điểm

thiên đế)

Độ chính xác tính theo hệ mét 23 m mặt phẳng (theo tiêu chuẩn CE90)

Đỏ (red): 630 - 690 nm Cận hồng ngoại ( NIR): 760 - 900 nm

Lần đầu tiên vệ tinh cho ảnh toàn sắc panchromatic và ảnh đa phổ Multispectral với độ phân gải 61 – 72 cm và 2.44 – 2.88 m, phụ thuộc vào hình ảnh nadir thu nhận được với góc (0 – 25 độ) Bởi thế các đầu thu (sensor) có thể phủ chùm độ rộng từ 16,5 – 19 km trong khi quét vuông góc với hướng chuyển động của vệ tinh (across-track direction) Thêm vào đó theo hướng dọc (along-track) và hướng ngang (across-track) có thể cung cấp một cặp ảnh lập thể với tần suất chụp lặp từ 1 – 3.5 ngày Kết quả, dữ liệu có thể có nhiều khuôn dạng khác nhau, giữ liệu thô (Basic Imagery), loại này được bảo toàn thông số hình học của vệ tinh, loại dữ

liệu này được quan tâm hơn trong trắc địa ảnh, cụ thể là tăng dày, đo vẽ và thành lập bản đồ Sử dụng loại dữ liệu thô này cho kết quả độ chính xác hiệu chỉnh hỉnh học cao và sản phẩm về ảnh phổ tốt hơn nhiều

1.2.2.Tư liệu ảnh vệ tinh viễn thám chủ động

Từ lâu, người ta đã quen với những vệ tinh hoặc máy bay mang theo những dụng cụ thu nhận bức xạ hồng ngoại để ghi các thông tin về trái đất từ khoảng cách lớn Đó là cơ sở của phần lớn các hệ thống các vệ tinh như Meteosat, Landsat, Spot, Sau đó, Nga, Canada, Nhật Bản và Châu Âu đã sử dụng loại vệ tinh viễn thám sử dụng bước sóng dài hơn đó là bước sóng Radio của sóng điện từ, nó cũng cho phép ghi nhận ảnh đối tượng từ khoảng cách xa Hệ thống mới này chính là Radar Radar viết tắt từ cụm "Radar Detection and Ranging" chính tên gọi này đã

mô tả công việc mà hệ thống thực hiện Hệ thống Radar là hệ thống hoạt động với nguyên tắc tự truyền năng lượng từ máy phát tới đối tượng nghiên cứu

Máy ghi nhận thông tin ở hệ thống Radar nói chung là máy thu vô tuyến Tín hiệu chiếu tới vật sau khi phản xạ, hấp thụ và bức xạ trở lại khí quyển, do vậy năng lượng này đã bị thay đổi thành phần phân bố Năng lượng này đi vào máy ghi thông tin sẽ được đo đạc và biến đổi thành tín hiệu điện ghi lên băng từ

Hệ thống Radar quan sát Trái đất theo phương thẳng đứng hay phương xiên phụ thuộc vào các tham số đặt trên Radar Tại máy thu nhận thông tin, năng lượng nhận được phụ thuộc vào năng lượng truyền đi của sóng Thông tin phục vụ nhận biết đối tượng phụ thuộc vào các thuộc tính của bản thân đối tượng

Hiện nay, trên thế giới đã và đang ứng dụng kỹ thuật Radar trong nhiều lĩnh vực Thông dụng có hai hệ thống vệ tinh sử dụng bước sóng Radar, đó là hệ thống Radarsat và hệ thống ERS

Hệ thống Radarsat là hệ thống vệ tinh viễn thám của Canada sử dụng sóng C Nguyên lý của vệ tinh Radarsat là một thiết bị phát sóng vào khí quyển đi đến đối tượng dưới dạng các chùm sóng Từ đối tượng với sự tán xạ năng lượng bộ thu sẽ thu được sóng và đưa vào bộ xử lý thông tin, kết quả thu được ảnh Radar

Vệ tinh Radarsat - 1 hoạt động cả ngày và đêm với dạng quỹ đạo tròn, độ cao so với mặt đất là 798km, góc nghiêng mặt phẳng là 98,6o, chu kỳ quay 100,7 phút/vòng,

cứ 24 ngày thì lặp lại điểm nó đã xuất phát

Bảng 1.6 : Cỏc thụng số của hệ thống thu ảnh Radarsat

Tốc độ kết nối dữ liệu 85&105 Mpb/s

Với cỏc thụng số vệ tinh và mỏy chụp như vậy, Radarsat cú thể thu ảnh liờn tục ngày đờm và mọi thời tiết cả ngày mưa, nắng và mõy mự phục vụ tốt cho nhu cầu cung cấp thụng tin

Hệ thống ERS là hệ thống vệ tinh của Cơ quan Hàng khụng vũ trụ Chõu Âu (ESA) sử dụng súng C Cỏc đặc trưng kỹ thuật của ERS ở bảng 1-7

Bảng 1.7 : Cỏc đặc trưng kỹ thuật của ERS

Trọng lượng vệ tinh ERS

Độ cao bay

Chiều dài vệ tinh

Kớch thước pin mặt trời

3 ngày Mặt trời AMI, ART, PRARE, ALT 7/1991

5,3 GHz (kờnh C)

VV - Ph-ơng thẳng đứng

23o

30 m 2,5 dB - 18 dB

1 Ảnh radar độ mở thực (Real Aperture Side Looking Radar - SLR)

Hình 1.9 : Nguyên lý tạo ảnh SLR

SLR được xác định dựa trên khoảng cách nghiêng SP = D từ S đến điểm P dọc theo sóng radio truyền từ phía trước và sau (Hình 4-14) Giả sử đường đứt ngang Sp nằm trên mặt phẳng ảnh ống phóng tia catốt của radar, khi điểm sáng đi đến điểm p từ điểm đầu po dọc theo hướng quét thì điểm sáng phản chiếu từ điểm mặt đất P xuất hiện tại điểm p Thời gian từ điểm phản chiếu đến điểm xuất hiện được xác định bởi khoảng thời gian giữa truyền và nhận của sóng siêu cao tần Khi tốc độ lan truyền c của sóng siêu cao tần là hằng số thì phân đoạn của ảnh thực tế là phép chiếu của khoảng cách nghiêng D từ bộ cảm biến đến đối tượng trên mặt đất (hình 1-9) Tỷ số λy của ảnh được chiếu phụ thuộc vào tốc độ lan truyền c của sóng cực ngắn trên không và tốc độ quét v của điểm sáng trên màn hình tia catốt, nghĩa là:

với điểm ảnh po) gọi là khoảng cách nghiêng trễ và phép chiếu của nó trong hệ ảnh được gọi là độ trễ quét do, nghĩa là,

úû

ùê

ê

êë

é

ZZ

YY

XXRcosθ

û

ù

êêêê

ë

é

+

-=úúúú

û

ù

êêêê

ë

é-

=úú

úû

ù

êê

êë

0 λ

1H

-HD

0

H

G

0 Rcosθ

2 2 T

úû

ù

êê

êë

é

-

-=úúúú

-S S

S T

y 2 2

0

p

ZZ

YY

XXRλ

f

fd

vị dk làm cho đèn chân không của sóng radar chuyển động trên hướng bay và quay

ở góc phương vị, sinh ra độ lệch khi radar quét một vật trên mặt đất và thay đổi khoảng cách nghiêng, cùng với việc tồn tại d thì khoảng cách nghiêng vẫn không thay đổi

Theo mối quan hệ hình học của SLR dọc theo hướng bay (hướng X) thì SLR thuộc về phép chiếu trực giao; tỷ lệ ảnh λx của nó liên quan đến vận tốc bay V và tốc độ chuyển động của phim w nghĩa là,

x

ω

Trong trường hợp của SLR, toạ độ y của một ảnh tỷ lệ với khoảng cách giữa

bộ cảm biến và điểm vật mặt đất không dễ dàng bị ảnh hưởng bởi góc quay của hệ cảm biến, nên phương trình ảnh về SLR đôi khi còn được biểu diễn dưới dạng vectơ sau:

V (P - S) = 0

Trong đó V là vectơ vận tốc bay của bộ cảm biến,

P là vectơ vị trí của điểm mặt đất P trong hệ toạ độ mặt đất,

S là vectơ vị trí của bộ cảm biến S trong hệ toạ độ mặt đất,

R là khoảng cách nghiêng giữa bộ cảm biến và điểm vật mặt đất Phương trình thứ nhất cho ta thấy máy quét ảnh radar được biểu diễn trên mặt phẳng ảnh đi qua điểm

S và P vuông góc với vectơ vận tốc; Phương trình thứ hai chỉ ra các đặc tính của phép chiếu khoảng cách nghiêng Khai triển phương trình (1-8), ta có:

Trong đó Vx, Vy, Vz là 3 thành phần của vectơ vận tốc trong hệ toạ độ mặt đất

2 Radar độ mở tổng hợp (Synthetic aperture radar - SAR)

Vì độ phân giải mặt đất (hay còn gọi là độ phân giải góc phương vị) dọc theo hướng bay của radar độ mở thực tỷ lệ với độ dài của anten, nên nó đòi hỏi phải có một anten rất dài Mặt khác, độ phân giải giảm khi khoảng cách giữa điểm vật và anten tăng lên Tình trạng này có thể được cải thiện tốt hơn bằng cách sử dụng SAR, cái mà có thể nhận được độ phân giải góc rất cao bằng một mạng anten ngắn thông qua tổng hợp xử lý tín hiệu Về mặt nhận thức, chúng ta có thể tưởng tượng rằng sự chuyển động tuyến tính của bệ mang radar chuyển động được dùng để tổng hợp một anten radar thực nhỏ thành một chuỗi anten lớn Năm 1981, SAR đã sử dụng thành công trong tàu vũ trụ con thoi trên không bằng cái tên radar ảnh con thoi ( Shuttle Imaging Radar - SIR)

V V V

1 X

X ( V ) Y Y ( V ) X

X

(

V

2 z

2 y

2 x

S P S

P S

+ +

+

+

(XP – XS)2 + (YP –YS)2 + (ZP –ZS)2 = R2

Hình 1.10: Nguyên lý tạo ảnh SAR

Chúng ta vẫn có thể sử dụng phương trình (1- 4) và (1- 6) như các phương trình biến đổi xạ ảnh về SAR từ các phần tử trong ma trận quay R vì bây giờ chúng

là các hàm số của toạ độ vị trí S (XS, YS, ZS) của bộ cảm biến và vận tốc bay V (VX,

VY, VZ) Điều này được xác định bởi đặc tính của quá trình xử lý ảnh SAR, nó bắt đầu thu nhận ảnh bằng tín hiệu một chiều với các tia nhiễu xạ dựa trên nguyên tắc giao thoa của sóng điện từ Ảnh này là một loại ảnh “one-dimensional hologram” (hình 1-10) Khi khoảng cách giữa anten và vật (điểm A hình 1-10) thay đổi tại điểm S1 nhanh hơn tại điểm S2, thì các tia ở hai điểm cuối sẽ ngắn hơn điểm (S1, S2) tại các vùng trung tâm trên ảnh toàn ký một chiều (one dimensional hologram) Tương tự như vậy, đối với các phần tử gần điểm B sẽ ngắn hơn các phần tử xa điểm

A Nhờ sự giúp đỡ của mối tương quan quang học mà tia sáng thích hợp được hình thành thông qua tín hiệu ảnh được ghi trên sóng radar và chuyển đổi nó thành một ảnh có dữ liệu thực Chiều dài phân đoạn của đường có nét đứt và khoảng cách giữa các phân đoạn của tia nhiễu xạ có liên quan trực tiếp đến vị trí điểm ảnh bị biến đổi

và chúng cũng dựa trên vị trí các điểm vật mặt đất và tốc độ chuyển động

Khi vectơ V tốc độ bay của bệ mang radar thay đổi thì hình dạng của các tia nhiễu

xạ cũng thay đổi theo, đó là nguyên nhân dẫn đến ảnh bị biến dạng Vì vậy, đối với ảnh SAR, tốc độ bay V (VX, VY, VZ) của bộ cảm biến và toạ độ vị trí S (XS, YS, ZS) chính là các phần tử quay ngoài của ảnh và ảnh hưởng của chúng đến sự biến dạng ảnh

3.Tư liệu LIDAR và IFSAR

Trong vài năm gần đây xuất hiện hai công nghệ viễn thám mới cho chúng ta thu được thông tin bề mặt địa hình nhanh với độ chính xác và mức độ tự động hoá cao, đó là công nghệ Laser (LIDAR - Light Detection And Ranging) và Radar độ

mở tổng hợp giao thoa (IFSAR - InterFerometric Synthetic Aperture Radar) Công nghệ LIDAR được áp dụng trên máy bay, còn công nghệ IFSAR được áp dụng trên máy bay, tầu vũ trụ hay các vệ tinh

* LIDAR

Các thành phần cơ bản của hệ thống LIDAR là bộ quét Laser, GPS và hệ thống dẫn đường quán tính INS/IMU Bộ quét Laser đặt trên máy bay phát tia hồng ngoại (bước sóng 810-1550 nm) với tần số lớn (từ 2-100 KHz) Bộ quét ghi khoảng thời gian giữa tín hiệu phát và tín hiệu phản xạ trở lại Tuy nhiên, một xung phát đi,

có thể có nhiều tín hiệu phản xạ trở lại như từ tán cây, bề mặt công trình hay từ mặt đất Từ đó, ta có thể xác định được khoảng cách từ mặt phản xạ tới máy thu theo thời gian qua tốc độ ánh sáng Còn vị trí và định hướng tại thời điểm phát xung được xác định nhờ hệ thống tích hợp GPS/INS Hay nói cách khác các thông số về

bề mặt trong không gian là X, Y, Z được xác định Bước sóng của LIDAR là bước sóng cận hồng ngoại (l » 1 mm), không xuyên qua được mây và bị hấp thụ mạnh trong môi trường nước và hơi nước LIDAR chụp thẳng, đối xứng qua đường dây dọi với góc xiên giới hạn trong khoảng ±20o Việc chụp gần với đường dây dọi có

ưu điểm là hạn chế được sự che lấp của đồi núi hay các công trình xây dựng, nhưng

độ rộng của dải quét bị hạn chế nên giá thành tăng

*IFSAR

Theo công nghệ này, độ cao của bề mặt được tính toán thông qua sự lệch pha giữa các tín hiệu Radar phản xạ được thu bởi hai vị trí angten gần nhau Như vậy, thông tin Radar có thể thu từ cùng một angten nhưng ở hai thời điểm khác nhau hoặc được thu đồng thời nếu có hai angten được đặt ở hai đầu của một "cạnh đáy"

Theo các kết quả nghiên cứu thì phương pháp sử dụng đồng thời hai angten thu là tối ưu hơn

Về bản chất, công nghệ IFSAR khai thác tính liên kết của các tín hiệu Radar

độ mở tổng hợp (SAR) phản xạ Các giá trị biên độ và pha của tín hiệu này được thu

và ghi lại Nhờ đó có thể xác định độ lệch pha của các tín hiệu phản xạ từ cùng một

vị trí trên mặt đất nhưng được thu từ hai vị trí khác nhau trên máy bay/vệ tinh hoặc tại hai thời điểm khác nhau

Bước sóng của IFSAR thường là sóng X (l » 3 cm) và sóng C (l » 6 cm), các sóng này có thể xuyên qua được mây, mù IFSAR chụp nghiêng với góc từ

30o đến 60o

Công nghệ LIDAR và IFSAR có điểm chung nhau lớn nhất là đều cho phép tạo DEM từ các thiết bị đặt trên máy bay với độ chính xác và độ chi tiết cao, mật độ phổ biến từ 1m2 đến 5m2 có một điểm và độ chính xác về độ cao khoảng 0.15m đến

3 m Hai đều là hệ thống viễn thám chủ động, đo thời gian chuyển động của sóng theo hai lần khoảng cách và đều sử dụng công nghệ tích hợp GPS/INS để có thể tính được toạ độ X, Y, Z của các điểm thuộc bề mặt phản xạ

Hai hệ thống này đều phụ thuộc vào thiết bị bay được sử dụng Việc chọn

độ cao bay và tốc độ bay ảnh hưởng tới mật độ và độ chính xác của điểm đo cũng như giá thành của sản phẩm

Chúng đều có thể thu được nhiều tín hiệu phản xạ từ một xung phát xạ Các tín hiệu phản xạ từ bề mặt đất được xử lý để tạo DEM, các tín hiệu phản xạ từ bề mặt tán lá cây, hay các công trình trên mặt đất được xử lý để tạo DSM

1.3 Hệ thống thông tin địa lý

1.3.1 Khái niệm

Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây

GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ

Ngày nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt động kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng, đối

phó với thảm hoạ thiên tai v.v GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân v.v đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu bản đồ đầu vào

Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm chung:

“GIS là một tập hợp bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu địa lý, con người và phương pháp phân tích để thực hiện có hiệu quả việc thu thập, lưu trữ, cập nhật, xử

lý, phân tích và thể hiện các thông tin địa lý”

Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể

Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS

Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như

là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý

Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần:

Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu, phương pháp phân tích và con người

1.3.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin địa lý

1 Phần cứng:

Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và xử lý thông tin của phần mềm Hệ thống này gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer) được liên kết với nhau trong mạng LAN hay Internet

- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian

- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau

Phần mềm được phân thành ba lớp: hệ điều hành, các chương trình tiện ích đặc biệt và các chương trình ứng dụng

3 Dữ liệu

Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu

4 Con người

Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc

1.3.3 Dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý

1 Khái niệm về dữ liệu địa lý

Dữ liệu địa lý nhằm phản ảnh thế giới thực, cần trả lời được các câu hỏi:

- Cái gì? (dữ liệu thuộc tính)

- Ở đâu? (dữ liệu không gian)

- Khi nào? (thời gian)

- Tương tác với các đối tượng khác ra sao? (quan hệ)

Một đối tượng của dữ liệu địa lý được coi là đã xác định khi có thông tin về các lĩnh vực trên

2 Dữ liệu địa lý được biểu diễn như thế nào

a Cấu trúc dữ liệu trong GIS:

Có hai dạng cấu trúc dữ liệu cơ bản trong GIS Đó là dữ liệu không gian và

dữ liệu thuộc tính Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS là: dữ liệu

không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu (CSDL) và có quan hệ chặt chẽ với nhau

b Các kiểu dữ liệu không gian:

Dữ liệu không gian có hai dạng cấu trúc Đó là dạng raster và dạng vector

Hình 1.11: Cấu trúc vector và raster

- Cấu trúc raster

Có thể hiểu đơn giản là một “ảnh” chứa các thông tin về một chuyên đề

Mô phỏng bề mặt trái đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới (đều hoặc không đều) gồm các hàng và cột Những phần tử nhỏ này gọi là những pixel hay cell Giá trị của pixel là thuộc tính của đối tượng Kích thước pixel càng nhỏ thì đối tượng càng được mô tả chính xác Một mặt phẳng chứa đầy các pixel tạo thành

raster Cấu trúc này thường được áp dụng để mô tả các đối tượng, hiện tượng phân

bố liên tục trong không gian, dùng để lưu giữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặt đất, hàng

không, vũ trụ ) Một số dạng mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital

Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), TIN (Triangulated Irregular Network) trong CSDL cũng thuộc dạng raster

Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý

và phân tích Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép toán bản đồ dễ dàng Dễ dàng liên kết với dữ liệu viễn thám Cấu trúc raster có nhược điểm là kém chính xác

về vị trí không gian của đối tượng Khi độ phân giải càng thấp (kích thước pixel lớn) thì sự sai lệch này càng tăng

(point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region hay polygon)

Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục Vùng là khoảng không gian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa

độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao

Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao) Cấu trúc này giúp cho người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ

c Dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu thuộc tính dùng để mô tả đặc điểm của đối tượng Dữ liệu thuộc tính

có thể là định tính - mô tả chất lượng (qualitative) hay là định lượng (quantative)

Về nguyên tắc, số lượng các thuộc tính của một đối tượng là không có giới hạn Để quản lý dữ liệu thuộc tính của các đối tượng địa lý trong CSDL, GIS đã sử dụng phương pháp gán các giá trị thuộc tính cho các đối tượng thông qua các bảng số liệu Mỗi bản ghi (record) đặc trưng cho một đối tượng địa lý, mỗi cột của bảng tương ứng với một kiểu thuộc tính của đối tượng đó

Các dữ liệu trong GIS thường rất lớn và lưu trữ ở các dạng file khác nhau nên tương đối phức tạp Do vậy để quản lý, người ta phải xây dựng các cấu trúc chặt chẽ cho các CSDL Có các cấu trúc cơ bản sau:

- Cấu trúc phân nhánh (hierarchical data structure)

Cấu trúc này thường sử dụng cho các dữ liệu được phân cấp theo quan hệ

mẹ-con hoặc 1->nhiều Cấu trúc này rất thuận lợi cho việc truy cập theo khóa

nhưng nếu muốn tìm kiếm theo hệ thống thì tương đối khó khăn Hệ rất dễ dàng được mở rộng bằng cách thêm nhánh nhưng rất khó sửa đổi toàn bộ cấu trúc hệ Một bất cập khác của cấu trúc dữ liệu kiểu này là phải duy trì các file chỉ số lớn (Index) và những giá trị thuộc tính phải lặp đi lặp lại ở các cấp Điều này làm dư thừa dữ liệu, tăng chi phí lưu trữ và thời gian truy cập

- Cấu trúc mạng (network system)

Cấu trúc này thường hay sử dụng cho các dữ liệu địa lý có nhiều thuộc tính

và mỗi thuộc tính thì lại liên kết với nhiều đối tượng Cấu trúc này rất tiện lợi khi

thể hiện các mối quan hệ nhiều <-> nhiều Cấu trúc này giúp cho việc tìm kiếm

thông tin tương đối mềm dẻo, nhanh chóng, tránh dữ liệu thừa

Tuy nhiên, đây là một hệ cấu trúc phức tạp, tương đối khó thiết kế Cần phải xác định rõ các mối quan hệ để tránh nhầm lẫn

- Cấu trúc quan hệ (relation structure)

Dữ liệu được lưu trữ trong các bản tin (record) gọi là bộ (tuple) - đó là tập hợp các thông tin của một đối tượng theo một khuôn mẫu quy định trước Các bộ tập hợp thành một bảng hai chiều gọi là một quan hệ Như vậy, mỗi cột trong quan

hệ thể hiện một thuộc tính Mỗi một record có một mã index để nhận dạng và như vậy có thể liên kết qua các bảng quan hệ với nhau (thông qua mã này)

Cấu trúc quan hệ có thể tìm kiếm truy cập đối tượng nhanh chóng và linh động bằng nhiều khóa khác nhau Có thể tổ chức, bổ sung dữ liệu tương đối dễ dàng

vì đây là những dạng bảng đơn giản Số lượng kiên kết không bị hạn chế và không gây nhầm lẫn như trong quan hệ mạng Do vậy, không cần lưu trữ dư thừa Tuy nhiên, chính vì không có con trỏ nên việc thao tác tuần tự trên các file để tìm kiếm, truy cập sẽ mất nhiều thời gian

1.3.4 Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý

- Hỏi đáp, tra cứu dữ liệu theo không gian và thuộc tính;

3 Sửa đổi và phân tích dữ liệu không gian

- Chuyển đổi khuôn dạng (Forrmat), ví dụ: TAB↔ SHP, DGN↔ SHP….; chuyển đổi từ vector sang raster và ngược lại;

- Chuyển đổi hình học: từ hệ tọa độ giả định (tương đối) sang hệ tọa độ địa lý (tuyệt đối), và ngược lại;

- Biên tập, ghép biên, tách các mảnh bản đồ

4 Sửa đổi và phân tích dữ liệu phi không gian

- Biên tập thuộc tính;

- Hỏi đáp dữ liệu thuộc tính

5 Tích hợp dữ liệu phi không gian và thuộc tính

Đây là các chức năng quan trọng nhất của GIS, để phân biệt với các các hệ khác, nhất là các hệ vẽ bản đồ tự động và các hệ CAD (Computer-Added Design-thiết kế bằng máy tính) là những hệ cũng làm việc với bản đồ số trên máy tính:

- Chiết xuất thông tin: tách, lọc các thông tin quan tâm trong tập dữ liệu;

- Nhóm các thông tin theo một tiêu chuẩn nhất định;

- Đo đạc: xác định nhanh các thông số hình học của đối tượng được thể hiện

như diện tích, độ dài, vị trí….;

- Chồng ghép:

+ Các phép tính toán giữa các bản đồ (số học, đại số, lượng giác…);

+ Các phép tính logic;

+ Các phép so sánh điều kiện;

- Các phép tính toán lân cận (quan hệ không gian): lọc, phân tích vùng đệm,

phân tích xu thế, tính toán độ dốc, hướng phơi, phân chia lưu vực, chiết xuất dòng chảy

- Các phép nội suy: từ điểm, từ đường

- Dựng mô hình 3 chiều và phân tích trên mô hình 3 chiều (3D): tạo lát cắt,

Chương 2:

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG

QUẢN LÝ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

2.1 Hiện trạng ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa

lý trong quản lý môi trường tại Việt Nam

Từ đầu những năm 80 viễn thám bắt đầu được ứng dụng như một nguồn tư liệu mới, một phương pháp, công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực và đã đem lại hiệu quả rõ rệt về khoa học, công nghệ và kinh tế

Công tác điều tra, khảo sát và thành lập bản đồ tài nguyên thiên nhiên đã được tiến hành ở Việt Nam từ nhiều năm nay và kết quả đã thành lập được nhiều loại bản đồ Song ở quy mô toàn quốc và ở cấp tỉnh công tác thành lập bản đồ điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên chủ yếu mới tiến hành riêng lẻ theo từng loại tài nguyên và từng hợp phần của môi trường tự nhiên Những công tác này được tiến hành ở những thời kỳ khác nhau và tuân theo các yêu cầu khác nhau Vì vậy các bản đồ đã thành lập có chất lượng không đồng đều và thường là không chỉnh hợp với nhau Mặt khác, các bản đồ phản ánh hiện trạng của các loại tài nguyên biến động nhanh hoặc một số mặt biến động của tài nguyên (sử dụng đất, hiện trạng rừng) được thành lập, chủ yếu theo các tài liệu ở những thời điểm khác nhau mà thường đã không còn phản ánh đúng hiện trạng ở thời điểm hoàn thành bản

đồ Vì vậy các tài liệu này ít có ý nghĩa thực tiễn Nhiều khía cạnh động thái của các điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên không được phản ánh trên bản đồ

Trong lĩnh vực địa chất: tư liệu viễn thám đã được sử dụng để thành lập nhiều loại bản đồ địa chất nhằm phục vụ nghiên cứu các chuyên đề địa chất và tìm kiếm, thăm dò khoáng sản Tư liệu viễn thám được sử dụng chỉnh lý bản đồ địa chất

tỷ lệ 1:500.000 phủ trùm toàn quốc, bản đồ tỷ lệ 1:200.000 ở một số vùng và để thành lập bản đồ địa chất tỷ lệ 1:50.000 ở nhiều vùng Tư liệu viễn thám còn được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và thành lập bản đồ cấu trúc địa chất, địa mạo, tìm kiếm khoáng sản (chủ yếu là nội sinh), thạch học, địa chất thuỷ văn, địa chất công trình, tai biến địa chất (trượt đất, biến động đới bờ, động đất,…), địa chất đô thị và địa chất môi trường

Trong lĩnh vực điều tra tài nguyên rừng: điều tra và thành lập bản đồ rừng tỷ

lệ 1:100.000, 1:250.000, 1:500.000, 1:1.000.000 phủ trùm toàn quốc theo chu kỳ 5