Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại xã mường khương huyện mường khương tỉnh lào cai

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan : Khoá luận tốt nghiệp với đề tài ―Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại xã Mường Khương huyện Mường Khương, t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan : Khoá luận tốt nghiệp với đề tài ―Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại xã Mường Khương huyện Mường Khương, tỉnh Lào Cai‖ là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, không sao chép của bất cứ ai

Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của riêng mình !

Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2019

Người cam đoan

Lê Văn Sơn

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, đặc biệt là các thầy cô khoa Quản lý tài nguyên rừng và môi trường của trường đã tiếp thêm kiến thức và hết lòng giảng dạy tạo điều kiện cho tôi có vốn kiến thức ban đầu để thực hiện đề tài Và

em cũng xin chân thành cám ơn thầy Lê Thái Sơn đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành khóa thực tập

Trong quá trình thực tập, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo thực tập, khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy, cô bỏ qua Đồng thời do trình độ

lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy, cô để

em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo tốt nghiệp sắp tới

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2019

Sinh viên

Lê Văn Sơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS 2

1.1 Lịch sử phát triển của viễn thám và gis 2

1.1.1 Khái quát về viễn thám 2

1.1.2 Khái quát về GIS 8

1.1.3 Giới thiệu về vệ tinh Landsat 10

1.2 Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong quản lý tài nguyên 13

1.3 Khái quát về lớp phủ và đối tượng lớp phủ 20

1.3.1 Khái niệm lớp phủ 20

1.3.2 Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 21

1.4 Phương pháp phân loại ảnh 21

PHẦN II MỤC TIÊU - NỘI DUNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 23

2.1.1 Mục tiêu chung 23

2.1.2 Mục tiêu cụ thể 23

2.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 23

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.2.2 hạm vi nghi n cứu 23

2.3 Nội dung nghiên cứu 23

2.4 Phương pháp nghiên cứu 24

2.4.1 hương pháp kế thừa số liệu, tư liệu ảnh 24

2.4.2 hương pháp điều tra thực địa 26

2.4.3 hương pháp xây dựng bản đồ lớp phủ 26

PHẦN III ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN - DÂN CƯ - KINH TẾ -XÃ HỘI 29

3.1 Điều kiện tự nhiên 29

3.2 Đặc điểm dân cư xã hội 30

PHẦN IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 32

4.1 Đánh giá hiện trạng sử dụng đất tại xã Mường Khương, huyện Mường Khương, tỉnh Lào Cai 32

4.2 Thành lập khóa giải đoán ảnh vệ tinh 33

4.2.1 Tư liệu phục vụ giải đoán 33

4.2.2 Xây dựng khóa giải đoán ảnh 33

4.3 Giải đoán ảnh 34

4.3.1 Giải đoán 35

4.3.2 Kiểm tra độ chính xác của phương pháp phân loại 38

4.4 Đề xuất quy trình xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất 39

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

5.1 Kết luận 41

5.2 Tồn tại 41

5.3 Kiến nghị 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GIS (Geography Information System): Hệ thống thông tin địa lý

ESRI (Environmental Systems Research Institute): Viện nghiên cứu hệ thống môi trường

NASA (National Aeronautics and Space Administration): Cơ quan Hàng

không và Vũ trụ Hoa Kỳ

ERTS (ERTS - Earth Resources Technology Satellite): Vệ tinh kỹ thuật

thăm dò tài nguyên trái đất

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các thời kỳ 3

Bảng 1.2 Hệ thống vệ tinh Landsat 10

Bảng 1.3 Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat 7 và LDCM (Landsat 8) 12

Bảng 4.1 Bộ khóa giải đoán ảnh các đối tượng lớp phủ 34

Bảng 4.2 Thống kê các đối tượng và vùng mẫu 35

Bảng 4.3 Kết quả đánh giá độ chính xác của phương pháp phân loại 38

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám 4

Hình 1.2 Cấu trúc bức xạ sóng điện từ( J.C.Maxwell) 6

Hình 1.3 Dải tần số được sử dụng trong viễn thám 6

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan phương pháp pháp nghiên cứu 24

Hình 2.2 Website dowload ảnh vệ tinh 25

Hình 2.3 Ảnh Landsat 8 được sử dụng 25

Hình 3.1 Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu 29

Hình 4.1 Hiện trạng sử dụng đất xã Mường Khương 32

Hình 4.2 Sơ đồ phân bố các vùng mẫu 35

Hình 4.3 Ảnh phân loại theo phương pháp Maximum Likelihood 36

Hình 4.4 Bản đồ lớp phủ mặt đất xã Mường Khương, huyện Mường Khương, tỉnh Lào Cai 37

Hình 4.5 Biểu đồ tỉ lệ diện tích các đối tượng 38

Hình 4.6 Sơ đồ các điểm điều tra thực địa 39

Hình 4.7 Quy trình xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất 40

ĐẶT VẤN ĐỀ

Đất đai là một nguồn tài nguyên quan trọng của mỗi quốc gia Đây là một nhân tố căn bản để hình thành nên sự sống, là yếu tố thiết yếu để con người có thể tồn tại và sinh sống Cùng với sự phát triển của xã hội loài người đất đai được chia thành nhiều mục đích sử dụng khác nhau như: nhà ở, đất nông nghiệp, sản xuất kinh doanh, an ninh quốc phòng, …Việc gia tăng dân số, tốc độ đô thị hóa nhanh tạo sự biến động lớn về các loại hình sử dụng đất Vậy làm thế nào để có thể xác định được số liệu diện tích các loại hình sử dụng đất một cách chính xác nhất?

Trong những năm cuối thế kỷ XX việc nghiên cứu và xác định diện tích các loại hình sử dụng đất còn gặp rất nhiều hạn chế, các phương pháp cũ chủ yếu là thủ công và tốn nhiều công sức Hiện nay với sự phát triển của công nghệ không gian (Remote sensing, GIS…) việc xác định, phân loại, xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất đã trở nên dễ tiếp cận hơn và mang lại độ chính xác tương đối cao

Bản đồ lớp phủ cơ sở mặt đất được thành lập nhằm mục đích thể hiện kết quả thống kê, kiểm kê đất đai lên bản vẽ, xây dựng dữ liệu cơ bản phục vụ quản lý lãnh thổ, quản lý đất đai đồng thời là tài liệu phục vụ xây dựng quy hoạch kế hoạch sử dụng đất và kiểm tra việc thực hiện quy hoạch đất đã được phê duyệt ở các ngành địa phương, các ngành kinh tế

Mường Khương là một xã miền núi phía Bắc thuộc khu vực giáp danh biên giới Việt-Trung, người dân ở đây chủ yếu thuộc các dân tộc thiểu số với tập quán cánh tác du canh, du cư dẫn đến việc phá rừng lấy đất canh tác, đốt nương làm rẫy… nhiều diện tích rừng đã bị biến mất thay vào đó là đất trống và đồi trọc Việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất diễn ra nhanh chóng và thường xuyên, chính vì thế cần những biện pháp để quản lý đất và các nguồn tài nguyên thiên nhiên một cách hiệu quả Sử dụng công nghệ viễn thám là một trong những biện pháp hiệu quả nhất giúp địa phương có thể giảm thiểu tình trạng hoang phí đất đai và các nguồn tài nguyên

Từ các thực tiễn nói trên tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu sử dụng ảnh

vệ tinh Landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại xã Mường Khương, huyện Mường Khương, tỉnh Lào Cai”

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS 1.1 Lịch sử phát triển của viễn thám và gis

1.1.1 Khái quát về viễn thám

1.1.1.1 Định nghĩa

Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất"

1.1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập

kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh Từ thể kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa

ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, được thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp Tác giả đã

sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860

Bảng 1.1 Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các thời kỳ

Xây dựng học thuyết về phổ điện tử Chụp ảnh từ máy bay

Giải đoán từ không trung Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không Phát triển kỹ thuật radar(Đức, Mỹ, Anh) Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự

Liên xô phóng tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh trái đất từ không gian

Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

Mỹ phóng vệ tinh landsat-1 Phát triên mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số

Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh landsat Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quỹ đạo Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ phân giải bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới

1.1.1.3 Nguy n lý cơ bản của viễn thám

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám cung cấp thông tin

về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn

thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến.Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh…) Hình 1.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám Nguồn năng lượng chính thường

sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và xử lí

tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện thượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường…

Hình 1.1 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám

Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần cơ bản như sau: - Nguồn cung cấp năng lượng - Sự tương tác của năng lượng với khí quyển - Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất - Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh - Hiển thị ảnh số cho việc giải

đoán và xử lí Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tưọng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là tưong tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do mặt trời và sự có mặt cũng như thay đổi các các phân tử nước và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sụ biến đổi năng lượng phản xạ

từ mặt đất đến bộ cảm biến Khoảng 75% năng lượng mặt tròi khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến Các loại khí như oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơinước… và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưỏng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ trong quá trình lan truyền.Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám

1.1.1.4 Cơ sở khoa học của kỹ thuật viễn thám

 Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trường và từ trường trong không gian

Hình 1.2 Cấu trúc bức xạ sóng điện từ( J.C.Maxwell)

Bức xạ điện từ vừa có cả tính chất sóng cũng như tính chất hạt Tính chất sóng được xác định bởi bước sóng λ, tần số v và tốc độ lan truyền C, mối liên quan giữa chúng thể hiện theo công thức:

λ=C/v (C=299, 793km/s trong môi trường chân không)

Viễn thám thường sử dụng 4 tính chất cơ bản của bức xạ điện từ đó là tần

số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực để thu nhận thông tin từ các đối tượng Ví dụ, tần số hay bước sóng liên quan tới màu sắc của vật thể trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Trong vùng hồng ngoại (infrared-IR) có bước sóng có từ (0.7÷10, 0µm),

kỹ thuật viễn thám thường sử dụng sóng hồng ngoại phản xạ (0, 7÷3, 0µm)

Hình 1.3 Dải tần số được sử dụng trong viễn thám

1.1.1.5 Ứng dụng của viễn thám trong quản lý tài nguy n

 Trong lĩnh vực điều tra đất:

- Để thống kê và thành lập bản đồ sử dụng đất, điều tra giám sát trạng thái mùa màng và thảm thực vật

- Áp dụng kỹ thuật viễn thám trong phát hiện, xác định và lập bản đồ các yếu tố trên bề mặt và gần bề mặt trái đất

- Phương pháp giải đoán định tính cung cấp thông tin và mô tả các đặc tính của địa hình

- Phương pháp giải đoán định lượng bao gồm các phương pháp trắc địa

cơ bản trên ảnh áp dụng các yếu tố đường nét, đo diện tích…

- Thành lập bản đồ địa chất; bản đồ phân bố khoáng sản; bản đồ phân bố nước ngầm; bản đồ địa mạo

 Lĩnh vực nông-lâm nghiệp

- Phân loại cây trồng, quản lý đánh giá năng suất thu hoạch

- Thành lập bản đồ thích nghi đất cho từng loại cây trồng

- Thành lập bản đồ sử dụng đất

- Sử dụng phối hợp ảnh vệ tinh quang học và ảnh radar để thành lập bản

đồ loại cây trồng và để xác định vị trí và diện tích khu vực cây trồng

- Xác định vùng thiệt hại do sâu bệnh và thiên tai

- Sử dụng chỉ số NDVI trong việc giám sát lớp phủ thực vật

 Lĩnh vực quản lý đất đai

- Xác định vùng quy họach và việc phân bố sử dụng đất

- Thành lập bản đồ địa chính phục vụ trong công tác quản lý

- Bản đồ hiện trạng đất giúp phân loại các loại đất và cải tạo đất phục vụ cho nhu cầu sử dụng

- Xác định biến động sử dụng đất

1.1.2 Khái quát về GIS

1.1.2.1 Khái niệm

Theo ESRI, tập đoàn nghiên cứu và phát triển các phần mềm GIS nổi

tiếng, Hệ thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) là một tập

hợp có tổ chức, bao gồm hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa

lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích, và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý

1.1.2.2 Các thành phần GIS

- hần cứng: bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi

- hần mềm: là bộ não của hệ thống, phần mềm GIS rất đa dạng và có

thể chia làm 3 nhóm (nhóm phần mềm quản đồ họa, nhóm phần mềm quản trị bản đồ và nhóm phần mềm quản trị, phân tích không gian)

- Dữ liệu: bao gồm dữ liệu không gian (dữ liệu bản đồ) và dữ liệu thuộc

tính (dữ liệu phi không gian) Dữ liệu không gian miêu tả vị trí địa lý của đối tượng trên bề mặt Trái đất Dữ liệu thuộc tính miêu tả các thông tin liên quan đến đối tượng, các thông tin này có thể được định lượng hay định tính

- hương pháp: một phần quan trọng để đảm bảo sự hoạt động liên tục

và có hiệu quả của hệ thống phục vụ cho mục đích của người sử dụng

- Con người: Trong GIS, thành phần con người là thành phần quan trọng

nhất bởi con người tham gia vào mọi hoạt động của hệ thống GIS (từ việc xây dựng cơ sở dữ liệu, việc tìm kiếm, phân tích dữ liệu …) Có 2 nhóm người quan trọng là người sử dụng và người quản lý GIS

1.1.2.4 Ứng dụng của GIS trong quản lý tài nguy n và môi trường

Các ứng dụng GIS được liên tục phát triển trong lĩnh vực quản lý và bảo

vệ môi trường Từ chương trình kiểm kê nguồn tài nguyên thiên nhiên của Canada trong những năm 1960, đến các chương trình GIS cấp bang của Mỹ bắt

đầu vào cuối những năm 1970, đến mô hình hoá quản lý các sự cố môi trường hiện đang được phát triển, công nghệ GIS đã cung cấp các phương tiện để quản

lý và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường ngày càng hữu hiệu hơn

 Ứng dụng của GIS trong thành lập mô hình số độ cao

 Ứng dụng của GIS trong đánh giá xói mòn đất

- Xây dựng các dữ liệu đầu vào cho tính toán mô hình xói mòn đất

- Sử dụng các công cụ phân tích không gian và các công cụ xây dựng mô hình tính toán tự động các tham số tham gia vào mô hình xói mòn

- Xây dựng các mô hình, giải quyết các kịch bản đánh giá xói mòn đất, biến đổi sử dụng đất liên quan đến xói mòn, đánh giá ô nhiễm nguồn nước do xói mòn Nhìn chung công nghệ GIS có khả năng hỗ trợ rất hiệu quả cho đánh giá xói mòn đất từ cung cấp dữ liệu đầu vào đến phân tích các nhân tố và tính toán mô hình tổng hợp

 Ứng dụng GIS trong đánh giá tác động môi trường

- Xác định các tác động k gian của các tác nhân gây hại liên quan đến thực thể

- Xác định vị trí để thiết lập 1 nhân tố hoặc 1 CSHT nào đó

- Xác định đường đi ngắn nhất cho quá trình thải chất thải lỏng dọc kênh dẫn nước

- Chồng xếp bản đồ lên bản đồ thực thể và đánh giá tác động

- Giám sát và dự báo sự cố môi trường

 Ứng dụng GIS trong quy hoạch môi trường

- Quy hoạch môi trường là sự vạch định, quy định sắp xếp bố trí các đối tượng mt theo không gian lãnh thổ hoặc theo không gian vật thể môi trường, nhằm đảm bảo môi trường sống tốt đẹp cho con người và bảo vệ môi trường bền vững trong sự thống nhất với hệ phát triển bền lâu của KT-XH theo các định hướng; mục tiêu và time của kế hoạch, phù hợp với trình độ phát triển nhất định

1.1.3 Giới thiệu về vệ tinh Landsat

Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia (NASA) được sự

hỗ trợ của Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên trái đất ERTS (ERTS - Earth Resources Technology Satellite: Vệ tinh kỹ thuật thăm dò tài nguyên trái đất) Vệ tinh ERTS-1 được phóng vào ngày 23/6/1972 Sau đó NASA đổi tên chương trình ERTS thành Landsat, ERTS -1 được đổi tên thành Landsat 1 Vệ tinh Landsat bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng Cho đến nay, NASA đã phóng được 8 vệ tinh trong hệ thống Landsat (bảng 1.2)

- Landsat MSS ( Landsat Multispectral Scanner)

Bộ cảm này được đặt trên các vệ tinh Landsat từ 1 đến 3 ở độ cao so với mặt đất là 919km và Landsat 4, 5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày Các

bộ cảm MSS là những hệ thống máy quang học mà trong đó các yếu tố tách sóng riêng biệt được quét qua bề mặt Trái đất theo hướng vuông góc với hướng bay MSS có 4 bộ lọc và tách sóng trong khi TM có 7 bộ Landsat MSS có độ

phân giải là 79m x79m, và gồm 4 kênh 1, 2, 3 và 4, trong đó kênh 1 và kênh 2 nằm trong vùng nhìn thấy còn kênh 3 và kênh 4 nằm trong vùng cận hồng ngoại

- Landsat TM, ETM (Landsat Thematic Mapper) Từ năm 1982 vệ tinh Landsat

4 được phóng và mang thêm bộ cảm chuyên dùng để thành lập bản đồ chuyên đề gọi là 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 (Enhanced Thematic Mapper) Hệ thống này là một bộ cảm quang học ghi lại năng lượng trong vùng nhìn thấy: hồng ngoại phản xạ, trung hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt của quang phổ Nó thu thập những ảnh đa phổ mà có độ phân giải không gian, phân giải phổ, chu kỳ và sự phản xạ cao hơn Landsat MSS Landsat TM, ETM có độ phân giải không gian là 30x30 m cho 6 kênh (1, 2, 3, 4, 5, 7) và kênh 6 hồng ngoại nhiệt có độ phân giải không gian là 120x120 m 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 1-6 Vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat

TM, ETM bay ở độ cao 705 km, mỗi cảnh TM có độ phủ là 185x170 (km), chu kỳ lặp là 16 ngày Có thể nói TM, ETM là bộ cảm quan trọng nhất trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường

Bảng 1.3 Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat 7 và LDCM (Landsat 8)

(micrometers)

Độ phân giải (meters)

Band 11 - Thermal Infrared

Vệ tinh LDCM (Landsat Data Continuity Mission)

LDCM là vệ tinh Landsat thứ 8 và sẽ kéo dài trên 40 năm quan sát Trái đất, cung cấp những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, sức khỏe con người và môi trường, quy hoạch

đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực nông nghiệp Dữ liệu thu nhận được sẽ được phân phối miễn phí đến người sử dụng

Theo ông Jim Irons, nhà khoa học thuộc dự án LDCM: ―LDCM sẽ là vệ tinh Landsat tốt nhất về chất lượng và số lượng dữ liệu thu nhận được Cả OLI

và TIRs đều sử dụng những công nghệ tiên tiến mà sẽ mang lại những quan sát nhạy cảm hơn với những biến đổi cảnh quan và thay đổi trên bề mặt Trái đất theo thời gian‖ Sau khi khởi động và giai đoạn kiểm tra ban đầu, USGS sẽ kiểm soát hoạt động của vệ tinh, và LDCM sẽ được đổi tên thành Landsat 8

LDCM mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor) Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat trước

So với Landsat 7, LDCM có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại (16 ngày) Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat

7, bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sát mây ti và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển cũng như sol khí Bộ cảm TIRs thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tiêu thụ nước, đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền tây nước Mỹ

1.2 Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong quản lý tài nguyên

 Trên thế giới

Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của phương pháp chụp ảnh và thu nhận thông tin các đối tượng trên mặt đất được các chuyên gia quan tâm Từ năm 1858 người ta đã bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh

nhằm mục đích thành lập bản đồ địa hình và những bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đã được Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocelli, Italia

Cuộc chiến tranh thế giới lần thứ I (1914-1918) đã thúc đẩy việc chế tạo thiết bị và đào tạo nguồn nhân lực phục vụ công tác thu thập, xử lý và giải đoán ảnh hàng không, từ đố đã mở ra giai đoạn mới trong việc ứng dụng ảnh vào mục đích dân sự Đến giữa những năm 1930, người ta đã có thể chụp ảnh màu

và thực hiện các nghiên cứu nhằm tạo ra nhiều lớp cảm quang xạ gần với bức xạ hông ngoại Những thành tựu đạt được trong giai đoạn này đã góp phần quan trọng vào việc ứng dụng ảnh hàng không trong quy hoạch môi trường và giám sát phát triển kinh tế nông thôn

Trong chiến tranh thế giới thứ II (1939-1945), việc sử dụng phổ điện từ

đã được mở rộng và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực phi quân sự Ảnh hàng không và kỹ thuật viễn thám bắt đầu được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia thời hậu chiến, nhằm phục vụ hiệu quả cho việc phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng

Bức ảnh đầu tiên chụp về trái đất được cung cấp từ tàu Explorer 6 vào năm 1959 Tiếp theo là chương trình vụ trụ Mercury (1960), cho ra các bức ảnh chụp từ quỹ đạo Trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm được chụp từ một máy tự động

Nghiên cứu ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được NASA tiến hành vào đầu những năm 1960 Sau đó, những thành công trong việc tạo ra các bộ cảm biến có độ phân giải cao đặt trên vệ tỉnh nhân tạo đã cung cấp thông tin hữu ích cho việc nghiên cứu lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương, khiến cho việc nghiên cứu trở nên vô cùng thuận lợi và hiệu quả

Tháng 4 năm 1960, vệ tinh quan sát khí tượng đầu tiên (TIROS - 1) được phóng vào quỹ đạo Những thành tựu và kinh nghiệm đạt được đã góp phần cung cấp cơ sở cho việc phát triển vệ tỉnh quan sát tài nguyên sau này Từ năm

1972 đến nay, NASA đã phóng 7 vệ tỉnh quan sát tài nguyên (Landsat); 3 vệ

tinh đầu tiên (1972 - Landsat 1; 1975 - Landsat 2; 1978 - Landsat 3) chỉ trang bị

bộ cảm đa phổ MSS (Multispectral Scanner System) với độ phân giải 80m Năm

1982 phóng Landsat 4, vào năm 1984 Landsat 5 được đưa vào quỹ đạo; cả 2 được trang bị thêm bộ cảm mới là TM (Thematic Mapper) tạo ảnh với 7 kênh phố, có độ phân giải không gian là 30m đối với giải sóng nhìn thấy là 120m cho giải sóng hông ngoại nhiệt Landsat 6 và 7 được phóng vào năm 1993 và 1999 với bộ cảm mới ETM (Enhanced TM), vệ tinh Landsat 8 được mỹ phóng thành công vào quỹ đạo vào ngày 11-2-2013 Ngoài ra, Hoa Kỳ cũng đã phóng vệ tinh khí tượng NOAA (National Oceanic & Atmospheri Administration) là thế

hệ thứ 3 sau TIROS (1960 - 1965) và TIROS (1970 - 1976) Từ năm 1979 đến năm 1991, các vệ tinh NOAA 6, NOAA 7, … NOAA 12; năm 1992 NOAA –

I và năm 1993 NOAA – J đã cũng cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải 1, 1km

Hiện nay ảnh vệ tình có độ phân giải cao (1 ~ 4m) đang được các chuyên gia sử dụng theo hướng tích hợp với GPS (Global Positioning System) và GIS (Geographical Information System) nhằm khai thác dữ liệu không gian hiệu quả phục vụ công tác thành lập bản đồ thành phó, quy hoạch giao thông, giám sát biến động sử dụng đất, Ảnh đa phô với độ phân giải không gian cao đã góp phân quan trọng trong việc phát triển ứng dụng viễn thám trong nhiều lĩnh vực, đáp ứng đòi hỏi mức độ cung cấp thông tin chỉ tiết và chính xác

Ngoài ra, sự phát triên trong lĩnh vực nghiên cứu Trái đất băng viễn thám được đây mạnh do áp dụng tiễn bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh băng việc phát sóng dài siêu tầnn và thu tia phản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR được ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từ nguôn phát với góc xiên rất đa dạng Sóng này hết

sức nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật, được chùm tia radar phát tới, vì vậy nó được ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vực nào đó Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh radar

Trong lâm nghiệp thì Spurr S đã chia lịch sử viễn thám trong lâm nghiệp thế giới thành ba giai đoạn chính như sau:

Giai đoạn thứ nhất: Từ cuối thế kỹ 19 đến trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, đánh dấu băng sự ra đời của ảnh hàng không, kính lập thê và những thử nghiệm lẻ tẻ ban đầu về ứng dụng của chúng trong lâm nghiệp Thí dụ một

số thí nghiệm của Rodolf Kobsa và Ferdinand Wang (Áo - 1982), Hugershoff R.( Đức - 1911), Hand Dock (Áo - 1913)

Giai đoạn thứ hai: Từ chiến tranh thế giới thứ nhất đến cuối chiến tranh thế giới thứ hai Giai đoạn này đã ghi nhận thành công của một số tác giả ở một

số nước: Xây dựng bản đỏ rừng từ ảnh hàng không ở vùng Maurice thuộc Canada, bản đồ thực vật rừng ở Anh (1924), điều tra trữ lượng rừng từ ảnh hàng không ở Mỹ (1940) Thí nghiệm các phương, pháp do tán, do chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff, Tuy nhiên, giai đoạn này vẫn chưa xây dựng hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đoán đọc ảnh hàng không

Giai đoạn thứ ba: Từ chiến tranh thế giới thứ hai đến nay, cùng với sự phát triển về khoa học kỹ thuật, việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám ngày càng phát triển rộng rãi ở nhiều nước Kỹ thuật viễn thám phát triển theo chiều hướng ngày càng phong phú, tỉnh vi, chính xác và cập nhật hơn với chương trình

―Interkosmos‖ và vệ tỉnh ―Landsat‖ Song song với hai hệ thống trên là hệ thống trạm thu và xử lý thông tin ở nhiều nước trên thế giới như: Canada, BrazIl, Ấn

Độ, Thái Lan, Trung Quốc, Gần đây, các hệ thống vệ tinh SPOT, ADEOS, TERRA, ra đời và cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin thì các phương pháp xử lý ảnh viễn thám băng phần mềm đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới nghiên

cứu như: Mỹ, Nhật, Pháp, Nga, Từ đó, ảnh viễn thám đã được ứng dụng ngày một rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Môi trường, Địa chất

 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam có thể tóm tắt theo đánh giá được nêu trong bản dự thảo kế hoạch tổng thể về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam giai đoạn 2001 - 2010 như sau:

Năm 1979 - 1980, các cơ quan của nước ta bắt đầu tiếp cận công nghệ viễn thám Trong 10 năm tiếp theo (1980 - 1990), đã triển khai các nghiên cứu - thửnghiệm nhăm xác định khả năng và phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám

để giải quyết các nhiệm vụ của mình Từ những năm 1990 - 1995, bên cạnh việc mở rộng công tác nghiên cứu - thử nghiệm, nhiều ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào sử dụng trong thực tiễn và đến nay đã thu được một số kết quả rõ rệt về khoa học công nghệ và kinh tế Trong các ứng dụng thực tế, ngoài ảnh vệ tỉnh khí tượng NOAA và GMS, các cơ quan đã sử dụng nhiều ảnh vệ tỉnh quang học như LANDSAT, SPOT, KFA-1000, ADEOS, còn ảnh vệ tinh radar như RADASAT, ERT mới được ứng dụng thử nghiệm trong những năm gần đây Riêng ảnh vệ tỉnh độ phân giải cao (1 - 2m) hầu như chưa được sử dụng phổ biến Cùng với việc ứng dụng công nghệ viễn thám, công tác nghiên cứu triển khai phát triển phần mềm, chế tạo thiết bị cũng như xây dựng quy trình xử

lý và sử dụng ảnh vệ tinh đã được tiễn hành ở một số cơ quan

Trong ngành Lâm nghiệp Việt Nam, viễn thám được ứng dụng rất sớm: Năm 1258, Việt Nam hợp tác cùng Đức sử dụng ảnh máy bay đen trắng toàn sắc tỷ lệ 1/30.000 để điều tra rừng ở vùng Đông Bắc Cuối năm 1958, bình quân mỗi năm đã điều tra được khoảng 200.000 ha rừng, đã sơ thám được tình hình rùng và đất đồi núi, lập được thống kê tài nguyên rừng đơn giản và vẽ được phân bố tài nguyên rừng ở miền Bắc Năm 1959, Việt Nam sử dụng ảnh máy bay vào điều tra rừng và xác định được tổng diện tích rừng ở miền Nam là

8 triệu ha Năm 1968 Việt Nam sử dụng ảnh máy bay khoanh ra các loại rừng,

sau đó ra thực địa kiểm tra và đo đếm cho từng loại rừng, xây dựng bản đô hiện trạng rừng thành quả trong công tác điều tra rừng cho lâm trường Hữu Lũng tỉnh Lạng Sơn Từ năm 1970 - 1975 Việt Nam đã sử dụng rộng rãi ảnh máy bay đê xây dựng các bản đồ hiện trạng, bản đồ mạng lưới vận xuất, vận chuyên cho nhiều vùng thuộc miền Bắc

Ảnh vệ tinh Landsat được ứng dụng rộng rãi trong các chương trình điều tra, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng:

Lần đầu tiên trong lịch sử Viện điều tra quy hoạch rừng đã tiến hành điều tra, đánh giá tài nguyên rừng trên phạm vi toàn quốc với mục tiêu cung cấp số liệu, thông tin cho Nhà nước xây dựng chính sách và chiến lược lâm nghiệp và phát triển kinh tế - xã hội giai đoạn 1983 - 1290 dưới sự giúp đỡ của tổ chức Nông nghiệp và lương thực liên hợp quốc (FAO) từ năm 1981 — 1993 Loại ảnh vệ tinh được sử dụng là ảnh landsat MSS và thành quả đạt được là toàn bộ diện tích, trữ lượng các loại rừng theo từng tỉnh và trên phạm vị toàn quốc

Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm 1991 - 1995 thực hiện theo Quyết định số 575/TTg do Phó Thủ tướng Chính phủ Phan Văn Khải ký ngày 27/11/1993 Trong trương chình này bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng được xây dựng dựa trên những bản đồ hiện trạng rừng hiện có thời kỳ trước năm 1990, sau đó dùng ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM có độ phân giải là 30 x 30m để cập nhật những khu vực thay đôi sử dụng đất, những nơi mất rừng hoặc những nơi có rừng trồng mới hay mới tái sinh phục hồi Ảnh vệ tỉnh Landsat MSS và Landsat TM ở dạng in màu trên giấy (hardcopy), tỷ lệ 1:250.000 và được giải đoán khoanh vẽ trực tiếp trên ảnh bằng mắt thường Kết quả giải đoán được chuyển họa lên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 và được kiểm tra tại hiện trường Thành quả đạt được của chương trình là số liệu về tài nguyên rừng toàn quốc, các vùng và các tỉnh, bản

đồ sinh thái thảm thực vật rừng các vùng tỷ lệ 1/250.000; bản đồ dạng đất đai các tỉnh tỷ lệ 1: 100.000 và các vùng tỷ lệ 1:250.000

Trong chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biên tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm giai đoạn 2000 - 2005 phương pháp xây dựng bản đỗ trong chu kỳ III đã được phát triển lên một bước Bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng từ ảnh số vệ tinh Landsat ETM+ Chất lượng của ảnh lần này vẫn tương tự như ảnh sử dụng trong chu kỳ I Độ phân giải là 30m x 30m Ảnh không được in ra dưới dạng giấy in (hardcopy) mà để nguyên ở dạng số, lưu trữ trong đĩa CD Viện Điều tra quy hoạch rừng đã ứng dụng công nghệ giải đoán ảnh số với sự trợ giúp của phần mềm chuyên dụng Erdas imagine 8.5 Việc giải đoán ảnh được thực hiện trong phòng dựa trên những mẫu khóa ảnh đã được kiểm tra ngoài hiện trường ưu điểm của phương pháp giải đoán ảnh sô là tiết kiệm được thời gian và có thể giải đoán thử nhiều lần trước khi lấy kết quả chính thức Thành quả đạt được của chương trình này cũng tương tự như các chương trình trước

Ngoài việc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành điều tra, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng; ảnh landsat còn được sử dụng trong nhiều chương trình ứng dụng viễn thám khác như:

Luận án tiến sĩ chuyên ngành khoa học địa lý với đề tài ―Ứng dụng phương pháp viễn thám để thành lập bản đồ thảm thực vật tỉnh Thanh Hoá, tỷ lệ 1/200.000‖ của Trần Văn Thuy (1996) Tác giả sử dụng phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt trên ảnh tổ hợp màu của tư liệu vệ tinh Landsat TM, KFA-1000, Landsat MSS, KT-200 và ảnh máy bay đen trắng để thành lập bản đồ thảm thực vật tỉnh Thanh Hoá

Đề tài cấp nhà nước KC.08.24 ―Nghiên cứu giải pháp phòng chống và khắc phục hậu quả cháy rừng cho vùng U minh và Tây Nguyên‖ do Vương Văn Quỳnh - Trường Đại học Lâm nghiệp làm chủ nhiệm, thực hiện trong 2 nắm

2004 - 2006 Đề tài đã xây dựng phần mềm tự động phát hiện cháy rừng từ ảnh

vệ tỉnh Landsat ETM+ và MODIS Phần mềm được xây dựng trên cơ sở tô hợp các kênh đa phô kết hợp với dữ liệu GIS để phát hiện các điểm cháy rừng trên toàn lãnh thổ Việt Nam