Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại xã vân hòa huyện ba vì thành phố hà nội

Công nghệ viễn thám ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, lĩnh vực từ khí tượng, thủy văn, địa chất, môi trường cho đến nông – lâm – ngư nghiệp, trong đ c ứng dụng ảnh viễn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong khóa luận là sản phẩm nghiên cứu, tìm hiểu của riêng cá nhân tôi.Trong toàn bộ nội dung của khóa luận, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày 21 tháng 4 năm2017

Người cam đoan Kim Văn Phúc

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Quang Bảo thầy đã trưc tiếp hướng dẫn chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi hoàn thành tốt nhất bài khóa luận này

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới phòng ứng dụng viễn thám và quản lý tài nguyên trường đại học lâm nghiệp Việt Nam , cảm ơn các thầy cô thuộc khoa Quản Lý tài Nguyên Rừng & Môi trường đã tiếp thêm kiến thức và hết lòng giảng dạy tạo điều kiện cho tôi có vốn kiên thức ban đầu để có thể thực hiện đề tài

Tôi cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ của cán bộ UBND xã Vân Hòa, huyện Ba

Vì, thành phố Hà Nội, phòng Tài nguyên môi trường huyện Ba Vì, thành phố

Hà Nôi đã nhiệt tình cung cấp thông tin giúp tôi hoàn thành kh a luận này

Cuối cùng tôi xin cảm ơn sự động viên, khích lệ của gia đình và bạn bè trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận

Trong quá trình hoàn thành luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong thầy cô và các bạn g p ý để bài viết được hoàn thiện hơn!

Hà Nội, ngày 21 tháng 4 năm 2017

Sinh Viên

Kim Văn Phúc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1 Tổng Quan Về Viễn Thám Và Gis 2

1.1 Khái quát về viễn thám 2

1.1.1 Định nghĩa 2

1.1.2.Lịch sử phát triển 3

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám 4

1.2 Khái quát về GIS 5

1.3 Giới thiệu về vệ tinh Landsat 5

1.4 Đánh giá hiệu quả sử dụng Ảnh Vệ Tinh LandSat 8 7

1.4.1 Trên thế giới 7

1.4.2 Ở Việt Nam 9

2 Khái quát về lớp phủ và đối tượng lớp phủ 9

2.1.Khái niệm lớp phủ 9

2.2 Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên 10

2.2.1.Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật: 10

2.2.3 Khả năng phản xạ phổ của nước: 13

PHẦN 2 MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 16

2.1.1.Mục tiêu chung 16

2.1.2.Mục tiêu cụ thể 16

2.2 Đối tượng nghiên cứu 16

2.3 Nội Dung Nghiên Cứu 16

2.3.1.Nghiên cứu đánh giá hiện trạng sử dụng đất và công tác quản lý tài nguyên trong khu vực nghiên cứu 16

2.3.2 Nghiên cứu thành lập khóa giải đoán ảnh khu vực nghiên cứu 16

2.3.3 Nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất Xã Vân Hòa , Huyện Ba Vì,

TP Hà Nội 17

2.4 Phương pháp nghiên cứu 17

2.4.1.Phương pháp Kế thừa số liệu , tư liệu ảnh: 17

2.4.2.Phương pháp điều tra thực địa: 17

2.4.4.Phương pháp xây dựngbản đồ lớp phủ 18

Phần III ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN – DÂN CƯ- KINH TẾ -XÃ HỘI 24

3.1 Điều Kiện Tự Nhiên 24

3.2.Đặc Điểm Dân Cư 26

3.3.Kinh Tế Xã Hội- Văn H a 26

PHẦN IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 30

4.1 Hiện trạng quản lý sử dụng đất và công tác quản lý tài nguyên tại Xã Vân Hòa , Huyện Ba Vì, TP Hà Nội 30

4.1.1 Hiện trạng quản lý sử dụng đất khu vực nghiên cứu 30

4.1.2 Tình hình quản lý tài nguyên khu vực nghiên cứu 31

4.1.3 Chính sách liên quan tới hoạt động quản lý tài nguyên 32

4.2 Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất xã Vân Hòa 34

4.2.1 Kết quả điều tra thực địa 34

4.2.2 Khóa giải đoán ảnh vệ tinh 35

4.2.3 Bản đồ lớp phủ mặt đất 37

4.3 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng ảnh Landsat 8 44

CHƯƠNG V KẾT LUẬN, TỒN TẠI, KIẾN NGHỊ 50

5.1 Kết Luận 50

5.2 Tồn tại 50

5.3 Kiến Nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

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

RS (Remote Sensing): Viễn thám

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index): Chỉ số khác biệt thực vật NIR: Kênh cận hồng ngoại của ảnh vệ tinh

RED: Kênh đỏ của ảnh

UBND: Ủy ban nhân dân

NASA : Tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia

DANH MỤC CÁC BẢNG

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

Bảng 1.2 Số vệ tinh NASA đã ph ng 6

Bảng 1.3: Đặc trưng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 (LDCM) 8

Bảng 1.4 Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào bước sóng 15

Bảng 2.1 mẫu phiếu điều tra ngoại nghiệp 17

Bảng 4.1.bảng thống kê số điểm mẫu điều tra 34

Bảng 4.2 Bộ khóa giải đoán ảnh các đối tượng lớp phủ 36

Bảng4.3 : chỉ số thực vật NDVI phân bố trên ảnh landsat 8 38

Bảng 4.4 : thống kê diện tích các đối tượng trên bản đồ Lớp Phủ mặt Đất xã Vân Hòa 40

Bảng 4.5: Kết quả thống kê diện tích đối tượng ngoài thực địa 41

Bảng 4.6: So sánh độ chính xác diện tích đất trên bản đồ với thực tế điều tra 42

Bảng 4.7 Ma trận sai số 43

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám 4

Hình 1.2 Thành phần cơ bản của GIS 5

Hình 1.3 Vệ tinh Landsat 8 6

Hình 1.4 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 11

Hình 1.5 Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm 12

Hình 1.6 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước 13

Hình 1.7 Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước 14

Hình 2.1 ảnh Landsat 8 được sử dụng 18

Hình 2.2 Mô phỏng quá trình xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất 23

Hình 3.1: Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu 24

Hình 4.1 Hiện trạng sử dụng đất xã Vân Hòa năm 2011 30

Hình 4.2 Sơ đồ vị trí các điểm điều tra thực tế 34

Hình 4.4 Bản đồ chỉ số thực vật NDVI 37

Hình4.5: Biểu đồ phần trăm diện tích của các đối tượng lớp phủ trên bản đồ 40

Hình 4.6: Biểu đồ phần trăm các đối tượng ngoài thực địa 41

Hình 4.7: Biểu đồ so sánh diện tích trên bản đồ với số liệu thực tế 43

ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học không gian vũ trụ

đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới Công nghệ viễn thám ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, lĩnh vực từ khí tượng, thủy văn, địa chất, môi trường cho đến nông – lâm – ngư nghiệp, trong đ c ứng dụng ảnh viễn thám để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất với độ chính xác khá cao, từ đ

có thể giúp các nhà quản lý có thêm nguồn tư liệu để giám sát biến động sử dụng đất, quan sát sự thay đổi của thực vật trên bề mặt Bản đồ lớp phủ mặt đất là tài liệu quan trọng và cần thiết cho công tác quản lý nhà nước về đất,theo dõi diễn biến thực vật độ che phủ thảm thực vật, cần thiết cho việc quản lý, định hướng phát triển kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng Việc lập bản đồlớp phủ mặt đất đã được các nhà nghiên cứu thành lập dựa trên các tư liệu ảnh vệ tinh khác nhau, đòi hỏi sự đầu tư lớn về thời gian, nhân lực, và kinh phí trong công tác thu thập, tổng hợp số liệu và đo vẽ bản đồ, thông tin trên bản đồ còn lạc hậu và tính chính xác chưa cao Trong khi đ , việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất bằng phương pháp giải đoán ảnh viễn thám(landsat 8) kết hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) được xem là

có hiệu quả cao trong xử lý thông tin, giám sát quá trình thay đổi, giúp cập nhật thông tin và đánh giá biến động thực phủ mặt đất Với những ưu điểm như: chi phí

rẻ, khả năng cập nhập thông tin dễ dàng, nhanh chóng, chính xác, diện tích vùng phủ rộng, tính chất đa thời kỳ của tư liệu, tính chất phong phú của thông tin đa phổ,

có thể chụp ảnh những khu vực mà việc đi lại rất kh khăn như đầm lầy, núi cao, hải đảo,… sự kết hợp của thông tin viễn thám với công nghệ GIS áp dụng được đối với nhiều khu vực mà phương pháp truyền thống không thể thực hiện được Trước yêu cầu đòi hỏi phải cập nhật thông tin một cách đầy đủ, nhanh chóng và chính xác nhất về các loại lớp phủ thực vật trên mặt đất, việc sử dụng tư liệu viễn thám(ảnh Landsat 8) kết hợp với công nghệ GIS để xử lý ảnh và thành lập bản đồ đã trở thành một phương pháp c ý nghĩa thực tiễn và mang tính khoa học cao Xuất phát

từ thực tiễn đ người viết thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh

Landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại xã Vân Hòa, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội” nhằm góp phần nâng cao những hiểu biết về công nghệ viễn

thám và GIS trong việc thành lập bản đồ lớp phủ đồng thời phục vụ công tác quản

lý giám sát tài nguyên

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1 Tổng Quan Về Viễn Thám Và Gis

1.1 Khái quát về viễn thám

1.1.1 Định nghĩa

Viễn thám (Remote sensing) 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 bằng nghiên cứu

Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, các phương tiện Những phương pháp này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng 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’’ Dưới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của nhiều tác giả khác nhau

+ Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đ (Ficher và nnk, 1976)

+ Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976)

+ Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo

từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với n Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978)

+ Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của trái đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất ( Janes B Capbell, 1966)

+ Viễn thám là “ khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương

tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc các hiện tượng khi khảo sát”, ( Lillesand

và Kiefer, 1986)

Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng ( Floy Sabin 1987) Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện từ và trọng lực vì những quan trắc đ thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trường lực nhiều hơn là đo các bức xạ điện từ

Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 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 ph ng tàu vũ trụ c người lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ

Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số

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

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám

Hình 1.1 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám

Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lý 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 s ng 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 s ng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tưọng và cơ chế tương tác giữa

s ng điện từ với khí quyển sẽ c tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được Khí quyển c đặc điểm quan trọng đ là tưong tác khác nhau đối với bức xạ điện từ c bước s ng 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 s ng 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 lưọng s ng điện từ trong quá trình lan truyền

Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa s ng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1-2 thể hiện đặc điểm cuả dải phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám

1.2 Khái quát về GIS

Hệ thông tin địa lý (Geographical Information System gọi tắt là GIS) là một hệ thống phần mềm, phần cứng máy tính, dữ liệu và con người để thực hiện, phân tích và biểu diễn thông tin bị ràng buộc bởi vị trí không gian

+ Vị trí không gian: Thông thường là vị trí các yếu tố địa lý

+ Thông tin: Sự phân tích dữ liệu trực quan

+ Hệ thống: Sự liên kết phần mềm, phần cứng, dữ liệu

+ Con người: Sự tư duy của con người là chìa kh a để tạo nên sức mạnh của GIS

GIS là sự thống nhất của năm thành phần cơ bản như hình 1.18 sau:

Hình 1.2 Thành phần cơ bản của GIS

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 đ 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 ph ng được 7 vệ tinh trong hệ thống Landsat (bảng 1.3)

Landsat 6 05/3/1993 Bị hỏng ngay khi phóng ETM

Landsat 8 11/02/2013 Đang hoạt động OLI và TIRs

Tư liệu vệ tinh Landsat là tư liệu viễn thám đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và Việt Nam

Hình 1.3 Vệ tinh Landsat 8

Nguồn (hien.html)

http://ledaingoc.blogspot.com/2014/10/anh-ve-tinh-landsat-8-phuc-vu-Qũy đạo của vệ tinh LANDSAT

+ Độ cao bay: 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo là 98

+ Qũy đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp

+ Thời điểm bay qua xích đạo: 9h39’ sáng

hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực nông nghiệp

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 thế hệ trước Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh s ng ngắn và 2 kênh nhiệt s ng dài xem chi tiết ở Bảng 1 Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt Trái Đất theo mùa ở độ phân giải không gian 30 mét (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, và hồng ngoại s ng ngắn); 100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc Dải quét của LDCM giới hạn trong khoảng 185 km x 180 km Độ cao vệ tinh đạt 705 km so với bề mặt trái đất Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, Kênh 1 dùng để quan trắc biến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh 9 dùng để phát hiện các mật độ dày, mỏng của đám mây ti (c ý nghĩa đối với khí tượng học), trong khi đ bộ cảm TIRS sẽ thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt s ng dài (kênh 10 và 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, nhiệt độ bề mặt

Bộ cảm OLI và TIRS đã được thiết kế cải tiến để giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), cho phép lượng tử h a dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh tăng lên so với phiên bản trước [1]

Bảng 1.3: Đặc trưng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8

(LDCM)

(micrometers)

Độ phân giải (meters)

1.4.2 Ở Việt Nam

Từ khi được ph ng lên năm 2013 Landsat 8 được biết đến như là công cụ ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thăm dò địa chất , theo dõi quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường đánh giá biến động thực vật, đất đai, rừng ngập mặn , x i mòn đồi núi , ven biển Hiện nay việc sử dụng tư liệu ảnh landsat 8 thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất đã được áp dụng trên nhiều khu vực khác nhau nhưng chưa được áp dụng tại Huyện Ba Vì , TP Hà Nội nhằm giải quyết các vấn đề về xây dựng bản đồ lớp phủ và nâng cao kỹ năng xử lý thông tin ảnh c độ phân giải cao

2 Khái quát về lớp phủ và đối tượng lớp phủ

2.1.Khái niệm lớp phủ

Nhìn chung các khái niệm về lớp phủ, sử dụng đất, biến động lớp phủ có sự giao thoa và cũng c những điểm khác nhau Tuy nhiên, trong khuôn khổ của đồ

án, các thuật ngữ này được hiểu như sau:

Lớp phủ đất (land cover) là bề mặt vật lý của trái đất (thực vật, đất trống, mặt nước, các công trình xây dựng…) c thể quan sát được bằng mắt hoặc trên

tư liệu ảnh viễn thám Sử dụng đất (land use) chỉ đất được con người sử dụng như thế nào (đất giao thông, đất ở, đất nông nghiệp…), cho thấy tác động của con người lên mặt đất, là không gian chức năng tương ứng với mục đích kinh tế

xã hội của con người Lớp phủ đất là bề mặt có thể quan sát được còn sử dụng đất chỉ không gian chức năng không phải lúc nào cũng c thể quan sát được Tuy nhiên lớp phủ mặt đất và sử dụng đất có liên quan với nhau, căn cứ vào lớp phủ mặt đất có thể đoán được loại hình sử dụng đất và ngược lại

Biến động lớp phủ (land cover change) chỉ sự thay đổi của lớp phủ bao gồm hai loại chủ yếu: biến đổi về loại lớp phủ (land cover conversion) và biến đổi bên trong bản thân một loại lớp phủ (land cover modification) Land cover conversion là sự thay thế toàn bộ lớp phủ này bằng loại lớp phủ khác như nông nghiệp chuyển thành đô thị, đất trống chuyển thành rừng Đây là những biến đổi lớn rất dễ dàng nhận biết Ngược lại, Land cover modification là loại biến đổi tinh tế, khó nhận biết hơn, chỉ làm thay đổi về tính chất mà không thay đổi về

loại lớp phủ, ví dụ như sự thay đổi về sinh khối, mật độ cây, tán rừng, sự phát triển của cây lúa ở các thời kỳ khác nhau

2.2 Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

2.2.1.Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật:

Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào chiều dài bước s ng và giai đoạn sinh trưởng, phát triển của thực vật Các trạng thái lớp phủ thực vậtkhác nhau sẽ c đặc trưng phản xạ phổ khác nhau Đặc điểm chung phản xạ phổcủa các trạng thái thực vật là phản xạ mạnh ở vùng s ng hồng ngoại gần (λ>0.72µm) và hấp thụ mạnh ở vùng s ng đỏ (0.68 µm < λ<0.72 µm)

Bức xạ mặt trời (EI) khi tới bề mặt lá cây thì một phần sẽ bị phản xạ ngay (E1) Bức xạ ở vùng s ng lục khi gặp diệp lục trong cây sẽ bị phản xạ lại (EG).Bức xạ ở vùng s ng hồng ngoại cũng bị phản xạ mạnh khi gặp diệp lục trong lá cây (EIR) Như vậy, năng lượng phản xạ từ thực vật là:

ER = E1 + EG + EIR

Trong đ thành phần năng lượng (EG + EIR) chứa đựng các thông tin quan trọng về bản chất và trạng thái của thực vật

Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật được xác định bởi các yếu tố bên trong

và bên ngoài của lá cây, thời kỳ sinh trưởng và tác động của ngoại cảnh như: hàm lượng sắc tố diệp lục, thành phần và cấu tạo mô bì, biểu bì, hình thái lá,

…tuổi cây, giai đoạn sinh trưởng phát triển, …, điều kiện sinh trưởng, vị trí địa

lý, điều kiện chiếu sáng, …Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của mỗi loài thực vật, mỗi trạng thái của lớp phủ thực vật là khác nhau Tuy nhiên, chúng vẫn c những điểm chung như sau:

Khả năng phản xạ phổ của thực vật c sự rõ rệt ở vùng s ng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lượng được diệp lục trong lá cây hấp thụ phục vụ cho quá trình quang hợp, một phần nhỏ truyền qua và phần còn lại bị phản xạ lại Vùng hồng ngoại gần, khả năng phản xạ phổ của thực vật là mạnh nhất

2.2.2 Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng:

Đường đặc trưng phản xạ phổ của đa số thổ nhưỡng không phức tạp như của thực vật Hình 1.4 thể hiện khả năng phản xạ phổ của ba loại đất ở trạng thái khô

Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước s ng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại Ở đây chỉ c năng lượng hấp thụ và năng lượng phản xạ, mà không c năng lượng thấu quang Tuy nhiên với các loại đất cát có thành phần cấu tạo, các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau Tùy thuộc vào thành phần hợp chất

mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ phổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu

cơ, vô cơ

Cấu trúc của đất phụ thuộc vào tỷ lệ sét, bụi, cát Sét là hạt mịn đường kính nhỏ hơn 0,002mm, bụi c đường kính 0,002mm - 0,05mm, cát c đường kính 0,05mm - 2mm Tùy thuộc tỷ lệ thành phần của ba loại đất cơ bản trên mà tạo nên các loại đất có tên khác nhau

Hình 1.4 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng

Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt cũng nhỏ vì chúng ở sít gần nhau hơn Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn Khi ẩm ướt, trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng mỏng nước, do vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ

cao hơn và do đ độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của chúng

Hình 1.5 Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm

Khi độ ẩm tăng khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị giảm (hình 1.5) Do vậy khi hạt nước rơi vào cát khô ta sẽ thấy cát bị thẫm hơn, đ là do sự chênh lệch rõ rệt giữa các đường đặc trưng 1, 2, 3 Tuy nhiên nếu cát đã ẩm mà c thêm nước cũng sẽ không thẫm màu đi mấy (do sự chênh lệch ít giữa đường 2 và đường 3) Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ trong đất Với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5 - 5,0% đất có mầu nâu xẫm Nếu hàm lượng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có mầu nâu sáng

Ô xít sắt cũng ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của đất Khả năng phản

xạ phổ tăng khi hàm lượng ô xít sắt trong đất giảm xuống, nhất là ở vùng phổ nhìn thấy (có thể làm giảm tới 40% khả năng phản xạ phổ khi hàm lượng ô xít sắt tăng lên)

Khi bỏ ô xít sắt ra khỏi đất, thì khả năng phản xạ phổ của đất tăng lên rõ rệt

ở dải sóng từ 0,5μ - 1,1μ nhưng với bước sóng lớn hơn 1,0μ hầu như không c tác dụng

Như trên đã n i c nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất, tuy nhiên chúng có liên quan chặt chẽ với nhau Cấu trúc, độ ẩm, độ mịn bề

xạ và bức xạ phổ có thể sử dụng để ghi nhận thông tin hữu ích về đất còn hình ảnh ở hai vùng phổ này là dấu hiệu để đoán đọc điều vẽ các đặc tính của đất Một điểm quan trọng cần lưu ý là mặc dù biên độ đồ thị khả năng phản xạ phổ của các loại đất có thể khác xa nhau nhưng nhìn chung những khác nhau này ổn định ở nhiều dải s ng khác nhau Đối với thực vật chúng ta phải nhờ khả năng phản xạ phổ phụ thuộc bước sóng (tức là đoán đọc điều vẽ ở các kênh khác nhau), nhưng với thổ nhưỡng không thể làm được như vậy, mặc dù sự khác biệt

về khả năng phản xạ phổ là quan trọng nhưng nhiều đặc tính phản xạ phổ của chúng phải đoán đọc điều vẽ ở các dải sóng nhìn thấy

2.2.3 Khả năng phản xạ phổ của nước:

Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất c trong nước Khả năng phản xạ phổ ở đây còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tính của nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết

Hình 1.6 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước

Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp mỏng nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại (hình 1.8) do vậy, năng lượng phản xạ rất ít Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụng các kênh s ng dài để chụp cho ta khả năng đoán đọc điều vẽ thủy văn, ao hồ Ở dải sóng nhìn thấy khả năng phản xạ phổ của nước tương

đối phức tạp Viết phương trình cân bằng năng lượng và nghiên cứu khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng nhìn thấy:

E(λ) = Eρ(λ) + EH(λ) + ET(λ) E(λ) = Eρ(λ) + Eα(λ) + E

Như hình 1.6 nước cất bị hấp thụ ít năng lượng ở dải sóng nhỏ hơn 0,6μ và thấu quang nhiều năng lượng ở dải sóng ngắn Nước biển, nước ngọt và nước cất

c chung đặc tính thấu quang, tuy nhiên độ thấu quang của nước đục giảm rõ rệt

và bước sóng càng dài có độ thấu quang càng lớn

Hình 1.7 Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước

Khả năng thấu quang cao và hấp thụ ít ở dải sóng nhìn thấy chứng tỏ rằng đối với lớp nước mỏng (ao, hồ nông) và trong thì hình ảnh viễn thám ghi nhận được ở dải sóng nhìn thấy là nhờ năng lượng phản xạ của chất đáy: cát, đá Tuy nhiên trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như nước cất Thông thường trong nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ vì vậy khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Các nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là những dải s ng dài Người ta xác định rằng với độ sâu tối thiểu là 30m, nồng độ tạp chất gây đục là 10mg/ lít, thì khả năng phản xạ phổ lúc đ là hàm số của thành phần nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất đáy

Bảng 1.4 Độ thấu quang của nước phụ thuộc vào bước sóng

độ đục của nước và khả năng phản xạ phổ có một mối liên hệ tuyến tính

Hàm lượng clorophin trong nước cũng là một yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ của nước Nó làm giảm khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng ngắn và tăng khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng có mầu xanh lá cây

Ngoài ra còn một số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn tới khả năng phản xạ phổ của nước, nhưng cũng c nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể hiện được rõ qua sự khác biệt của phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khí mêtan, ôxi, nitơ, cacbonic… trong nước

PHẦN 2 MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

2.1.1.Mục tiêu chung

Kết quả nghiên cứu g p phần làm cơ sở khoa học đề xuất phương pháp tạo lập bản đồ lớp phủ mặt đất , nâng cao hiệu quả sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong quản lý , giám sát tài nguyên

2.1.2.Mục tiêu cụ thể

- Đánh giá trạng sử dụng đất tại khu vực nghiên cứu Xã Vân Hòa,Huyện

Ba Vì , TP Hà Nội

- Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất Xã Vân Hòa

- Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng ảnh landsat 8 trong xây dựng bản đồ lớp phủ và quản lý tài nguyên

2.2 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng : toàn bộ lớp che phủ trên bề mặt đất thuộc khu vực nghiên cứu

2.3 Nội Dung Nghiên Cứu

2.3.1.Nghiên cứu đánh giá hiện trạng sử dụng đất và công tác quản lý tài nguyên trong khu vực nghiên cứu

- Đánh giá hiện trạng sử dụng đất của địa phương

- Đánh giá công tác quản lý tài nguyên

2.3.2 Nghiên cứu thành lập khóa giải đoán ảnh khu vực nghiên cứu

- Lựa chọn tư liệu cho kh a giải đoán ảnh

- Xây dựng kh a giải đoán ảnh

2.3.3 Nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất Xã Vân Hòa , Huyện Ba

Vì, TP Hà Nội

- Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất tại khu vực nghiên cứu

- Đánh giá độ chính xác của bản đồ so với thực tế

- Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng ảnh landsat 8

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1.Phương pháp Kế thừa số liệu , tư liệu ảnh:

Đề tài kế thừa số liệu , tư liệu ảnh vệ tinh c sẵn, số liệu diện tích chung của toàn khu vực nghiên cứu nhằm đánh giá hiện trạng khu vực nghiên cứu

2.4.2.Phương pháp điều tra thực địa:

Đề tài sử dụng phiếu điều tra thực địa nhằm đánh giá chính xác các đối tượng trong khu vực nghiên cứu để làm căn cứu đối chiếu với kết quả nghiên cứu.Tiến hành điều tra trên nhiều vị trí , tọa độ khác nhau, cho độ chính xác cao nhất

Tiến hành điều tra sơ bộ và chọn các điểm thực tế để đánh giá độ chính xác của phương pháp phân loại ảnh Sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên

để xác định các đối tượng trong khu vực nghiên cứu Vị trí các điểm khảo sát được xác đinh bằng thiết bị cầm tay GPS Dựa trên cơ sở vị trí các điểm trọa độ được lựa chọn độ chính xác của phương pháp và tư liệu ảnh viễn thám, tiến hành xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất xã Vân Hòa, huyện Ba Vì, TP Hà Nội bằng phần mềm ArcGis 10.1

Bảng 2.1 mẫu phiếu điều tra ngoại nghiệp

hiện

Người kiểm tra

2.4.4.Phương pháp xây dựngbản đồ lớp phủ

 Dữ liệu ảnh Viễn thám

Có rất nhiều nguồn dowload ảnh vệ tinh, ở đây ta dowload ở trang wed

http://earthexplorer.usgs.gov/ có chứa khu vực Xã Vân Hòa Huyện Ba Vì cần thành lập

ArctoolBox => spatial Analyst Tools=> map Algebra => Raster Caculator : DN values to TOA reflectance = Band-specific reflectance_Mult_Band x DN values + Reflectance_Add_Band các thông số đi kèm với file ảnh viễn thám

đã tải (chuyển ảnh về giá trị số)

+ Gộp band ảnh (kênh ảnh) : khi thu thập ảnh viễn thám từ vệ tinh các

ảnh nằm ở các kênh phổ khác nhau và có màu den trắng Vì vậy để phục vụ cho công tác phân loại và giải đoán ảnh chúng ta phải tieens tổ hợp các band ảnh Đây là công tác đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình xử lý ảnh viễn thám, chất lượng ảnh và thông tin của chủ thể sẽ thể hiện qua cách tổ hợp band ảnh

+ Tăng cường chất lượng ảnh: thêm các Band màu tăng cường chất lượng

ảnh (Band 8 với ảnh landsat 8)

+ Hiệu chỉnh hình học :Trước khi phân tích ảnh , giải đoán ảnh cần kiểm tra thông tin về hệ quy chiếu cùng các tham số địa lý của ảnh Ảnh vệ tinh được nắn chỉnh sẽ giảm thiểu sai số hình học và cho độ chính xác cao hơn

+ Cắt ảnh theo ranh giới khu vực nghiên cứu : Thông thường 1 ảnh

landsat có thể bao trùm 1 phần diện tích lớn trên thực địa , do khối lượng dữ liệu của nó rất lớn, tiến hành cắt ảnh theo khu vực nghiên cứu vừa giúp giảm thiểu thời gian làm việc với phần mềm vừa thuận tiện vừa giúp giải đoán một cách nhanh chóng

- Bước 2 : Phân tích và xử lý ảnh

Sử dụng các phương pháp :

+ Phân loại không kiểm định (Unsupervised classsification):

Kết quả phân tích ảnh đưa ra một nh m đối tượng có thuộc tính phổ tương đồng mà qua đ c thể phân loại ảnh bằng mắt trước khi kiểm tra độ chính xác Một số thuật toán thường gặp là Iso, K-men

Trong đ đối với thuạt Iso được sử dụng để tạo ra một lượng lớn các cluster hay cụm các nh m đối tượng có phổ giống nhau Sử dụng Iso để lọc ra các mức thông tin cho mức độ chi tiết của bản đồ Để phân loại các đối tượng ta chiếu lớp/phổ tương ứng với đối tượng lấy mẫu nào thì quy về cùng đối tượng

đ cho đến khi phân loại rõ ràng từng đối tượng

+ Sử dụng chỉ số thực vật NDVI

Chỉ số chuẩn hóa thực vật khác nhau NDVI((Normalised Difference Vegetation Index) được xác định dựa trên sự phản xạ khác nhau của thực vật thể hiện giữa kênh phổ thấy được và kênh phổ hồng ngoại Dùng để biểu thị mức độ

tập trung cảu thực vật trên mặt đất Chỉ số thực vật NDVI được tính toán theo công thức:

NDVI=(Band Infared –Band Red)/(Band Infared+ Band Red)

Trong đ các chỉ só tính với ảnh Landsat như sau:

+ Band Infared : Band màu ở kênh caanh hồng ngoại

+ Band Red : Band màu ở kênh thường là kênh Đỏ

Với landsat 8 : NDVI = (Band 5-Band 4) /(Band 5 +Ban 4)

- Bước 3 giải đoán ảnh

* Giải đoán ảnh bằng mắt

Là sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh Trong việc xử lí thông tin viễn thám thì giải đoán bằng mắt ( visual Interpretation) là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể

áp dụng trong mọi điều kiên có trang thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Việc phân tích bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang học Phân tích hay giải đoán bằng mắt là sử dụng mắt thường hoặc có sự trợ giúp của các dụng cụ quang học từ đơn giản đến phức tạp như : kính lúp, kính lập thể, kính

ph ng đại, máy tổng hợp màu , nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt người Ưu điểm của nó là có thể khai thác được các tri thức chuyên môn và kinh nghiệm của con người, mặt khác có thể phân tích được các thông tin phân bố không gian Tuy nhiên tốn thời gian và kết quả thu được không đồng nhất

* ác dấu hi u giải đoán ảnh vi n thám

+ Các yếu tố giải đoán ảnh Màu sắc (color), độ đậm nhạt (tone) Độ đậm nhạt màu sắc của: -Nước biển -Nước hồ -Rừng -Đường giao thông -Mái nhà

+ Các yếu tố giải đoán ảnh Kích thước (size), hình dạng (shape) Kích thước và hình dạng của nhà khác nhau: nhà ở, sân vận động, sân tennis, bụi cây,

+ Các yếu tố giải đoán ảnh Cấu trúc (texture) Cấu trúc mịn của nước biển

và cỏ, cấu trúc thô của cây

+ Các yếu tố giải đoán ảnh Cấu trúc (texture) Cấu trúc của các loại cây khác nhau

+ Các yếu tố giải đoán ảnh Hình mẫu (pattern) Hình mẫu đều của nhà trong khu dân cư, hình mẫu không đều của cây trong công viên và dọc đường giao thông,…

+ Các yếu tố giải đoán ảnh Chiều cao (height) và bóng râm (shadow) Thông tin 3 chiều

+ Các yếu tố giải đoán ảnh Sự kết hợp các mối liên quan (associated relationship) Chiều cao, vị trí, sự kết hợp,…

- Bước 4 : Đánh giá độ chính xác sau phân loại

Để kiểm tra và đánh giá độ chính xác kết quả phân loại thì phương pháp chính xác và hiệu quả nhất là kiểm tra thực địa Mẫu kiểm tra thực địa không được trùng vị trí với mẫu đã sử dụng khi phân loại và đảm bảo phân bố đều trên khu vực nghiêncứu

Độ chính xác phân loại ảnh không những phụ thuộc vào độ chính xác các vùng mẫu mà còn phụ thuộc vào mật độ và sự phân bố các ô mẫu Độ chính xác của các mẫu giám định và của ảnh phân loại được thể hiện bằng ma trận sai số

Ma trận này thể hiện sai số nhầm lẫn sang lớp khác (được thể hiện theo hàng) và sai số do bỏ s t của lớp mẫu (được thể hiện theo cột) Do vậy để đánh giá hai nguồn sai số này c hai độ chính xác phân loại tương ứng: Độ chính xác phân loại c tính đến sai số nhầm lẫn (do sai số nhầm lẫn gây nên) và độ chính xác phân loại c tính đến sai số bỏ s t (do sai số bỏ s t gây nên)

Độ chính xác phân loại được tính bằng tổng số pixel phân loại đúng trên tổng số pixel của toàn bộmẫu

Để đánh giá tính chất của các sai s t phạm phải trong quá trình phân loại người ta dựa vào chỉ số Kappa (κ), chỉ số này nằm trong phạm vi từ 0 đến 1 và biểu thị sự giảm theo tỷ lệ về sai số được thực hiện bằng một yếu tố phân loại hoàn toàn ngẫunhiên

Chỉ số κ được tính theo công thức sau:

Trong đ :

N: Tổng số pixcel lấy mẫu

r: số lớp đối tượng phân loại

xii: Số pixel đúng trong lớp thứ 1

xi+: Tổng pixel lớp thứ của mẫu

x+i: Tổng pixel của lớp thứ i sau phân loại

ArcToolBox/ Spatial Analysis Tool/ Reclassify

Bản đồ lớp phủ có 6 lớp thông tin tương ứng với từng đối tượng khác nhau bao gôm :