Nghiên cứu sử dụng tư liệu viến thám để theo dõi mất rừng do làm nương rẫy tại huyện kim bôi tỉnh hòa bình

Lịch sử nghiên cứu trên thế giới Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua việc phân tích dữ

NGUYỄN ĐẮC TRIỂN

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM

ĐỂ THEO DÕI MẤT RỪNG DO LÀM NƯƠNG RẪY TẠI HUYỆN

KIM BÔI, TỈNH HÒA BÌNH

Chuyên ngành: Lâm học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS VƯƠNG VĂN QUỲNH

HÀ NỘI - 2009

ĐẶT VẤN ĐỀ

Lớp phủ thảm thực vật rừng giữ vai trò quan trọng trong điều tiết nguồn nước, hạn chế lũ lụt, hạn hán, xói mòn đất, và nó càng có vai trò to lớn trong các khu rừng đặc dụng là bảo tồn hệ sinh thái và các loài động thực vật quí hiếm Sự thay đổi lớp phủ thảm thực rừng do hoạt động của con người hay do các hiện tượng tự nhiên gây nên có thể làm suy thoái các hệ sinh thái cũng như loài động thực vật quí hiếm (Đặng Quốc Hưng, 2008)[14]

Trong thời đại ngày nay với sự gia tăng dân số nhanh chóng và sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm môi trường sống của con người bị biến đổi,

sự nóng lên của trái đất, lũ lụt, hạn hán, dịch bệnh gia tăng…là những minh chứng cho sự biến đổi môi trường sống Rừng với chức năng phòng hộ: điều hòa khí hậu, làm sạch môi trường, nuôi dưỡng nguồn nước, duy trì chế độ thủy văn, chống xói mòn, bảo vệ cải tạo đất,…sẽ bảo vệ, duy trì và phục hồi môi trường sống cho con người

Hiện nay trên thế giới diện tích và chất lượng rừng đang bị suy giảm nhanh chóng, đặc biệt là vùng nhiệt đới Ở các nước phát triển, quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa đã làm môi trường bị ô nhiễm đã hủy diệt nhiều diện tích rừng Ở các nước đang phát triển, với phương thức du canh, khai thác rừng quá mức đã hủy diệt nhiều diện tích rừng có giá trị cả về mặt kinh tế và sinh thái

Thế kỷ 21 là thế kỷ của khoa học công nghệ, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật giúp con người quản lý tốt hơn các nguồn tài nguyên, trong

đó có khoa học kỹ thuật viễn thám Kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực nghiên cứu của Việt Nam đã mang lại nhiều ứng dụng to lớn trong quản lý tài nguyên Trong lĩnh vực lâm nghiệp, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để thành lập các loại bản đồ hiện trạng rừng, phân loại trạng thái rừng, phân vùng trọng điểm cháy rừng, theo dõi diễn biến tài nguyên

rừng, Tuy nhiên, sử dụng các bức ảnh viễn thám có độ phân giải thấp và phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt hoặc xác định vùng mẫu thường mang lại kết quả có độ chính xác không cao

Ở Việt Nam, hoạt động phá rừng làm nương rẫy còn diễn ra ở nhiều địa phương, hoạt động này diễn ra theo mùa vụ và thường diễn ra với nhiều diện tích nhỏ nên rất khó kiểm soát Đây là một trong những nguyên nhân quan trọng của mất rừng và suy thoái rừng ở Việt Nam

Để góp phần xây dựng cơ sở cho những phương pháp theo dõi giám sát

hoạt động nương rẫy chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám để theo dõi mất rừng do làm nương rẫy tại huyện Kim Bôi, tỉnh Hòa Bình” Đây là một huyện vùng sâu, vùng xa, nơi cư trú của các đồng bào

dân tộc Mường, Thái, Dao, đời sống của nhân dân còn nhiều khó khăn, hiện tượng đốt nương làm rẫy còn xẩy ra, gây mất rừng và các vấn đề xã hội khác Nội dung chủ yếu của đề tài là nghiên cứu lựa chọn tư liệu ảnh, xây dựng bộ khoá và phương pháp phân loại ảnh thích hợp để xác định nhanh diện tích nương rẫy và sự biến động của chúng theo thời gian

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Lịch sử nghiên cứu trên thế giới

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar Sự phát triển của khoa học viễn thám được bắt đầu từ mục đích quân sự với việc nghiên cứu phim và ảnh, được chụp lúc đầu từ khinh khí cầu và sau đó là trên máy bay ở các độ cao khác nhau Ngày nay, viễn thám ngoài việc tách lọc thông tin từ ảnh máy bay, còn áp dụng các công nghệ hiện đại trong thu nhận

và xử lý thông tin ảnh số, thu được từ các bộ cảm có độ phân giải khác nhau, được đặt trên vệ tinh thuộc quỹ đạo trái đất (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

Viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như: quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp

và nhiều ngành khoa học khác Các dữ liệu viễn thám, trong đó có ảnh vệ tinh

đa phổ, siêu phổ và ảnh nhiệt được dùng trong các nghiên cứu khác nhau như:

sử dụng đất, lớp phủ mặt đất, rừng, thực vật, khí hậu khí tượng, nhiệt độ trên mặt đất và mặt biển, đặc điểm quyển khí và tầng ozon, tai biến môi trường

Dữ liệu ảnh radar được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như nghiên cứu các mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay và độ cao của sóng biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt ngoài ra, còn ứng dụng trong nghiên cứu bề mặt của các hành tinh khác

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 tư 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"(Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

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 (Theo Floy Sabin 1987) Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện từ và trọng lực vì những quan trắc đó thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trường lực nhiều hơn là đo bức xạ điện từ (Hà

Văn Hải, 2002)[10]

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 thế 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 (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh,

là các nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp

nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi (stereo) Khả năng đó giúp cho việc chỉnh

lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao Một ngành chụp ảnh, được thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu

và tàu lượn hoặc một phương tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không Các ảnh thu được từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay, được thực hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh người Ý, bằng việc thu nhận ảnh di động trên vùng gần Centoceli thuộc nước ý Sự phát triển của viễn thám được tóm tắt qua các thời kỳ và sự kiện sau (Nguyễn Xuân Đài, 2002)[5]:

Thời gian (Năm) Sự kiện

1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại

1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng

1847 Phát hiện các dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy

1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu

1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ

1909 Chụp ảnh từ máy bay

1910-1920 Giải đoán từ không trung

1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không

1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh)

1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay

1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự

12-4-1961 Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có người lái và chụp

ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ

1960-1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1

1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số

1980-1990 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat

1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo

1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và số lượng kênh phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều người hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh Những năm sau đó, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ Đồng thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới là đo đạc ảnh (photogrametry) Đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối tượng từ dữ liệu ảnh chụp Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị chính xác cao, đáp ứng cho việc phân tích không ảnh (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại Các bức ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar, đã được sử dụng rộng rãi trong quân sự (Nguyễn Xuân Đài, 2002)[5] Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho ra khả năng chiết lọc thông tin nhiều hơn, ảnh mầu, chụp bằng máy ảnh, đã được dùng trong chiến tranh thế giới thứ hai Việc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằng viễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện đại Các trung tâm nghiên cứu mặt đất được ra đời, như cơ quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remote sensing Agency), Chương trình Vũ trụ NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ

Ngoài các thống kê ở trên, có thể kể đến các chương trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959 Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu

có kích thước 70mm, được chụp từ một máy tự động Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TIR0S-1), được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng Vệ tinh khí tượng NOAA, đã hoạt động từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể

và cập nhật từng ngày (Nguyễn Xuân Đài, 2002)[5]

Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất, các hành tinh và quyển khí Các ảnh chụp nổi (stereo), thực hiện theo phương đứng và xiên, cung cấp

từ vệ tinh Gemini (1965), đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu trái đất Tiếp theo, tầu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích thước ảnh 70mm, chụp về trái đất, đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ Việc nghiên cứu trái đất đã được thực hiện trên các con tàu vũ trụ có người như Soyuz, các tàu Meteor và Cosmos (từ năm 1961) hoặc trên các trạm chào mừng Salyut Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải cao, như MSU-E (trên Meteor - priroda) Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm Ngoài ra, các ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89m Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 x 20m Tiếp theo

vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS (sau đổi tên là Landsat-1), là các vệ tinh thế

hệ mới hơn như Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5 Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và

bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB (1973) và HCMM (1978) Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đã được phổ biến với giá

rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu

vệ tinh Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tượng nổi (stereo) trong không gian ba chiều Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là trong việc phân tích các yếu tố địa hình Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite) Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của Ấn độ IRS-1A, tạo ra các ảnh vệ tinh như LISS thuộc nhiều hệ khác nhau Trong nghiên cứu môi trường và khí hậu trái đất, các ảnh vệ tinh NOAA có độ phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho phép nghiên cứu các hiện tượng khí hậu xảy ra trong quyển khí như nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dự báo bão (Hà Văn Hải, 2002)[10]

Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám được đẩy mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần

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 nguồn 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 Thời đại bùng nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật

xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả năng nghiên cứu trái đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao hơn (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

Mặc dù bức ảnh đầu tiên được chụp năm 1858 nhưng mãi đến tháng 9 năm 1887 mới có một kỹ sư Lâm nghiệp người Đức thử nghiệm đoán đọc cây rừng trên ảnh hàng không Theo GS Vũ Tiến Hinh, TS Phạm Ngọc Giao[11] thì Spurr 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 kỷ 19 đến trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, đánh dấu bằng sự ra đời của ảnh hàng không, kính lập thể và những thử nghiệm ban đầu về ứng dụng chúng trong lâm nghiệp như thí nghiệm của Rudolf Kobsa và Ferdinand Wang (Áo, 1882), Hugershoff.R (Đức-1911), Hand Dock (Áo.1913)

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

ở một số nước Xây dựng bản đồ 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 của Mỹ (1940) Thí nghiệm các phương pháp đo tán, đo chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff,…Tuy nhiên, giai đoạn này chưa xây dựng được hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đọc đoán ảnh hàng không

Giai đoạn thứ ba: Từ chiến tranh thế giới thứ hai đến nay Cùng với sự phát triển 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, tinh vi, chính xác và cập nhật hơn với chương trình “Interkosmos” và vệ tinh “Landsat” Song song với hai hệ thống trên là

hệ thống trạm thu và xử lý thông tin ở nhiều quốc gia trên thế giới như Canada, Brazin, Ấn Độ, Thái Lan, Trung Quốc, Gần đây hệ thống vệ tinh ảnh SPOT, ảnh ADEOS, ảnh TERRA, đã nâng cao hơn nữa khả năng ứng dụng của kỹ thuật viễn thám trong Lâm nghiệp

Phương pháp xử lý ảnh được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến từ những năm 1970 ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới như: Mỹ, Canada, Thụy Điển, Pháp, Nhật Bản Sau đó phổ cập nhanh chóng tại các nước trong khu vực Châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan, Indonexia, Philipin, Malaixia Xử lý ảnh số đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: lâm nghiệp, nông nghiệp, địa chất,…

1.2 Lịch sử nghiên cứu ở Việt Nam

Trong suốt thời gian dài trước năm 1945, Việt Nam không có khả năng thực hiện việc điều tra rừng Thời kỳ này chỉ có số liệu về tài nguyên rừng

được công bố trong công trình "Lâm nghiệp Đông Dương" của P Maurand và

số liệu đó thường được xem là tài liệu gốc để so sánh diễn biến rừng ở Việt Nam từ năm 1945 trở về sau Theo tài liệu và bản đồ của Maurand thì đến năm

1943, rừng Việt nam vẫn còn khoảng 14.352.000 ha, độ che phủ 43,7% Trong giai đoạn 1945-1954 không có tài liệu nào đề cập đến việc điều tra rừng mà chỉ

đi sâu phân tích các hoạt động bảo vệ rừng, khai thác tài nguyên rừng, trồng cây gây rừng và đào tạo cán bộ lâm nghiệp (Nguyễn Ngọc Bình, 2006)[2]

Năm 1958, với sự hợp tác của CHDC Đức đã sử dụng ảnh máy bay đen trắng toàn sắc tỷ lệ 1/30.000 để điều tra rừng ở vùng Đông Bắc (Chu Thị Bình, 2001)[4] Đó là một bước tiến bộ kỹ thuật rất cơ bản, tạo điều kiện xây dựng các công cụ cần thiết để nâng cao chất lượng công tác điều tra rừng ở nước ta

Từ cuối năm 1958, bình quân mỗi năm đã điều tra được khoảng 200.000 ha rừng, đã sơ thám được tình hình rừng và đất đồi núi, lập được thống kê tài nguyên rừng đơn giản và vẽ được phân bố tài nguyên rừng ở miền Bắc Đến cuối năm 1960, tổng diện tích rừng ở miền Bắc đã điều tra được vào khoảng 1,5 triệu ha Ở Miền Nam ảnh máy bay được sử dụng từ năm 1959, đã xác định tổng diện tích rừng miền Nam là 8 triệu ha

Năm 1968 đã sử dụng ảnh máy bay trong công tác điều tra rừng cho lâm trường Hữu Lũng, Lạng Sơn Dựa vào 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 đồ hiện trạng rừng thành quả

Giai đoạn 1970 – 1975 ảnh máy bay đã được sử dụng rộng rãi để xây dựng các bản đồ hiện trạng, bản đồ mạng lưới vận xuất, vận chuyển cho nhiều vùng thuộc miền Bắc (Vũ Tiến Hinh, Phạm Ngọc Giao, 1997)[11]

Từ năm 1981 đến năm 1983, lần đầu tiên ngành Lâm nghiệp tiến hành điều tra, đánh giá tài nguyên rừng trên phạm vi toàn quốc Trong đó đã kết hợp giữa điều tra mặt đất và giải đoán ảnh vệ tinh do FAO hỗ trợ Do vào đầu những năm 1980, ảnh vệ tinh và ảnh hàng không còn rất hạn chế, chỉ đáp ứng

yêu cầu điều tra rừng ở một số vùng nhất định, mà chưa có đủ cho toàn quốc Ảnh vệ tinh được sử dụng thời kỳ đó là Landsat MSS

Từ năm 1991 – 1995 đã tiến hành theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc và xây dựng bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng trên cơ sở kế thừa 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 30x30m để cập nhật những khu vực thay đổi sử dụng đất, những nơi mất rừng hoặc những nơi có rừng trồng mới hay mới tái sinh phục hồi (Nguyễn Đình Dương và nnk, 2000)[9] Ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM tỷ lệ 1:250.000, được giải đoán khoanh vẽ trực tiếp trên ảnh bằng mắt thường Kết quả giải đoán được chuyển hoạ lên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 và được kiểm tra tại hiện trường Thành quả đã thành lập được: 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

Từ năm 1996 – 2000, bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng bằng phương pháp viễn thám Ảnh vệ tinh đã sử dụng là SPOT3, có độ phân giải 15m x 15m, phù hợp với việc xây dựng bản đồ tỷ lệ 1:100.000 So với ảnh Landsat MSS và Landsat TM, ảnh SPOT3 có độ phân giải cao hơn, các đối tượng trên ảnh cũng được thể hiện chi tiết hơn Ảnh SPOT3 vẫn được giải đoán bằng mắt thường nên kết quả giải đoán vẫn còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của chuyên gia giải đoán và chất lượng ảnh Kết quả về mặt thành lập bản đồ đã xây dựng được: bản đồ phân vùng sinh thái thảm thực vật cấp vùng và toàn quốc; bản đồ phân loại đất cấp tỉnh, vùng và toàn quốc; bản

đồ hiện trạng rừng cấp tỉnh, vùng và toàn quốc và bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1:100.000; 1:250.000; 1:1000.000 (Nguyễn Ngọc Thạch, 1999)[23],(Trần Minh Ý và nnk,1999)[33]

Từ năm 2000 – 2005, phương pháp xây dựng bản đồ trong lâm nghiệp đã

được phát triển lên một bước Bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng từ ảnh

số vệ tinh Landsat ETM+ Độ phân giải ảnh là 30m x 30m 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 số là tiết kiệm được thời gian và có thể giải đoán thử nhiều lần trước khi lấy kết quả chính thức (Nguyễn Ngọc Bình, 2006)[2]

Như vậy, tuy khoa học điều tra rừng của ra đời muộn hơn so với nhiều môn khoa học khác nhưng đã đạt được những thành quả nhất định Song song với điều tra mặt đất, đã nghiên cứu thử nghiệm và từng bước ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng Tuy nhiên, hệ thống các bản đồ tài nguyên rừng Việt Nam hiện nay, do được xây dựng tại các thời điểm khác nhau và đã sử dụng nhiều nguồn thông tin tư liệu, nhiều nguồn ảnh, từ ảnh vệ tinh Landsat MSS, TM, SPOT, Aster, Radar, ảnh máy bay và hệ thống phân loại rừng rất khác nhau qua các thời kỳ, nên đã tạo ra nhiều loại số liệu không đồng bộ, gây khó khăn cho người sử dụng, đặc biệt trong việc theo dõi biến động về diện tích của rừng qua các thời kỳ

Trong thời gian gần đây ảnh viễn thám được sử dụng phổ biến ở Việt Nam, với công nghệ xử lý hiện đại hơn, dưới đây trích dẫn một số đề tài về sử dụng tư liệu viễn thám:

Trần Thanh Tùng, 2006[28], sử dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải 15m

để theo dõi diễn biến hình thái cửa sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi từ 1995 đến 2005

Phạm Quang Sơn, 2008[22] thực hiện đề tài “Ứng dụng thông tin viễn thám và GIS trong nghiên cứu, quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường vùng ven bờ và hải đảo”

Lương Văn Việt, 2007[32] - Phân viện khí tượng thủy văn và môi trường phía Nam, đã sử dụng kênh nhiệt của ảnh Landsat -5 và Landsat-7 để đánh giá

xu thế biến đổi khí hậu tại thành phố Hồ Chí Minh do sự gia tăng dân số

Nguyễn Trường Sơn, 2008 Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh và công

nghệ GIS trong việc giám sát hiện trạng tài nguyên rừng Báo cáo khoa học,

Trung tâm viễn thám quốc gia, Bộ TN&MT Chuyên san Viễn thám và địa tin học số 5-2008 của Trung tâm Viễn thám quốc gia đã đề cập đến một số công trình nghiên cứu: sử dụng ảnh vệ tinh radar để thành lập một số lớp thông tin

về lớp phủ thực vật (Chu Hải Tùng và nnk, 2008)[27], thành lập bản đồ nhiệt

độ mặt nước biển và hàm lượng chlorophyll-A khu vực biển đông từ ảnh MODIS (Lê Minh Sơn và nnk, 2008)[20], ứng dụng công nghệ viễn thám và thông tin địa lý trong quản lý tổng hợp lưu vực sông,…

Tập thể tác giả: Võ Quang Minh, Nguyễn Thị Hồng Điệp, Huỳnh Thị Thu Hương, 2008[18] thực hiện đề tài: “Ứng dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao (ảnh nhìn nhanh Quicklook) theo dõi sự diễn biến hiện trạng rừng khu vực rừng đặc dụng Vồ Dơi, Cà Mau” Các tác giả đã sử dụng ảnh viễn thám để theo dõi diễn biến hiện trạng rừng ở khu vực rừng đặc dụng Vồ Dơi, Cà Mau

Lâm Đạo Nguyên, 2006[19] – Phòng Địa tin học Vật lý, PV Vật lý tại

Tp Hồ Chí Minh có đề tài “Ứng dụng tư liệu viễn thám vệ tinh để giám sát sự sinh trưởng của cây lúa” Đề tài đã đề cập đến sử dụng tư liệu viễn thám vệ tinh để theo dõi phát triển mùa vụ lúa, đặc biệt sử dụng tư liệu viễn thám

radar ERS2-SAR của cơ quan không gian Châu Âu (ESA - European Space

Agency) cho vùng lúa đồng bằng Sông Cửu Long, nơi có hệ thống mùa vụ

vốn rất phức tạp

Ngoài ra tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như: Phát hiện vết dầu loang trên biển (Viện Vật lý và Điện tử – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2007)[30], xác định khu vực cây xanh đô thị (Phạm

Quốc Hùng, Jeffrey, Greg Lindsey, 2006)[12]; (Nguyễn Thanh Minh, Phạm Bách Việt, 2007)[17], giao thông (Nguyễn Thanh Minh, 2006)[16], tính toán

độ ẩm không khí (Dương Văn Khảm, Chu Minh Thu, 2007)[15], giám sát nhiệt

độ bề mặt, mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật (Trần Hùng, 2005)[13], xác định chỉ số xói mòn đất (Phạm Hữu Tỵ, Hồ Kiệt, 2008)[29], tìm hiểu sự thay đổi của lớp phủ thực vật (Nguyễn Đình Dương, 2006)[8] (Nguyễn Trường Sơn, 2008)[21], nghiên cứu địa mạo (Trần Anh Tú, Hà Quang Hải, 2007)[25], quản lý tổng hợp lưu vực (Trần Tuấn Đạt 2008)[6],…

1.3 Đặc điểm một số loại ảnh viễn thám

Bước sang thế kỷ 21, tư liệu viễn thám được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và đã mang lại những ưu việt vượt trội so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống Sử dụng tư liệu viễn thám có thể xác định nhanh về đối tượng và có thể theo dõi sự biến động của chúng thông qua các bức ảnh đa phổ, đa thời gian và độ phân giải không gian cao Các vệ tinh ngày nay ngày càng hoàn thiện sẽ là nguồn tư liệu quan trọng cho các nghiên cứu khoa học thuộc các lĩnh vực khác nhau, trong đó có theo dõi diến biến tài nguyên rừng

Ảnh hàng không bắt đầu được áp dụng từ đầu thế kỷ 20 để khoanh vẽ các trạng thái rừng Ảnh hàng không thường được lưu trên giấy ảnh hoặc ảnh

số Từ những thử nghiệm lẻ tẻ về ứng dụng ảnh hàng không trong lâm nghiệp vào thời gian đầu, đã có nhiều tác giả sử dụng thành công ảnh hàng không để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng ở các nước như: Canada, Mỹ và Anh (Bickford, 1952) Ảnh hàng không thường được giải đoán bằng mắt thường với sự hỗ trợ của các thiết bị quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu để các định đối tượng Các trạng thái rừng khác nhau trên ảnh được khoanh vẽ dựa trên một số tiêu chí sau (Olson,1960): cấp độ sáng (tone); kích

thước (size) và hình dáng (shape) của tán cây; biến đổi trong cấu trúc tán cây (texture); phân bố không gian của tán cây (pattern); bóng cây (shadow)

Ưu điểm của việc sử dụng ảnh hàng không so với điều tra mặt đất là: cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố của rừng trên một diện tích rộng; lưu giữ được những biến đổi về động thái của rừng theo thời gian; ảnh hàng không có thể chụp với bước sóng từ tia cực tím đến hồng ngoại gần (0.3m – 0.9m), vì vậy có thể phản ánh những thông tin mà mắt thường không thấy được Nhược điểm của ảnh hàng không là rất khó chụp, lưu giữ, hiệu chỉnh và giải đoán Ngoài ra việc giải đoán bằng mắt là rất chủ quan phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm người giải đoán, kết quả không đồng nhất, khó triển khai trên diện rộng, thời gian thực hiện lâu và tốn kém nhiều nhân lực Ở Việt Nam, công nghệ giải đoán bằng mắt cũng đã và đang được áp dụng đối với ảnh vệ tinh trong phân loại rừng và đã bộc lộ rất nhiều tồn tại

Trong vòng khoảng 35 năm trở lại đây, ảnh vệ tinh với phương pháp xử

lý số đã được sử dụng rộng rãi và dần thay thế ảnh hàng không trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra và kiểm kê rừng (Lambin, 2001)[40] Phương pháp xử lý số có ưu điểm nổi bật là thời gian xử

lý ngắn, việc phân loại các đối tượng được tiến hành nhanh chóng trên phạm

vi rộng mà không cần công đi thực địa, công việc được thực hiền hoàn toàn dựa vào cấp độ xám của các pixel, nên kết quả thu được khách quan không phụ thuộc vào chủ quan của nguời giải đoán Tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng, ảnh vệ tinh sẽ cho phép xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng với quy mô và

tỷ lệ khác nhau một cách nhanh chóng, hoặc đánh giá được biến động của hiện trạng rừng ở hiện tại so sánh với các thời điểm trong quá khứ

Với những ưu điểm như vậy, đã có rất nhiều chuyên gia và các nhà nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh để khoanh vẽ và theo dõi biến động của lớp phủ thực vật trên bề mặt trái đất từ quy mô nhỏ đến toàn cầu (Yichun et al.,

2008)[56] Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều vệ tinh cung cấp ảnh có độ phân giải không gian, bước sóng, số lượng kênh phổ và chu kỳ bay chụp khác nhau,

từ các ảnh đa phổ (multispectral sensors) tới ảnh siêu phổ (hyperspectral),

bước sóng biến động từ nhìn thấy tới sóng siêu cao tần, độ phân giải không gian từ <1m tới vài km, chu kỳ bay chụp có thể từ 30 phút tới tuần hoặc tháng Navulur (2006)[43] đã phân nhóm các loại ảnh vệ tinh theo độ phân giải không gian như sau: (i) ảnh có độ phân giải thấp > 30m, (ii) ảnh có độ phân giải trung bình 2m - 30m; (iii) ảnh có độ phân giải cao 0.5 – 2.0 m; (iv) ảnh có độ phân giải rất cao < 0.5m Mỗi loại ảnh vệ tinh khác nhau lại có đặc điểm về độ phân giải không gian, bước sóng, chu kỳ bay chụp, giá thành khác nhau Dưới đây

đề tài tổng hợp đặc điểm kỹ thuật và khả năng ứng dụng của một số loại ảnh vệ tinh được sử dụng phổ biến trên thế giới cũng như Việt Nam, làm cơ sở lựa chọn ảnh viễn thám phù hợp với lĩnh vực nghiên cứu của đề tài:

1.3.1 Ảnh Landsat

Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải khác nhau Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM được thu từ vệ tinh Landsat-4 và -5 và ảnh Landsat ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat-7 được sử dụng phổ biến nhất Ảnh Landsat TM gồm 6 kênh phổ nằm trên dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại với độ phân giải không gian 30mx30m và một giải phổ hồng ngoại nhiệt ở kênh 6, độ phân giải 120mx120m để đo nhiệt độ bề mặt Ảnh Landsat ETM+ ghi phổ trên 8 kênh ở các bước sóng giống như của ảnh Landsat TM, điều khác biệt là ở Landsat ETM+, kênh hồng ngoại nhiệt (Thermal) có độ phân giải cao hơn (60mx60m) và có thêm kênh toàn sắc (Pan) với độ phân giải không gian là 15mx15m

Bảng 1.1: Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat TM

Kênh Bước sóng (µm) Tên gọi phổ Độ phân giải

không gian (m)

Lưu trữ (bit)

- Kênh phổ xanh lam (0,45µm -0,52µm) được ứng dụng nghiên cứu đường bờ, phân biệt thực vật và đất, lập bản đồ về rừng và xác định các đối tượng khác

- Kênh phổ xanh lục (0,52µm -0,60µm), được dùng để đo phản xạ cực đại phổ lục của thực vật, xác định trạng thái thực vật, xác định các đối tượng khác

- Kênh phổ đỏ (0,63µm -0,69µm), dùng xác định vùng hấp thụ chlorophyl giúp phân loại thực vật, xác định các đối tượng khác

- Kênh phổ cận hồng ngoại (0,76µm -0,90µm), dùng xác định các kiểu thực vật, trạng thái và sinh khối, độ ẩm của đất

- Kênh hồng ngoại sóng ngắn (1,55-1,75µm; 2,08-2,35µm), được sử dụng để xác định độ ẩm của thực vật và đất, nghiên cứu về đá khoáng, tách tuyết và mây

- Kênh hồng ngoại nhiệt (10,4µm -12,5µm), được dùng để xác định thời điểm thực vật bị sốc, độ ẩm của đất và thành lập bản đồ nhiệt

- Kênh toàn sắc 0,52-0,9: vói độ phân giải thấp và giải phổ liên tục, ảnh của kênh này được sử dụng để chồng ghép với các kênh ảnh khác, từ đó đo vẽ chính xác các đối tượng

Bảng 1.2: Một số thông số các kênh phổ ảnh Landsat ETM+, Landsat -7

Kênh Bước sóng

(µm) Tên gọi phổ

Độ phân giải không gian (m)

Lưu trữ (bit)

Ảnh MODIS được thu từ bộ cảm MODIS đặt trên vệ tinh Terra (2000)

và vệ tinh Aqua (2002) có mục đích cung cấp dữ liệu về đất liền, biển và khí quyển một cách đồng thời Ảnh MODIS cung cấp dữ liệu ảnh toàn cầu 2 ngày một lần với độ phân giải không gian là 250m, 500m và 1000m Số kênh phổ của MODIS là 36 kênh và dữ liệu ở dạng 12 bit, MODIS có đặc tính chỉnh hình học và phổ Phương pháp chỉnh phổ kênh đối với kênh được tham chiếu cho 36 kênh cho ra sai số ½ pixel hoặc cao hơn

Dữ liệu của ảnh MODIS bao gồm các loại sau:

- Dữ liệu nghiên cứu mây với độ phân giản 250m x 1000m vào ban ngày và độ phân giải 1000m x 1000m vào ban đêm

- Nồng độ tầng đối lưu và đặc tính quang với độ phân giải 5km cho vùng biển và 10km cho đất liền vào ban ngày

- Đặc tính về mây, độ dầy quang học, ảnh hưởng của bán kính hạt, pha nhiệt động học, mây ở các vùng vĩ tuyến cao, nhiệt độ mây ở độ phân giải 1km-5km ban ngày và 5km vào ban đêm

- Phủ thực vật đất: điều kiện và năng suất được đặc trưng bởi chỉ số thực vật, được hiệu chỉnh tác động của khí quyển, đất, phân cực và ảnh hưởng theo hướng phản xạ bề mặt, kiểu phủ đất và năng suất nguyên thủy thực, chỉ

số lá theo diện tích và bức xạ hiệu lực mang tính quang hợp bị chắn

- Phản xạ về diện tích phủ của tuyết và băng trên biển

- Đo nhiệt độ bề mặt với độ phân giải 1km vào ban ngày và đêm với độ chính xác của hiệu chỉnh tuyệt đối là 0,3-0,50 tại đại dương và mặt đất

- Màu của biển (phổ phát xạ của đại dương được đo 5%), dựa trên dữ liệu kênh phổ trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần

- Nồng độ chlorophyl a (với 35%) từ 0,05 đến 50mg/m3 cho nước

- Huỳnh quang của chlorophyl (50%) trên bề mặt với nồng độ 0,5mg/m3 của chlorophyl a

Bảng 1.3: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh MODIS

Lưu trữ (bit) Ứng dụng

1 0,620-0,670 250 12 Khoang ranh giới

mây/đât

Nghiên cứu đặc tính đất/mây

Ảnh được thu từ vệ tinh NOAA (National Ocenic and Atmospheric

Administration) là vệ tinh nghiên cứu khí tượng Dữ liệu của ảnh có tính chất

toàn cầu được đưa về độ phân giải 4km và được cung cấp một ngày một lần trên dải sóng nhìn thấy và dải phổ hồng ngoại, trường phủ mặt đất của ảnh là 2400km Dữ liệu ảnh NOAA dùng trong việc lập bản đồ nhiệt độ, tuyết phủ, điều tra lụt, nghiên cứu thực vật, phân tích độ ẩm đất trên cấp độ khu vực, lập bản đồ nhiên liệu, tìm kiếm cháy, lập bản đồ bụi và bão cát, nghiên cứu biến đổi khí hậu và các ứng dụng trong địa chất như nghiên cứu núi lửa, nghiên

cứu mạng lưới sông suối có tính chất khu vực và các yếu tố khác Ảnh NOAA

đã được sử dụng để nghiên cứu thực vật trên diện rộng Các kênh phổ được sử dụng trong nghiên cứu nằm trong dải sóng nhìn thấy (0,58 -0,68µm) và kênh

2 dải sóng hồng ngoại gần (0,73-1,1µm) Tổ hợp các thuật toán xử lý ảnh cho phép nghiên cứu khả năng nhạy cảm về điều kiện của thực vật xanh Một trong các tỷ số được xác định là chỉ số thực vật NDVI = (phổ hồng ngoại gần – phổ nhìn thấy)/(phổ hồng ngoại gần + phổ nhìn thấy) và chỉ số thực vật đơn giản VI = phổ hồng ngoại – phổ nhìn thấy

Bảng 1.4: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh NOAA

Kênh phổ Bước sóng (µm) Độ phân giải không gian

Bảng 1.5: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh ASTER

Kênh phổ Bước sóng (µm) Độ phân giải không

gian (m) Lưu trữ (bit)

1.3.5 Ảnh SPOT

Ảnh SPOT được thu từ bộ cảm HRG đặt trên vệ tinh SPOT (Systeme

Pour L’observation de La Terre) do trung tâm nghiên cứu không gian của

Pháp (CNES – French Center National d’etudies Spatiales) thực hiện có sự

tham gia của Bỉ và Thụy Điển Ảnh SPOT tương đối đa dạng về dải phổ và độ phân giải không gian từ thấp, trung bình đến cao (5m-1km), trường phủ mặt đất của ảnh SPOT cũng tương đối đa dạng từ 10km x 10km đến 200km x 200km Ảnh SPOT có thể thu ảnh của từng ngày, thường vào 11h sáng

Ảnh SPOT thuộc thế hệ vệ tinh SPOT-1,-2,-3 ảnh có hai dạng là: ảnh toàn sắc (panchromatic) có độ phân giải không gian là 10m x 10m và ảnh đa phổ với độ phân giải không gian là 20m x 20m

Bảng 1.6: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT-1;-2;-3

Tên band phổ Dải phổ

(µm)

Độ phân giải (m)

Độ che phủ mặt đất (km) Lưu trữ (bit)

Bảng 1.7: Một số thông số các kênh phổ của ảnh SPOT-4

Kênh phổ Tên phổ Dải phổ

(µm)

Độ phân giải không gian (m)

Lưu trữ (bit)

Kênh 4 Hồng ngoại trung 1,58-1,75 20 8

Đối với các ảnh SPOT thuộc thế hệ SPOT-5 được thu từ bộ cảm có độ

phân giải hình học cao HRG (High Resolution Geometric) là 5m thay cho

10m ở kênh toàn sắc và 5m cho các kênh xanh, đỏ, cận hồng ngoại và 20m đối với kênh hồng ngoại trung Thế hệ vệ tinh SPOT-5 còn trang bị thiết bị riêng để đo thực vật trong dải phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại với độ phân giải không gian 1000mx100m và ảnh được cập nhật hàng ngày Hiện nay ảnh SPOT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất, khai khoáng trong địa chất, thành lập bản đồ tỷ lệ 1:30.000 đến 1:100.000, nghiên cứu về thực vật ở cấp độ khu vực,… ảnh SPOT có thể ghi

phản xạ phổ của toàn mặt đất với sự khác biệt về dữ liệu, độ phân giải cao và

có khả năng nhìn nổi, nhạy cảm về phổ hồng ngoại cho thực vật

1.3.6 Một số ảnh đa phổ có độ phân giải cao

1.3.6.1 Ảnh IKONOS

Bảng 1.8 : Một số thông số các kênh phổ của ảnh IKNONOS

Tên kênh Tên phổ Bước sóng

(m)

Độ phân giải (m)

Lưu trữ (bit)

Ảnh IKONOS được thu từ vệ tinh tạo ảnh vũ trụ phân giải siêu cao IKONOS được phóng nên quĩ đạo cân cực vào ngày 24 tháng 9 năm 1999 tại

độ cao 682 km, cắt xích đạo vào 10:30 phút sáng Độ lặp lại quĩ đạo tại một điểm trên trái đất là sau 11 ngày, độ rộng của ảnh trên mặt đất là 11km, và độ phủ là 11 x 11 km Ảnh có trên 4 kênh đa phổ với độ phân giải là 4 m và kênh toàn sắc độ phân giải là 1m Các kênh đa phổ và kênh toàn sắc kết hợp cho phép tạo ảnh có độ phân giải 1 m giả mầu Dữ liệu số có cấu trúc là 11 bit (2048 mức xám) IKONOS có thể nhìn vào vật vào đối tượng và cố định vài giây và có thể hướng theo đối tượng khảo sát Các thông số kỹ thuật của IKONOS được nêu trong bảng

độ chính xác lớn, như quy hoạch sử dụng đất, các định chính xác các đối tượng, thành lập bản đồ giao thông,…Hiện nay ảnh QuickBird được sử dụng phổ biến vào các lĩnh vực dân sự, an ninh, quản lý môi trường

1.3.6.3 Ảnh SPIN

Ảnh SPIN-2 được thu từ vệ tinh SPIN (Space Information Meter) của

Nga, ảnh được thu từ độ cao 220km, các bức ảnh chụp có tỷ lệ 1 :200.000 với từng cảnh chụp phủ một diện tích có kích thước là 40km x 160km, kích thước trung bình của pixel ảnh trên mặt đất là 1,56m Ảnh SPIN chủ yếu được dùng vào mục đích quân sự

1.3.7 Ảnh siêu phổ (Hyperspectral Sensors)

1.3.7.1 Ảnh OrbView

Ảnh OrbView thuộc thế hệ vệ tinh OrbView-4 có 200 kênh phổ, với độ phân giải không gian là 8m, độ lặp lại của một điểm trên mặt đất là 3 ngày, được ứng dụng để nghiên cứu các kiểu vật chất trên mặt đất Dữ liệu của ảnh OrbView chủ yếu phục vụ cho quân đội Mỹ trong việc giám sát thông tin trên mặt đất

1.3.7.2 Ảnh ARIES

Ảnh ARIES (Australia Resource Information and Environmental

Satellite) là loại ảnh siêu phổ với số kênh phổ là 105 kênh trên dải sóng từ

0,49 đến 0,25m, cho độ phân giải là 30m với độ phủ mặt đất là 15km x 15km, độ nhìn lặp một điểm là 7 ngày, kênh toàn sắc có độ phân giải là 10m Mục đích của ảnh này là dùng vào việc khai khoáng, ngoài ra còn được dùng vào mục đích nghiên cứu nông nghiệp, rừng, đất ẩm và điều tra môi trường

Chương 2

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP VIẾN THÁM VÀ KỸ THUẬT XỬ LÝ SỐ

Kỹ thuật viễn thám là một khoa học công nghệ, nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng Nói cách khác, viễn thám là công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua các đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ điện từ (Nguyễn Đình Dương, 1998)[7]

Sóng điện từ có bốn tính chất cơ bản là tần số hay bước sóng, hướng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực Bốn đặc tính này sẽ phản ánh các thông tin khác nhau về đối tượng Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau Các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ và nó là nguồn tư liệu chủ yếu trong kỹ thuật viễn thám để nhận biết và phân loại đối tượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

• Các dải sóng của quang phổ điện từ (hình 2.1)

Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau :

- Các tia vũ trụ: là các tia sáng từ vũ trụ có bước sóng vô cùng ngắn với:

<10-6m

- Các tia gamma () có (từ 10-6 – 10-4m)

- Dải các tia x (X) có (từ 10-4 - 10-1m), thường được sử dụng trong y học Riêng dải từ 0,3 - 0,4m gọi là vùng cực tím tạo ảnh, có thể sử dụng trong viễn thám tia cực tím

- Dải tia nhìn thấy có (từ 0,4 – 0,7m) là dải phổ của ánh sáng trắng Trong dải nhìn thấy có chia nhỏ thành các dải ánh sáng đơn sắc:

* Blue (xanh lơ - lam): 0,4 - 0,5m

* Green (xanh lá cây – lục ): 0,5 - 0,6m

* Red (đỏ) : 0,6 - 0,7m

- Sau vùng đỏ là dải hồng ngoại (infrared): từ 0,7- 14m, trong đó lại chia thành các vùng :

* Hồng ngoại phản xạ: 0,7- 3m

* Hồng ngoại trung (giữa) : 3- 7m

* Hồng ngoại nhiệt (xa) : 7- 14m

- Vùng sóng Radar hay vi sóng (vi sóng - microwave): là các vùng có bước sóng dài hơn nhiều so với vùng hồng ngoại, độ dài sóng từ 1mm đến 1m

- Sau vùng Radar là sóng radio có bước sóng > 30 cm

Hình 2.1 Sơ đồ các giải sóng của quang phổ điện từ

2.2 Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên

Theo các tài liệu (Nguyễn Xuân Đài, 2002)[5], (Nguyễn Ngọc Thạch)[24], (Hà Văn Hải, 2002)[10] Khi năng lượng điện từ rơi vào một vật thể ở trên mặt đất, sẽ có 3 thành phần năng lượng cơ bản tương tác với đối tượng, đó là: phản xạ, hấp thụ và (hoặc) truyền qua:

EI() = ER() + EA() + ET() (2.1) Trong đó: EI - năng lượng rơi xuống;

ER - năng lượng phản xạ;

EA - năng lượng hấp thụ;

ET - năng lượng truyền qua

Toàn bộ các năng lượng này là hàm của một bước sóng  nào đó Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau, tùy thuộc vào các đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và tình trạng của đối tượng Ngoài ra tỉ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào các bước sóng khác nhau

- Phần năng lượng bị hấp thụ: Phần này khi đi vào đối tượng sẽ chuyển hóa thành sang năng lượng khác Khả năng hấp thụ của các đối tượng rất khác nhau và có tính chọn lọc phổ Phần năng lượng này ít có ý nghĩa trong truyền tin viễn thám

- Phần năng lượng truyền qua: Phần này có thành phần phổ khác với thành phần phổ của bức xạ chiếu đến do tính tán xạ của ánh sáng và hấp thụ

có chọn lọc của các đối tượng tự nhiên

- Phần năng lượng phản xạ: Phần này được sử dụng như phương tiện truyền tin chính trong viễn thám Các bức xạ này được ghi nhận bằng các thiết

bị trên các vật thể bay và được truyền về mặt đất để xử lý thành tín hiệu ảnh hoặc số Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ là rất quan trọng

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

EI() = ER() + [ EA() + ET() ] (2.2) Công thức 2.2, nói lên rằng năng lượng phản xạ thì bằng năng lượng rơi xuống một đối tượng sau khi đã bị suy giảm do việc truyền qua hoặc hấp thụ đối tượng Tỉ lệ giữa các hợp phần năng lượng đó là khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng Trong tự nhiên có các trạng thái phản xạ năng lượng ánh sáng thông thường liên quan đến đặc điểm cấu tạo bề mặt và thành phần vật chất của đối tượng Trong tự nhiên có các trường hợp tương tác như sau (Thomas

M Lillesand, Ralph W.Kiefer, 2000)[51]:

- Phản xạ hoàn toàn (hay phản xạ toàn phần, phản xạ gương-Specular)

là sự phản xạ của đối tượng có bề mặt nhẵn như gương Khi đó góc tới bằng góc phản xạ Phản xạ toàn phần (phản xạ gương) ngược lại với sự tán xạ Bên cạnh sự phản xạ toàn phần là sự phản xạ gần toàn phần

Năng lượng ánh sáng phản xạ được hình thành từ hai thành phần chính: + Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng: Phần này không phụ thuộc vào bản chất của đối tượng, chỉ phụ thuộc vào các đặc tính bề mặt của đối tượng và tham gia vào quá trình tạo độ chói của bề mặt đối tượng đó

+ Năng lượng sau khi bị tán xạ bởi cấu trúc bề mặt của đối tượng phản

xạ lại Phần này là kết quả của sự tương tác giữa bức xạ tới với bề dày vật chất của đối tượng, cấu trúc, bản chất lý-hóa và trạng thái của đối tượng

- Sự tán xạ hoàn toàn (hay tán xạ toàn phần - Lambertian) là hiện tượng

bề mặt đối tượng có sự phản xạ đều theo mọi hướng Hầu hết các đối tượng trên mặt đất đều không có sự phản xạ gương hay tán xạ tuyệt đối Bên cạnh sự tán xạ hoàn toàn là sự tán xạ gần hoàn toàn

Một bề mặt có thể là phản xạ gương đối với một sóng có bước sóng dài, song lại là bề mặt tán xạ đối với một sóng có bước sóng ngắn hơn Ví dụ: Bề

mặt đá rất có thể có phản xạ gương (bề mặt nhẵn) đối với sóng radio song lại là

bề mặt thô, tán xạ đối với các dải sóng ở vùng nhìn thấy Khi đó bước sóng của ánh sáng tới nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước các hạt cát cấu tạo nên bề mặt vật chất Hiện tượng tán xạ cũng chứa đựng những thông tin về màu của đối tượng Thông thường trong viễn thám người ta đo các tính chất của hiện tượng tán xạ hơn là sự phản xạ gương của các đối tượng bề mặt vì trong thực tế rất ít khi có hiện tượng phản xạ gương (hay phản xạ toàn phần) Tuy nhiên, đôi khi

có thể gặp hiện tượng này ở ảnh máy bay (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông

số quan trọng nhất trong viễn thám Độ phản xạ phổ được đo theo công thức:

100 ) (

) (

Đồ thị phổ phản xạ được xây dựng với chức năng là một hàm số của giá trị phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ Hình dáng của đường cong phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của một đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24] (hình 2.2)

Hình 2.2: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng theo bước sóng

Hình dạng của đường cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tượng Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng khác nhau, của một nhóm đối tượng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng dao động xung quanh giá trị trung bình (Thomas M Lillesand, Ralph W.Kiefer, 2000)[51]

Thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ của các đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng

tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu được từ các phương tiện bay Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cho phép các nhà khoa học chọn lọc các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu và là cơ sở để nghiên cứu tính chất của đối tượng, tiến tới phân loại chúng Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào các yếu tố như điều kiện ánh sáng, môi trường khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, chất mùn, cấu trúc bề mặt, ) (Chu Thị Bình, 2001)[4]

• Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật :

Theo (Hà Văn Hải, 2002)[5] Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào chiều dài bước sóng và giai đoạn sinh trưởng, phát triển của thực vật Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau sẽ có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau Đặc điểm chung phản xạ phổ của các trạng thái thực vật là phản

xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần (>0,72m) và hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (0,68m <<0,72m)

Bức xạ mặt trời (EI) khi tới bề mặt lá cây thì một phần sẽ bị phản xạ ngay (E1) Bức xạ ở vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong cây sẽ bị phản xạ lại (EG) Bức xạ ở vùng sóng hồng ngoại cũng bị phản xạ mạnh khi gặp diệp lục trong lá cây (EIR) (Chu Thị Bình, 2001)[4] Như vậy, Năng lượng phản xạ từ thực vật là:

ER = E1 + EG + EIR (2.4) Trong đó thành phần năng lượng (EG + EIR) chứa đựng các thông tin quan trọng về bản chất và trạng thái của thực vật

Sắc tố Chlorophyll – là một tổng thể các thành phần hữu cơ có chứa sắt, là một chất xúc tác đối với quá trình quang hợp ánh sáng của thực vật Chức năng của Chlorophyll là hấp thụ bức xạ mặt trời và cung cấp nó cho quá trình quang hợp Năng lượng bị hấp thụ trong khoảng từ 0,45 - 0,67m tức là phần xanh lơ và đỏ của phổ nhìn thấy, trong vùng ánh sáng này, vùng sóng ánh sáng có phản xạ mạnh nhất là vùng sóng ánh sáng lục (0,55m) chính vì vậy mà lá cây tươi có màu xanh lục (Thomas M Lillesand, Ralph W.Kiefer, 2000) [51] Ở vùng hồng ngoại gần (từ 0,7 - 1,3m) thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng (Microwave) một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên (ví dụ rừng rậm nhiệt đới)

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,…(Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24] 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 có những điểm chung như sau:

Khả năng phản xạ phổ của thực vật có sự rõ rệt ở vùng sóng 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 (Hà Văn Hải, 2002)[5]

• Đặc trưng phản xạ phổ của nước:

Khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ chiếu tới, bề mặt nước, trạng thái nước, thành phần vật chất có trong nước Nước có độ dẫn truyền cao trong khoảng sóng nhìn thấy và tính truyền dẫn tăng dần khi bước sóng giảm Kết quả là đối với nước sâu, chỉ có ánh sáng xanh lơ có thể lan truyền đến những độ sâu nhất định, các bước sóng dài bị hấp thụ ngay ở mực nước nông (Hà Văn Hải, 2002)[10] Đối với nước trong,

có thể đánh giá độ sâu bằng cường độ của bức xạ nhìn thấy, đặc biệt là ánh sáng xanh lơ phản xạ từ đáy Tuy nhiên, đối với độ sâu lớn hơn 40m, tất cả bức xạ của khoảng nhìn thấy bị hấp thụ và được thể hiện trên ảnh hoàn toàn đen Những vật liệu lơ lửng, phù du và màu tự nhiên làm tăng phản xạ của nước trong khoảng nhìn thấy Trong khoảng hồng ngoại gần, nước giống như vật đen tuyệt đối và hấp thụ thực sự toàn bộ năng lượng tới (Thomas M Lillesand, Ralph W.Kiefer, 2000)[51] Chỉ có những vật thể tự nhiên với tính chất này mới phân biệt được chúng dễ dàng bằng các đặc điểm bề mặt trong

khoảng này của phổ điện tử, ngay cả nếu chúng không sâu hay có chứa nhiều thể phù du (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24] Do gần giống như vật đen, nước gần như vật phát xạ trong khoảng hồng ngoại, cũng như vật thể hấp thụ

• Đặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng:

Thổ nhưỡng là nền của lớp phủ thực vật, cùng với lớp phủ thực vật tạo thành một thể thống nhất trong cảnh quan tự nhiên Một phần bức xạ mặt trời chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tượng, phần còn lại đi vào bề dày của lớp phủ thổ nhưỡng, một phần trong đó được hấp thụ để làm tăng nhiệt độ đất, một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và bị phản xạ trở lại Đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản tăng dần từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật (Hà Văn Hải, 2002)[10] Các yếu tố ảnh hưởng đến đường cong phổ phản xạ của đất là: lượng ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại oxyt kim loại, hàm lượng vật chất hữu cơ, các yếu tố đó làm cho đường cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đường cong có giá trị trung bình Tuy nhiên, quy luật chung

là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bước sóng dài

Trong thực tế, thực vật sống ở các nền đất khác nhau sẽ có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau Tuy nhiên, trong nền đất cũng như thực vật đều có chứa một lượng nước nhất định, vì vậy khi xác định các đối tượng dựa vào các đặc trưng phản xạ phổ phải dựa trên kiến thức tổng hợp giữa nghiên cứu

ký thuyết và kinh nghiệm thực tiễn thì mới có kết luận chính xác về đối tượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]

 Ảnh hưởng của khí quyển

Theo (Hà Văn Hải, 2002)[10] Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng

tự nhiên không những phụ thuộc vào cấu trúc, bản chất của chúng mà còn phụ

thuộc rất lớn vào các yếu tố ngoại cảnh, một trong những yếu tố ngoại cảnh

có khí quyển Nghiên cứu ảnh hưởng của khí quyển đến khả năng phản xạ phổ là rất cần thiết, có như vậy mới xác định chính xác đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Giữa bề mặt vỏ trái đất và vệ tinh hay máy bay bao giờ cũng có một khoảng khí quyển ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình dẫn truyền thông tin Những vật thể có thể gây nên sự biến đổi bao gồm các phân tử khí, các hạt dạng lỏng hay rắn (aerosol, bụi, giọt nước), các hạt gây ra các biến đổi như hấp thụ, tán xạ và phản xạ Trong thực tế, khí trong khí quyển hấp thụ năng lượng trong một số khoảng bước sóng nhất định gọi là các kênh hấp thụ Bước sóng khoảng ngắn hơn 0,3m bị hấp thụ hoàn toàn bởi tầng ôzôn ở phía trên của khí quyển Sự hấp thụ này hoàn toàn cần thiết cho sự sống trên trái đất, vì năng lượng ở bước sóng này có thể phá hủy da của cơ thể sống Mây được cấu tạo từ các phần tử nhỏ của nước lỏng, hấp thụ và tán xạ bước xạ điện từ ở bước sóng nhỏ hơn 0,3cm Chỉ có bức xạ của sóng siêu cao tần và bước sóng dài hơn là có khả năng xuyên qua mây mà không bị tán xạ, phản xạ hay hấp thụ (Hà Văn Hải, 2002)[10]

2.3 Khái niệm về tư liệu ảnh số và phương pháp phân loại

Ảnh viễn thám (vệ tinh và máy bay) là những hình ảnh thu chụp được

từ một khoảng cách (độ cao) nào đó trên những giải sóng khác nhau, bằng các thiết bị khác nhau Trong viễn thám có hai dạng tư liệu cơ bản là tư liệu ảnh (ảnh photograph, ảnh image) và tư liệu số (digital data: băng từ, đĩa từ) (Hà Văn Hải, 2002)[10]

2.3.1 Cấu trúc hình ảnh quét (Image - ảnh số)

Ảnh số là một dạng tư liệu ảnh ghi nhận các thông tin viễn thám ở dạng

số Ảnh không được lưu trên giấy hoặc trên phim thông thường mà được lưu trên các media điện từ bằng các băng từ, đĩa quay từ,… Hình ảnh thu được

được chia thành nhiều phần từ nhỏ (thường là hình vuông) được gọi là các pixel Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian bao phủ trên bề mặt trái đất Độ rộng bao phủ mặt đất của một pixel có thể từ vài mét đến hàng km tùy theo loại bộ cảm và được gọi là độ phân giải ảnh Vị trí của mỗi pixel được xác định theo tọa độ hàng và cột trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái Tùy theo hệ thống quét ảnh mà kích thước của hình ảnh (diện tích quét trên mặt đất) Ví dụ với hệ thống Landsat MSS là 185 x 185km, với hệ thống SPOT là 65 x 65km, ảnh NOAA là 2400 x 2400km (Nguyễn Ngọc Thạch)[24] …

- Phần tử ảnh (picture element) là một đơn vị nhỏ nhất về không gian

trên một file ảnh và nó chính là pixel ảnh hay một ô đơn vị trong ma trận ô vuông Vị trí của đơn vị ảnh là vị trí dòng và cột Vị trí thật của đơn vị ảnh sẽ được tham chiếu với một hệ tọa độ được dùng như hệ tọa độ địa lý, UTM, Gauss, mặt phẳng nhà nước (State plane) Thông số của mỗi pixel trên ảnh là: hàng (row), cột (colum) và giá trị số DN (digital Number) Mỗi pixel có 3 giá trị: X, Y và Z Trong đó X, Y là tọa độ hàng cột và Z là giá trị độ sáng (DN) của hình ảnh và giá trị này liên quan đến tính chất phổ của các đối tượng, giá trị Z thường được chuyển thành giá trị số 8n của nhiều (0 và 1) Độ sáng của hình ảnh được ghi ở 8 bit với 256 cấp độ: 0 là đen và 255 là trắng (Nguyễn Ngọc Thạch)[24]

- Kích thước của mỗi pixel được xác định bởi góc nhìn tức thời (IFOV) của hệ thống quét Còn kích thước của cả ảnh được xác định bởi trường nhìn (hay góc quét) của hệ thống (FOV) Kích thước trên mặt đất của mỗi pixel được quan niệm là độ phân giải không gian của hình ảnh số Ví dụ : hình ảnh

của Landsat MSS (Multispectrial Scanner Satellite) với 4 band phổ có 2.340

đường quét (với mỗi đường rộng 79m) và 3.240 cột (mỗi cột rộng 57m) Lượng pixel trong một ảnh được tính bằng (số hàng)x (số cột) x (số band

phổ) x số bit/8, đây là một con số rất lớn (Hà Văn Hải, 2002)[10]

Đối với từng loại hệ thống thu ảnh khác nhau thì số lượng các pixel trong ảnh cũng khác nhau, liên quan đến kích thước ảnh, số band phổ, kích thước pixel ảnh (độ phân giải không gian) tức là liên quan đến số hàng, số cột,

số bit lưu trữ ảnh

Những bức ảnh chụp một vùng không gian nhất định theo chu kỳ nào

đó gọi là tập ảnh đa thời gian Phần lớn các vệ tinh hoạt động mang tính chất chu kỳ, đây là ưu điểm nổi bật của viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên Từ tập tư liệu ảnh đa thời gian cho phép theo dõi, đánh giá biến động của của một

số nhân tố tự nhiên, một nguồn tài nguyên nào đó trong mối quan hệ với hoạt động sống của xã hội loài người

- Hình ảnh của đối tượng không gian có thể được ghi nhận trên nhiều kênh phổ khác nhau Mỗi một kênh cho ra giá trị phổ dưới dạng số riêng về cùng một đối tượng được ghi Quá trình chuyển đổi sóng điện từ sang tín hiệu điện và lưu trữ trên băng từ được thực hiện trực tiếp trên vệ tinh hoặc truyền tải trực tiếp xuống các trạm thu vệ tinh mặt đất Dữ liệu ảnh số được lưu trữ

trên băng từ tương thích cho máy tính CCT(Computer Compatible Tape) hoặc

trên CD-ROM dưới khuôn dạng của các tệp ảnh số mà máy tính có thể đọc được (Chu Thị Bình, 2002)[4] Thông thường dữ liệu trên băng từ ghi nhận về một vùng chụp bao gồm 3 tệp thông tin chính Tệp đầu ghi nhận thông tin chú giải về dữ liệu còn gọi là tệp header, ví dụ thông tin về band phổ, độ phân giải, giờ, ngày tháng thu ảnh, Tệp thứ hai ghi nhận thông tin về chú giải như nắn chỉnh phổ hoặc nắn chỉnh hình học, cấu trúc của tệp (cách lưu trữ) Tệp chính

có độ lớn nhất gọi là tệp dữ liệu

- Phương thức lưu trữ tệp ảnh số :

Theo [5] [10] [24] [7] [51] dữ liệu ảnh số cấu thành từ 3 tệp này thông thường được lưu trữ theo các cấu trúc khác nhau là: BSQ, BIL hoặc BIP

- Cấu trúc dữ liệu theo BIL (band interleaved by lines)

Cấu trúc BIL là cấu trúc dữ liệu được lưu trữ tất cả các băng theo thứ tự dòng không phụ thuộc vào số kênh Giá trị số của tất cả các kênh sẽ lần lượt ghi nhận theo thứ tự từ dòng một cho đến hết Ghi nhận theo kiểu BIL sẽ cho

ra một tệp dữ liệu chung cho tất cả các kênh ảnh

- Cấu trúc dữ liệu kiểu BSQ (band sequential )

Trong cấu trúc dữ liệu kiểu này tất cả dữ liệu thuộc một kênh ảnh được lưu trữ riêng thành một tệp Nếu như ảnh số về một khu vực nào đó bao gồm nhiều kênh thì sẽ có bấy nhiêu tệp về dữ liệu Ví dụ, ảnh SPOT có ba kênh thì cần có 3 tệp riêng để lưu trữ

- Cấu trúc dữ liệu kiểu BIP (band inteleaved by pixel)

Trong cấu trúc này, ghi nhận theo kiểu pixel 1, line1, kênh1, pixel 1 line 1 kênh 2, pixel 1 line 1 kênh 3

Đối với sản phẩm ảnh ra, thường là được lưu trữ dạng BSQ vì có 3 band: R (red- đỏ), G (Green-lục ), B (Blue-lam) Trong các tư liệu viễn thám thường có thêm các thông tin về cấu trúc dữ liệu, các thông số của vệ tinh, thông số của khí quyển và điều kiện chiếu sáng file lưu các thông tin này gọi là phần đầu của tư liệu (header), hoặc có thể ghi thành file riêng gọi là file trợ giúp (Auxilary Data) Kể từ năm 1982, hình ảnh do vệ tinh thu thường được lưu trong một khuôn dạng chuẩn gọi là khuôn dạng chuẩn thế giới

(World Standard Format-WSF), hay LTWG (Specified by Landsat Technical

Working Group) Mặt khác, hai khuôn dạng dữ liệu là BIL và BSQ cũng được

chọn là hai khuôn dạng trong số những khuôn dạng chuẩn thế giới Hiện nay, một số vệ tinh của các nước khác lại ghi dữ liệu ở những khuôn dạng riêng của từng hệ thống Vì vậy, các phần mềm xử lý ảnh cũng luôn có sự bổ sung

để có thể đọc được các dạng tư liệu khác nhau