Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động lớp phủ bề mặtTiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động lànhững thay đổi lớp phủ trên bề mặt đấ
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Một số vấn đề lý luận về sử dụng đất nông nghiệp
2.1.1 Khái niệm về đất nông nghiệp và Nguyên tắc sử dụng đất nông nghiệp
2.1.1.1 Khái niệm về đất nông nghiệp
- Khái niệm về đất và đất đai:
+ Đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến những khái niệm, định nghĩa về đất Định nghĩa đầu tiên của học giả người Nga Đocutraiep năm 1987 cho rằng: “Đất là một vật thể thiên nhiên cấu tạo độc lập lâu đời do kết quả quá trình hoạt động tổng hợp của 5 yếu tố hình thành đất đó là: sinh vật, đá mẹ, khí hậu, địa hình và thời gian” (Đỗ Nguyên Hải, 2001). Định nghĩa này chưa đề cập đến khả năng sử dụng và sự tác động của các yếu tố khác tồn tại trong môi trường xung quanh Do đó, sau này một số học giả khác đã bổ sung các yếu tố: nước của đất, nước ngầm và đặc biệt là vai trò của con người để hoàn chỉnh khái niệm về đất nêu trên.
+ Đất đai là một khoảng không gian có giới hạn gồm: Khí hậu, lớp đất bề mặt, thảm thực vật, động vật, diện tích mặt nước, nước ngầm và khoáng sản trong lòng đất Trên bề mặt đất đai là sự kết hợp giữa các yếu tốthổ nhưỡng, địa hình, thuỷ văn, thảm thực vật cùng với các thành phần khác có vai trò quan trọng và ý nghĩa to lớn đối với hoạt động sản xuất và cuộc sống của xã hội loài người.
- Khái niệm về đất nông nghiệp: Đất nông nghiệp là đất được xác định chủ yếu để sử dụng cho sản xuất nông nghiệp như đất trồng cây hàng năm, đất trồng cây lâu năm, đất rừng sản xuất, rừng phòng hộ, rừng đặc dụng, đất nuôi trồng thuỷ sản, đất làm muối hoặc nghiên cứu thí nghiệm về nông nghiệp (Quốc Hội, 2003).
2.1.1.2 Nguyên tắc sử dụng đất nông nghiệp
- Sử dụng đất là một hệ thống các biện pháp nhằm điều hòa mối quan hệ người – đất trong tổ hợp với nguồn tài nguyên thiên nhiên khác và Môi trường Quy luật phát triển kinh tế - xã hội cùng với yêu cầu bền vững về mặt môi trường cũng như hệ sinh thái quyết định phương hướng chung và mục tiêu sử dụng đất hợp lý, phát huy tối đa công dụng của đất nhằm đạt tới lợi ích sinh thái, kinh tế, xã hội cao nhất Vì vậy sử dụng đất thuộc phạm trù hoạt động kinh tế của nhân loại Trong mỗi phương thức sản xuất nhât định, việc sử dụng đất theo yêu cầu của sản xuất và đời sống cần căn cứ vào thuộc tính tự nhiên của đất đai.
- Sử dụng đất nông nghiệp với mục tiêu nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trên cơ sở đảm bảo an ninh lương thực, thực phẩm, tăng cường nguyên liệu cho công nghiệp và hướng tới xuất khẩu.
- Sử dụng đất nông nghiệp trong sản xuất trên cơ sở cân nhắc các mục tiêu phát triển kinh tế xã hội, tận dụng tối đa lợi thế so sánh về điều kiện sinh thái và không làm ảnh hưởng xấu đến môi trường là những nguyên tắc cơ bản và cần thiết để đảm bảo cho khai thác sử dụng bền vững tài nguyên đất đai.
- Sử dụng đất nông nghiệp theo nguyên tắc “Đầy đủ, hợp lý và hiệu quả”.
2.1.2 Quan điểm sử dụng đất nông nghiệp
Các hoạt động của con người nhiều khi đã làm cho hệ sinh thái biến đổi vượt qua khả năng tự điều chỉnh của đất Con người đã không chỉ tác động vào đất đai mà còn tác động vào khí quyển, nguồn nước để tạo ra một nguồn lương thực, thực phẩm ngày càng nhiều trong khi các hoạt động cải tạo đất chưa được quan tâm đúng mức và hậu quả là đất đai cũng như các nhân tố khác bị thay đổi theo chiều hướng ngày một xấu đi Ngày nay, nhiều vùng đất đai màu mỡ đã bị thoái hóa nghiêm trọng, kéo theo sự xói mòn đất và suy giảm nguồn nước đi kèm với hạn hán, lũ lụt Vì vậy để đảm bảo cho cuộc sống của con người trong hiện tại và tương lai cần phải có những chiến lược về sử dụng đất để không chỉ duy trì những khả năng hiện có của đất mà còn khôi phục những khả năng đã mất Thuật ngữ “sử dụng đất bền vững” ra đời trên cơ sở mong muốn trên.
Nông nghiệp bền vững là tiền đề và điều kiện cho định cư lâu dài Một trong những cơ sở quan trọng nhất của nông nghiệp bền vững là thiết lập được các hệ thống sử dụng đất hợp lý Phát triển nông nghiệp bền vững nhằm khắc phục nạn ô nhiễm đất, nước không khí bởi hệ thống nông nghiệp và công nghiệp cùng với sự mất mát của của các loài động thực vật, suy giảm giảm các tài nguyên thiên nhiên không tái sinh Một trong những cơ sở quan trọng nhất của nông nghiệp bền vững là thiết lập được các hệ thống sử dụng đất hợp lý.Thuật ngữ sử dụng đất bền vững được dựa trên quan điểm sau:
- Duy trì và nâng cao các hoạt động sản xuất (thể hiện bằng năng suất).
- Giảm thiểu mức rủi ro trong sản xuất (mức độ an toàn).
- Bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, ngăn chặn sự thoái hoá đất và nước (bảo vệ).
- Có hiệu quả lâu bền.
- Được xã hội chấp nhận.
Theo FAO, phát triển nông nghiệp bền vững là sự quản lý và bảo tồn sự thay đổi về tổ chức và kỹ thuật nhằm đảm bảo thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của con người cả cho hiện tại và mai sau.
2.1.3 Các yếu tố tác động đến sử dụng đất nông nghiệp
2.1.3.1 Nhóm yếu tố về điều kiện tự nhiên Điều kiện về đất đai, khí hậu thời tiết có ý nghĩa quan trọng đối với sản xuất nông nghiệp Nếu điều kiện tự nhiên thuận lợi, các hộ nông dân có thể lợi dụng những yếu tố đầu vào không kinh tế thuận lợi để tạo ra nông sản hàng hoá với giá rẻ.
2.1.3.2 Nhóm các yếu tố kỹ thuật canh tác
Nhóm các biện pháp kỹ thuật đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong quá trình khai thác đất theo chiều sâu và nâng cao hiệu quả sử dụng đất nông nghiệp (Nguyễn Ích Tân, 2000).
2.1.3.3 Nhóm các yếu tố kinh tế tổ chức
- Công tác quy hoạch và bố trí sản xuất: Thực hiện phân vùng sinh thái nông nghiệp dựa vào điều kiện tự nhiên, dựa trên cơ sở phân tích, dự báo và đánh giá nhu cầu thị trường, gắn với quy hoạch phát triển công nghiệp chế biến, kết cấu hạ tầng, phát triển nguồn nhân lực và thể chế luật pháp về bảo vệ tài nguyên, môi trường sẽ tạo tiền đề vững chắc cho phát triển nông nghiệp hàng hoá.
- Hình thức tổ chức sản xuất:Các hình thức tổ chức sản xuất có ảnh hưởng trực tiếp đến việc khai thác và nâng cao hiệu quả sử dụng đất nông nghiệp Vì vậy, cần phải thực hiện đa dạng hoá các hình thức hợp tác trong nông nghiệp, xác lập một hệ thống tổ chức sản xuất, kinh doanh phù hợp và giải quyết tốt mối quan hệ giữa sản xuất - dịch vụ và tiêu thụ nông sản hàng hoá.
- Dịch vụ kỹ thuật: Sản xuất hàng hoá của hộ nông dân không thể tách rời những tiến bộ kỹ thuật và việc ứng dụng các tiến bộ khoa học công nghệ vào sản xuất Vì sản xuất nông nghiệp hàng hoá phát triển đòi hỏi phải không ngừng nâng cao chất lượng nông sản và hạ giá thành nông sản phẩm (Nguyễn Ích Tân, 2000).
2.1.3.4 Nhóm các yếu tố kinh tế - xã hội
Phát triển nông nghiệp theo hướng sản xuất hàng hoá cũng giống như ngành sản xuất vật chất khác của xã hội, nó chịu sự chi phối của quy luật cung cầu chịu sự ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố đầu vào, quy mô các nguồn lực như: đất, lao động, vốn sản xuất, thị trường, kiến thức và kinh nghiệm trong sản xuất và tiêu thụ nông sản (Smyth A.J and Dumanski J., 1993).
Tổng quan về kỹ thuật viễn thám
2.2.1 Khái quát về viễn thám
2.2.1.1 Định nghĩa về viễn thám
Viễn thám được định nghĩa như một khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tài nguyên chủ yếu trong viễn thám.Tuy nhiên những năng lượng như từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng.
Hình 2.1 Khối lập phương thể hiện mức độ quan trắc của viễn thám
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể gọi là bộ cảm Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang Vật mang có thể là khí cầu, máy bay, vệ tinh, tàu vũ trụ (Nguyễn Khắc Thời, 2011) Theo Toth and Jozkow (2016) thì do những tiến bộ vượt bậc về cấu trúc hạ tầng cơ sở công nghệ thông tin và những phát triển công nghệ bộ cảm, viễn thám đã có những biến đổi vượt qua các khái niệm thông thường Hình 2.1 cho ta thấy khoảng cách quan trắc dưới dạng một khối lập phương, có 3 thông số chính của bộ cảm: (a) độ phân giải không gian, thể hiện bằng GSD (khoảng cách tại mặt đất), (b) chu kỳ hay tần suất thu nhận hình ảnh, và (c) khoảng cách quan sát, là khoảng cách trung bình từ mặt đất đến vệ tinh/vật mang.
Khái niệm vật mang như hình 2.1 bao gồm không những vệ tinh và máy bay truyền thống, mà được bổ sung thêm UAS (Unmanned Aerial System) và Mobile/Static UAS hay còn được gọi là drone đang rất được quan tâm cả về nghiên cứu và ứng dụng trong những năm gần đây Các hệ thống lập bản đồ Mobile đã được hình thành ngay khi giới dân dụng được phép sử dụng công nghệ GPS; hệ thống cơ sở bao gồm bộ cảm lắp đặt trên phương tiện giao thông như ô tô, tàu hỏa, v.v nhằm thu thập dữ liệu không gian dọc theo các tuyến giao thông.
2.2.1.2 Nguyên lý chung của viễn thám
Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám.Tuy nhiên, những dạng năng lượng khác như từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng để khai thác thông tin Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ viễn cảm (Remote Sensor) thường gọi tắt là bộ cảm.Các máy chụp ảnh hoặc máy quét là những ví dụ về bộ cảm.
Phương tiện được sử dụng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang.Máy bay hoặc vệ tinh là những ví dụ về vật mang.
Các tính chất của vật thể có thể xác định được thông qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể.Viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ.
Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo các thông tin về đối tượng Viễn thám thu nhận, xử lý các thông tin này, từ các thông tin phổ nhận biết, xác định được các đối tượng.
R N C Mặt Công trình xây dựng, nhà
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám
2.2.2 Vệ tinh viễn thám và tư liệu sử dụng trong viễn thám
Vệ tinh có mang bộ cảm viễn thám gọi là vệ tinh viễn thám hay vệ tinh quan sát mặt đất Sau khi Liên Xô (cũ) phóng Sputnik, mở đâu kỷ nguyên vũ trụ thì năm 1972 Hoa Kỳ bắt đầu dùng vệ tinh quan sát mặt đất Hình 2.1 cho thấy số lượng quốc gia sở hữu vệ tinh đã đạt đến con số 23 năm 2013, trong đó bao gồm cả Việt Nam (VNM).
Hình 2.3 Thời gian các quốc gia phóng vệ tinh Tên viết tắt theo chuẩn quốc tế IOS 3166
Bảng 2.1 trình bày đặc điểm của một số bộ cảm chính hiện nay chia theo độ phân giải từ thấp đến cao
Loại bộ cảm Kờnh phổ Bước súng (àm) Chu kỳ Độ phõn giải
Kênh 3 0,79-0,89 (near IR) Kênh 4 1,58-1,75 (sh.w IR) Landsat Kênh 1 0,5-0,6 (green)
Kênh 4 0,8 – 1,1 (near IR) Kênh 1 0,45 – 0,52 (blue) Kênh 2 0,52 – 0,60 (green)
TM/ETM Kênh 4 0,76 – 0,9 (near IR)
Kênh 3 0,63 – 0,69 (red) Kênh 4 0,76 – 0,90 (near IR)
Nguồn: FAO (2014)Chi tiết một số hệ thống dược trình bày chi tiết trong phần sau.
2.2.2.1 Các loại vệ tinh viễn thám
Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972, cho đến nay đã có bảy thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km và có thời điểm bay qua xích đạo là 9h 39’ sáng Dữ liệu do 2 bộ cảm biến TM và MSS thu nhận được chia thành các cảnh phủ một vùng trên mặt đất 185×170km được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của tuyến và hàng Các giá trị của pixel được mã hoá 8 bit tức là cấp độ xám ở quỹ đạo trong khoảng 0÷255 (Nguyễn Khắc Thời, 2011; Phạm Vọng Thành, 2013).
Bảng 2.2 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh LANDSAT Độ cao bay 915 km ( Landsat -1-3)
Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời
Chu kỳ lặp 18 ngày ( Landsat -1-3)
16 ngày ( Landsat -4,5,7) Thời gian hoàn tất Khoảng 103 phút ( Landsat -1-3)
Chu kỳ quỹ đạo Khoảng 99 phút ( Landsat -4,5,7)
Năm phóng vào quỹ đạo 1978 ( Landsat -3) 1982 ( Landsat -4)
Vệ tinh SPOT-1 được cơ quan hàng không Pháp (Système Pour L`Observation de la Terre) phóng lên quỹ đạo vào năm 1986, các năm 1990, 1993,
1998, và 2002 lần lượt các vệ tinh SPOT-2,3,4 và 5 được đưa vào hoạt động Đây là loại vệ tinh đầu tiên sử dụng kỹ thuật quét dọc tuyến chụp với hệ thống quét điện tử có khả năng cho ảnh lập thể dựa trên nguyên lý quan sát nghiêng.
Bảng 2.3 Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh SPOT Độ cao bay 822 km
Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời
Thời gian hoàn tất quỹ đạo Khoảng 101 phút
Năm phóng vào quỹ đạo 1993 ( SPOT-3)
IKONOS là loại vệ tinh thương mại đầu tiên có độ phân giải cao (1m) được đưa vào không gian tháng 9/1999 do Công ty Space Imaging (Hoa Kỳ) và bắt đầu phổ biến ảnh độ phân giải cao từ tháng 3/2000 Bộ cảm biến OSA (Optical sensor assembly) của vệ tinh IKONOS sử dụng nguyên lý quét điện tử và có khả năng thu đồng thời ảnh toàn sắc và đa phổ Ngoài khả năng tạo ảnh có độ phân giải cao nhất vào thời điểm năm 2000, ảnh IKONOS còn có độ phân giải bức xạ rất cao vì sử dụng đến 11bít để ghi nhận năng lượng phản xạ (Phạm Vọng Thành, 2013).
Vệ tinh World View-2 được phóng lên quỹ đạo ngày 8 tháng 10 năm 2009 tại Vandenberg, California, Hoa Kỳ.
1 Thu nhận ảnh có độ phân giải: 0,46 m (toàn sắc); 1,8 m (đa phổ); 0,52m (toàn sắc) ; 2,4 m (đa phổ) (tại góc chụp 20°);
2 Diện tích thu nhận/1 ảnh: 16,4 km x 16,4 km;
3 Chu kỳ: 1,1 ngày (ở 1m GSD) hoặc ít hơn và 3,7 ngày ở 200 (0,52m GSD).
Vệ tinh Sentinel-2 được phóng lên quỹ đạo ngày 23/6/2015 bởi ESA Để ành thu được đạt độ chính xác cao, người ta sử dụng đồng thời 2 vệ tinh (Sentinel-
2 A và Sentinel-2 B) Quỹ đạo của vệ tính ở độ cao 786 km (488 mi), gần với quỹ đạo Landsat và trùng khớp với quỹ đạo vệ tinh SPOT.
1 Thu nhận ảnh cú độ phõn giải: 0.4-2.4 àm (VNIR + SWIR);
2 Số kênh phổ: 13 4 kênh có độ phân giải 10m, 6 kênh có độ phân giải 20m, 3 kênh có độ phân giải 60m;
3 Trọng tải: MSI (Multi Spectral Instrument);
4 Kích thước pixel: < 1 ha MMU (Minimum Mapping Unit);
5 Chu kỳ: Ở xích đạo là 5 ngày, ở vĩ độ là 3 ngày.
2.2.2.2 Tư liệu sử dụng trong viễn thám
Kết quả của việc thu nhận ảnh từ vệ tinh hay máy bay ta sẽ có những tấm ảnh ở dạng tương tự hay dạng số, lưu trữ trên phim ảnh hoặc trên băng từ.
(a) Ảnh tương tự Ảnh tương tự là ảnh chụp trên cơ sở của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh tương tự thu được từ các bộ cảm tương tự dùng phim chứ không sử dụng các hệ thống quang điện tử Những tư liệu này có độ phân giải không gian cao nhưng kém về độ phân giải phổ Nói chung loại ảnh này thường có độ méo hình lớn do ảnh hưởng của độ cong bề mặt trái đất Vệ tinh Cosmos của Nga thường sử dụng loại bộ cảm này.
(b) Ảnh số Ảnh số là dạng tư liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim Nó được chia thành nhiều phân tử nhỏ thường được gọi là pixel Mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian Quá trình chia mỗi ảnh tương tự thành các pixel được gọi là chia mẫu (Sampling) và quá trình chia các độ xám liên tục thành một số nguyên hữu hạn gọi là lượng tử hóa Các pixel thường có dạng hình vuông Mỗi pixel được xác định bằng tọa độ hàng và cột Hệ tọa độ ảnh thường có điểm 0 ở góc trên bên trái và tăng dần từ trái sang phải đối với chỉ số cột và từ trên xuống đối với chỉ số hàng Trong trường hợp chia mẫu một ảnh tương tự thành một ảnh số thì độ lớn của pixel hay tần số chia mẫu phải được chọn tối ưu Độ lớn của pixel quá lớn thì chất lượng ảnh sẽ tồi, còn trong trường hợp ngược lại thì dung lượng thông tin lại quá lớn.
Tổng quan về GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tập công cụ để thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện mục đích cụ thể Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua:
- Vị trí địa lý của đối tượng thông qua một hệ toạ độ.
- Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí.
- Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topo) Một số định nghĩa về GIS:
- Hệ thống thông tin Địa lý là một hệ thống bao gồm các phần mềm, phần cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích,biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất.
- Hệ thống thông tin địa lý là một tập hợp những nguyên lý, phương pháp, công cụ và dữ liệu không gian được sử dụng để quản lý, duy trì, chuyển đổi, phân tích, mô hình hoá, mô phỏng, làm bản đồ những hiện tượng và quá trình phân bố trong không gian địa lý
Hình 2.5 Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau
Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược).
GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý.
2.3.2 Các thành phần chính của GIS
Một hệ thống thông tin địa lý được kết hợp bới 5 thành phần chính là:
Phần cứng của một hệ GIS gồm máy vi tính, cấu hình và mạng công việc của máy tính, các thiết bị ngoại vi nhập xuất dữ liệu và lưu trữ dữ liệu Ngày nay,phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng.
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý; Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS); Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý; Giao diện đồ hoạ người-máy để truy cập các công cụ dễ dàng.
Hình 2.6 Các thành phần chính của GIS
Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu trữ và quản lý dữ liệu.
Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng của GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc.
Mỗi dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và người sử dụng hệ thống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý và công nghệ GIS.
2.3.3 Ứng dụng của GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường
Ngày nay, GIS là một công cụ trợ giúp quyết định sự thành công trong nhiều hoạt động kinh tế-xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có khả năng đánh giá hiện trạng của quá trình, các thực thể của tự nhiên, kinh tế-xã hội thông qua chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào Do đó, việc ứng dụng hệ thống thông tin địa lý là rất cần thiết, phù hợp với xu thế tin học hóa xã hội và yêu cầu phát triển kinh tế-xã hội của tất cả các quốc gia.
Nhờ những khả năng phân tích và xử lý đa dạng, kỹ thuật GIS hiện nay được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, được xem là công cụ hỗ trợ quyết định đặc biệt là trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường GIS được ứng dụng để quản lý các tài nguyên như: Tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên rừng, tài nguyên sinh vật, tài nguyên kháng sản… (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
Khái quát về tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để lập bản đồ biến động sử dụng đất 20 1 Khái quát về bản đồ biến động sử dụng đất và các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất 20 2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất trên thế giới 23 3 Tích hợp viễn thám và GIS để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất ở Việt Nam 26 2.5 Tóm tắt tổng quan
2.4.1 Khái quát về bản đồ biến động sử dụng đất và các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất
2.4.1.1 Khái quát về bản đồ biến động sử dụng đất
Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạng thái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại các thời điểm khác nhau. Để nghiên cứu biến động đất, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau từ số liệu thống kê, từ các cuộc điều tra Các phương pháp này mặc dù có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng nhược điểm của chúng là tốn kém thời gian và kinh phí đồng thời chúng không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất gì sang loại đất gì và diễn ra ở khu vực nào (vị trí không gian của sự thay đổi).
Người ta dùng bản đồ biến động sử dụng đất để thể hiện, bao quát những biến đổi trạng thái sử dụng đất ngoài thực địa Bản đồ biến động sử dụng đất là bản đồ chuyên đề phản ánh tình hình biến động sử dụng đất theo những nội dung và tỷ lệ khác nhau.
2.4.1.2 Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động lớp phủ bề mặt
Tiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động là những thay đổi lớp phủ trên bề mặt đất phải đưa đến sự thay đổi về giá trị bức xạ và những sự thay đổi về bức xạ do sự thay đổi lớp phủ phải lớn hơn so với những thay đổi về bức xạ gây ra bởi các yếu tố khác Những yếu tố khác baogồm sự khác biệt về điều kiện khí quyển, sự khác biệt về góc chiếu tia mặt trời, sự khác biệt về độ ẩm của đất.Ảnh hưởng của các yếu tố này có thể được giảm từng phần bằng cách chọn dữ liệu thích hợp.
Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động rất quan trọng.Trước tiên, chúng ta phải xác định được phương pháp phân loại ảnh mà ta sử dụng.Sau đó cần xác định rõ yêu cầu nghiên cứu có cần biết chính xác thông tin về nguồn gốc của sự biến động hay không.Từ đó có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.Tuy nhiên tất cả các nghiên cứu đều cho thấy rằng, các kết quả về biến động đều phải được thể hiện trên bản đồ biến động và bảng tổng hợp.Các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau sẽ cho những bản đồ biến động khác nhau Có nhiều phương pháp nghiên cứu biến động, tuy nhiên trong đó có một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động, bao gồm: Phương pháp so sánh sau phân loại, phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian, phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ, phương pháp số học, phương pháp sử dụng mạng nhị phân, phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ đã có, phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh, phương pháp kết hợp.
1 Phương pháp so sánh sau phân loại
Bản chất của phương pháp này là từ kết quả phân loại ảnh ở hai thời điểm khác nhau ta thành lập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm đó.Sau đó chồng ghép hai bản đồ hiện trạng để xây dựng bản đồ biến động.
2 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian
Phương pháp này thực chất là chồng xếp hai ảnh của hai thời kỳ với nhau để tạo thành ảnh biến động.Sau đó dựa vào ảnh biến động ta tiến hành phân loại và thành lập bản đồ biến động.
3 Phương pháp phân tích vectơ thay đổi phổ
Khi ở trong khu vực nghiên cứu có biến động xảy ra thì nó được thể hiện bằng sự khác biệt về phổ ở hai thời điểm trước và sau biến động.Sự thay đổi có xảy ra hay không được quyết định bởi vec tơ thay đổi phổ có vượt ra khỏi ngưỡng quy định hay không.Giá trị ngưỡng được xác định từ kết quả thực nghiệm dựa vào các mẫu biến động và không biến động Sau đó lớp thông tin thể hiện sự thay đổi hay không thay đổi sẽ được đặt lên trên tấm ảnh để thành lập bản đồ biến động.
4 Phương pháp số học Đây là phương pháp đơn giản để xác định mức độ biến động giữa hai thời điểm bằng cách sử dụng tỉ số giữa các ảnh trên cùng một kênh hoặc sự khác nhau trên cùng một kênh của các thời điểm chụp ảnh.
Trước tiên các ảnh được nắn về cùng một hệ tọa độ.Sau đó dùng các biến đổi số học để tạo ra các ảnh thay đổi.
5 Phương pháp sử dụng mạng nhị phân
Tiến hành lựa chọn để phân tích ảnh thứ nhất tại thời điểm n, ảnh thứ 2 có thể sớm hơn ảnh thứ nhất n-1 hoặc muộn hơn n+1 Các ảnh được nắn chỉnh về cùng một hệ tọa độ.
Phân loại ảnh thứ nhất theo phương pháp phân loại thông thường Tiếp theo lần lượt lựa chọn 1 trong các kênh từ 2 ảnh để tạo ra các tệp dữ liệu mới Các tệp dữ liệu này sẽ được phân tích bằng các phép biến đổi số học để tính toán các chỉ số và tạo ra một ảnh mới.Sau đó sử dụng kỹ thuật phân ngưỡng để xác định các vùng thay đổi và không thay đổi trên ảnh mới này, ảnh thay đổi được ghi lại trên một tệp
‘’mạng nhị phân’’ chỉ có hai giá trị ‘’thay đổi’’ và ‘’không thay đổi’’ Sau đó mạng nhị phân này được chồng phủ lên ảnh thứ 2 để phân tích và chỉ ra các pixel thay đổi, khi đó chỉ các pixel được xác định là có sự thay đổi được phân loại trên ảnh thứ 2 này Sau đó sử dụng phương pháp so sánh sau phân loại truyền thống để tìm ra thông tin biến động.
6 Phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ đã có
Trong một số trường hợp, khu vực nghiên cứu đã có bản đồ hiện trạng được thành lập hoặc bản đồ được số hóa thì thay vì sử dụng ảnh viễn thám ở thời điểm 1 chúng ta sử dụng nguồn dữ liệu sẵn có.Phân loại ảnh ở thời điểm thứ 2, sau đó tiến hành so sánh các pixel để tìm ra biến động và thông tin biến động.
7 Phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh
Trong phương pháp này ta chọn một kênh ảnh nhất định,sau đó ghi từng ảnh ở các thời điểm lên một băng từ đặc biệt của hệ thống xử lý ảnh số Khi đó màu sắc của dữ liệu ảnh chồng xếp sẽ cho thấy sự biến động hay không biến động theo nguyên lý tổ hợp màu.
Thực chất của phương pháp này là vectơ hóa những vùng biến động từ tư liệu ảnh có độ phân giải cao như ảnh SPOT hoặc ảnh hàng không.
Tiến hành phân loại ảnh tại thời điểm dữ liệu ảnh có độ phân giải thấp hơn theo phương pháp phân loại không kiểm định, xây dựng bản đồ hiện trạng tại thời điểm đó Tiếp theo chồng xếp bản đồ lên trên ảnh có độ phân giải cao để phát hiện biến động Tiến hành vec tơ hóa những vùng biến động.
2.4.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất trên thế giới
Việc sử dụng kết hợp viễn thám và GIS cho nhiều mục đích khác nhau đã trở nên rất phổ biến trên toàn thế giới trong thời đại ngày nay. Đối với nhiều quốc gia trên thế giới để quản lý và quy hoạch sử dụng đất một cách hợp lý, có hiệu quả họ đã sử dụng công nghệ viễn thám kết hợp với dữ liệu GIS. Như ở Nhật Bản để đưa ra những đánh giá về năng suất thực ban đầu cho các nước Châu Á người ta sử dụng viễn thám và GIS kết hợp với dữ liệu thống kê về các sản phẩm nông nghiệp Hay ở Trung Quốc đã sử dụng ảnh SAR ở các thời điểm khác nhau trên cơ sở kết hợp với bản đồ địa hình,bản đồ sử dụng đất để cập nhật nhanh bản đồ đất trồng lúa cho các tỉnh Ngoài ra để đánh giá mức độ thích hợp của đất đối với các loại cây trồng nông nghiệp thì tư liệu viễn thám được sử dụng để phân loại các đối tượng sử dụng đất còn dữ liệu GIS là các bản đồ nông hoá thổ nhưỡng, bản đồ địa hình, bản đồ chế độ tưới tiêu.