Ứng dụng viễn thám và gis trong thành lập bản đồ biến động giai đoạn 2010 – 2014 và dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2019 trên địa bàn huyện đô lương – tỉnh nghệ an

Hiểu được yêu cầu cần thiết đó, và để đáp ứng một cách nhanh chóng, kịp thời về hiện trạng sử dụng đất tại thời điểm hiện tại đồng thời xem xét về sự biến động sử dụng đất trong thời gia

333 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐỊA LÝ - QLTN

===  ===

NGUYỄN VĂN ANH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG GIAI ĐOẠN 2010 – 2014 VÀ DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN NĂM 2019 TRÊN ĐỊA BÀN

HUYỆN ĐÔ LƯƠNG - TỈNH NGHỆ AN

NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Vinh, tháng 5 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐỊA LÝ - QLTN

===  ===

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG GIAI ĐOẠN 2010 – 2014 VÀ DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN NĂM 2019 TRÊN ĐỊA BÀN

HUYỆN ĐÔ LƯƠNG - TỈNH NGHỆ AN

NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

LỚP : 52K1 – QLTN&MT

Vinh, tháng 5 năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt

thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường trường Đại học Vinh đến nay, em đã

nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ dạy bảo tận tình của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến

quý thầy, cô hiện đang công tác và giảng dạy tại Khoa Địa Lý – Quản Lý Tài

Nguyên, trường Đại Học Vinh đã tận tâm dạy bảo và truyền đạt những kiến thức

quý báu cho em trong suốt quá trình học tập 4 năm qua

Và em xin chân thành cảm ơn giảng viên TS.Lương Thị Thành Vinh – người

đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo UBND huyện Đô Lương, Lãnh đạo phòng Tài nguyên và Môi trường và các phòng ban ngành có liên quan đã tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp những tài liệu, số liệu xác thực để em hoàn thành đề tài

Bên cạnh đó, em muốn chuyển lời cảm ơn chân thành đến gia đình và bạn bè

đã luôn động viên và giúp đỡ em trong thời gian vừa qua

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 1

3 Quan điểm nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Cấu trúc đề tài 6

NỘI DUNG 7

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN CỦA ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT 7

1.1 Cơ sở lý luận 7

1.1.1 Tổng quan về viễn thám 7

1.1.2 Tổng quan về GIS 8

1.1.3 Chuỗi Markov 11

1.1.4 Tổng quan về biến động sử dụng đất 13

1.2 Cơ sở thực tiễn 31

1.2.1 Tổng quan tình hình ứng dụng viễn thám và GIS trên thế giới 31

1.2.2 Tổng quan tình hình ứng dụng viễn thám và GIS ở Việt Nam 31

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ HUYỆN ĐÔ LƯƠNG - TỈNH NGHỆ AN 34

2.1 Khái quát huyện Đô Lương – tỉnh Nghệ An 34

2.1.1 Vị trí địa lý - điều kiện tự nhiên 34

2.1.2 Đặc điểm dân cư và kinh tế - xã hội 40

2.2 Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và môi trường 47

2.2.1 Những lợi thế 47

2.2.2 Khó khăn 48

2.3 Hiện trạng sử dụng đất trên địa bàn huyện Đô Lương 48

2.3.1 Đất nông nghiệp 49

2.3.2 Đất phi nông nghiệp 49

2.3.3 Đất chưa sử dụng 51

2.3.4 Đất đô thị 51

2.3.5 Đất khu dân cư nông thôn 51

Chương 3:ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG GIAI ĐOẠN 2010 – 2014 VÀ CHUỖI MARKOV TRONG DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN NĂM 2019 TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN ĐÔ LƯƠNG - TỈNH NGHỆ AN 52

3.1 Tiến hành quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất 52

3.1.1 Dữ liệu ảnh phục vụ cho quá trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất huyện Lương - tỉnh Nghệ An 52

3.1.2 Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu 53

3.1.3 Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Đô Lương 60

3.1.4 Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất huyện Đô Lương giai đoạn 2010 - 2014 65

3.1.5 Phân tích, đánh giá biến động sử dụng đất giai đoạn 2010 – 2014 68

3.1.6 Dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2019 72

3.1.7 Đề xuất một số giải pháp sử dụng đất bền vững 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

1 Kết luận 76

2 Kiến nghị 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GIS: Hệ thống thông tin địa lý

UBND: Ủy ban nhân dân

DHQG HN: Đại học quốc gia Hà Nội

DHNN HN: Đại học nông nghiệp Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.1 Thông tin dữ liệu ảnh sử dụng trong đề tài 52

Bảng 3.2 Diện tích các loại đất trên ảnh sau phân loại năm 2010 61

Bảng 3.3 Diện tích các loại đất trên ảnh sau phân loại năm 2014 61

Bảng 3.4 So sánh dữ liệu ảnh phân loại với dữ liệu kiểm kê đất đai (đơn vị: ha) 64

Bảng 3.5 Mã loại hình sử dụng đất năm 2010 và năm 2014 65

Bảng 3.6 Thống kê diện tích theo loại hình sử dụng đất tại các thời điểm năm 2010 và 2014 theo hiện trạng sử dụng đất 68

Bảng 3.7 Thống kê diện tích các loại hình theo mã 69

Bảng 3.8 Ma trận biến động diện tích các loại hình sử dụng đất giai đoạn 2010 - 2014 sau khi chồng lớp 70

Bảng 3.9 Ma trận biến động diện tích các loại hình sử dụng đất giai đoạn 2010 - 2014 sau hiệu chỉnh 70

Bảng 3.10 Ma trận về xác suất của sự thay đổi xác định từ việc chồng ghép bản đồ hiện trạng sử dụng đất giai đoạn 2010 – 2014 72

Bảng 3.11 So sánh kết quả dự báo đến năm 2019 và quy hoạch sử dụng đất của huyện Đô Lương năm 2020 73

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp so sánh sau

phân loại 17

Hình 1.2 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân loại ảnh đa thời gian 18

Hình 1.3 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp mạng nhị phân 20

Hình 1.4 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh 22

Hình 1.5.Quy trình thành lập bản đồ biến động lớp đất phủ 25

Hình 2.1 Vị trí huyện Đô Lương trên bản đồ tỉnh Nghệ An 34

Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu trên ảnh vệ tinh Landsat chụp huyện Đô Lương 52

Hình 3.2 Khu vực nghiên cứu trên ảnh vệ tinh Landsat chụp huyện Đô Lương 53

Hình 3.3 Toạ độ các cặp điểm nắn ảnh Landsat năm 2010 và sai số nắn ảnh 54

Hình 3.4 Sai số trong nắn ảnh landsat năm 2010 theo vector giao thông 54

Hình 3.5 Ảnh vệ tinh Landsat LT khu vực Đô Lương năm 2010 (7-4-2) 55

Hình 3.6 Ảnh vệ tinh Landsat LC khu vực Đô Lương năm 2014 (7-5-4) 55

Hình 3.7 Mẫu khoá giải đoán 57

Hình 3.8 mẫu phân loại năm 2010 58

Hình 3.9 mẫu phân loại năm 2014 58

Hình 3.10 ảnh phân loại năm 2010 59

Hình 3.11 ảnh phân loại năm 2014 59

Hình 3.12 Độ phân tách giữa các lớp năm 2010 59

Hình 3.13 Độ phân tách giữa các lớp năm 2014 60

Hình 3.14 Ma trận sai số phân loại ảnh Landsat năm 2010 60

Hình 3.15 Ma trận sai số phân loại ảnh Landsat năm 2014 60

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đất đai là một tài nguyên thiên nhiên quý giá của mỗi quốc gia và nó cũng là yếu tố mang tính quyết định sự tồn tại và phát triển của con người và các sinh vật

khác trên trái đất C.Mác viết: “Đất đai là tài sản mãi mãi với loài người, là điều

kiện để sinh tồn, là điều kiện không thể thiếu được để sản xuất, là tư liệu sản xuất

cơ bản trong nông, lâm nghiệp” Bởi vậy, nếu không có đất đai thì không có bất kỳ

một ngành sản xuất nào, con người không thể tiến hành sản xuất ra của cải vật chất

để duy trì cuộc sống và duy trì nòi giống đến ngày nay Trải qua một quá trình lịch

sử lâu dài con người chiếm hữu đất đai biến đất đai từ một sản vật tự nhiên thành một tài sản của cộng đồng, của mỗi quốc gia Cho đến ngày nay cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội và quá trình đô thị hoá, thực trạng biến động nhu cầu sử dụng

sử dụng đất ở trên thế gới nói chung và Việt Nam nói riêng đang diễn ra ngày càng nhanh chóng, theo nhiều chiều hướng khác nhau Ở huyện Đô Lương, sau thời gian thực hiện công tác dồn điền đổi thửa, thực trạng sử dụng đất đã có nhiều thay đổi rõ rệt, trong khi đó công tác đo vẽ, kiểm kê đất diễn ra còn chậm và thiếu hiệu quả, không đáp ứng kịp thời nhu cầu cần thiết trong đo vẽ để thành lập bản đồ, đặc biệt

là xem xét sự biến động về nhu cầu sử dụng đất so với các năm trước để xem xét đánh giá so với kế hoạch đã đề ra cũng như dự báo biến động nhằm cung cấp thông tin cho việc lập kế hoạch phát triển kinh tế giai đoạn tiếp theo

Hiểu được yêu cầu cần thiết đó, và để đáp ứng một cách nhanh chóng, kịp thời về hiện trạng sử dụng đất tại thời điểm hiện tại đồng thời xem xét về sự biến

động sử dụng đất trong thời gian qua, tôi đã chọn đề tài “Ứng dụng viễn thám và gis

trong thành lập bản đồ biến động giai đoạn 2010 – 2014 và dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2019 trên địa bàn huyện Đô Lương – tỉnh Nghệ An” với mong

muốn góp một phần nào đó vào trong việc giải quyết khó khăn trong công tác đo vẽ, tính toán diện tích và dự báo biến động sử dụng đất vốn mất rất nhiều công sức và thời gian

2 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động sử dụng đất trên địa bàn huyện Đô Lương giai đoạn 2010 – 2014

và dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2019 nhằm phục vụ cho công tác kiểm kê

và lập kế hoạch sử dụng đất

2.2 Nhiệm vụ

Nhiệm vụ của đề tài bao gồm có 3 nhiệm vụ chính:

- Tổng quan cơ sở lí luận và cơ sở thực tiễn về ứng dụng viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ biến động sử dụng đất

- Khái quát về huyện Đô Lương – tỉnh Nghệ An

- Ứng dụng viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2010 - 2014 và chuỗi Markov trong dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2019 trên địa bàn huyện Đô Lương – tỉnh Nghệ An

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn:

- Về mặt thời gian: đề tài được thực hiện từ ngày 02/01/2015 đến ngày 15/05/2015

- Về không gian: đề tài nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi ranh giới hành chính huyện Đô Lương – tỉnh Nghệ An

- Về nội dung: đề tài tập trung thành lập bản đồ và đánh giá độ chính xác kết quả biến động thu được

- Về dữ liệu: quá trình nghiên cứu dựa chủ yếu vào tư liệu ảnh đa thời gian bao gồm các ảnh Landsat chụp năm 2010 và 2014 Một số dữ liệu bổ sung khác bao gồm các loại bản đồ, số liệu thống kê, và một số số liệu thực địa đã được kết hợp sử dụng

3 Quan điểm nghiên cứu

3.1 Quan điểm hệ thống

Trong tự nhiên, không một sự vật hiện tượng nào tồn tại một cách độc lập, riêng lẻ mà là một bộ phận của toàn thế chứa đựng vật thể ấy Trong nghiên cứu về đất đai cũng vậy, cần phải xem xét một cách toàn diện nhiều mặt, nhiều mối quan

hệ, trong trạng thái vận động và phát triển của các hình thức sử dụng Hệ thống là

sử dụng đất là tập hợp các yếu tố về tự nhiên và tác động của con người có mối quan hệ với nhau tạo thành một chỉnh thể trọn vẹn Trong thực tiễn, mọi sự vật hiện tượng đều là một chỉnh thể toàn vẹn thì bao giờ cùng là một hệ thống được cấu trúc bởi nhiều bộ phận, nhiều thành tố Các bộ phận này có vị trí độc lập, có chức năng riêng và có những quy luật vận động riêng nhưng chúng lại có quan hệ biện chứng

với nhau, theo mối quan hệ vật chất và mối quan hệ chức năng và vận động theo quy luật của toàn bộ hệ thống

Xét trong nội dung của đề tài “Ứng dụng viễn thám và gis trong thành lập

bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2010 – 2014 và dự báo biến động sử dụng đất đến năm 2019 trên địa bàn huyện Đô Lương – tỉnh Nghệ An” thì sự vật hiện

tượng đây là đất đai gắn liền với các hoạt động sản xuất của con người trên đất Đất được hình thành bởi nhiều nhân tố như đá mẹ, địa chất, khí hậu, thủy văn, sinh vật,… Các nhân tố này đều có vị trí độc lập, chức năng riêng, chúng tồn tại và có tác động với nhau để hình thành nên đất đai Để nghiên cứu rõ hơn về biến động sử dụng đất thì chúng ta cần phân tích một cách có hệ thống từ các yếu tố tự nhiên đến các tác động của con người trong việc sử dụng đất trong hoạt động sản xuất

3.2 Quan điểm tổng hợp - lãnh thổ

Đất đai là vật thể thiên nhiên hình thành lâu đời do kết quả quá trình hoạt động tổng hợp của các yếu tố: đá mẹ, động thực vật, khí hậu, địa hình và thời gian Tất cả các loại đất đai trên trái đất được hình thành sau quá trình biến đổi trong thiên nhiên, chất lượng đất đai phụ thuộc vào đá mẹ, khí hậu, địa hình, sinh vật sống trên và trong đất Dựa vào vị trí, tính chất đất mà con người sử dụng đất vào các mục đích khác nhau, muốn nghiên cứu được biến động sử dụng đất thì ta cần phải xem xét, hiểu rõ một cách tổng hợp các thành phần, các tác động ảnh hưởng đến đặc điểm và chất lượng của đất, các nhu cầu của con người trong khai thác sử dụng tài nguyên này

Đất đai nói riêng hay lớp vỏ cảnh quan của trái đất nói chung đều có sự phân hóa theo không gian Lớp vỏ cảnh quan phản ánh các tác động bên trong và các yếu

tố ngoại vi tác động lên trái đất Khi ngiên cứu về đất đai chúng ta cần phải chú trọng đến “quan điểm lãnh thổ” hay nói cách khác là chúng ta cần nắm vững kiến thức về sự phân hóa cảnh quan, để có thể có các biện pháp, các cách sử dụng sao cho đạt được tối ưu hiệu quả về mặt kinh tế mà đất đai mang lại

Trong đề tài quan điểm tổng hợp – lãnh thổ được đề cập đến ở những khía cạnh về các loại đất, nhu cầu sử dụng đất cũng như sự biến động sử dụng đất giai đoạn 2010 – 2014 của huyện Đô Lương, tỉnh Nghệ An

3.3 Quan điểm lịch sử viễn cảnh

Dù bất cứ một đối tượng địa lý nào cũng có nguồn gốc phát sinh, quá trình tồn tại và phát triển Sự phát triển kinh tế nói chung không phải là yếu tố ổn định

mà là yếu tố vận động có mối quan hệ phù hợp Các biến động đều xảy ra trong những điều kiện địa lý nhất định và với xu hướng nhất định Xu hướng phát triển của chúng ta là đi từ quá khứ đến tương lai Với quan điểm lịch sử - viễn cảnh ta sẽ nhìn thấy đối tượng trong quá khứ, liên hệ hiện tại và sau đó phác họa bức tranh toàn cảnh cho sự phát triển trong tương lai Trong đề tài, quan điểm lịch sử - viễn cảnh được thể hiện ở việc từ quá khứ đến hiện tại, “tài nguyên đất” trên địa bàn huyện Đô Lương đã được khai thác như thế nào để phục vụ cho sự phát triển kinh tế

- xã hội Từ đó, chúng ta sẽ có những định hướng như thế nào cho khai thác và bảo

vệ “tài nguyên đất” nhằm hướng tới sự “phát triển bền vững” trong tương lai

3.4 Quan điểm phát triển bền vững

Phát triển được hiểu là một quá trình lớn lên, tăng tiến mọi lĩnh vực Bất cứ trong lĩnh vực nào, sự phát triển đều thỏa mãn các thành tố như: sự tăng lên về cả chất và lượng, sự thay đổi về cơ cấu, thể chế, chủng loại, tổ chức, sự thay đổi về thị trường, và giữ công bằng xã hội, an ninh, trật tự (Fajardo, 1999) Sử dụng đất cũng không nằm ngoài nội dung đó Theo tạp chí cộng sản (22/10/2008), sử dụng đất bền vững là khái niệm động và tổng hợp, liên quan đến các lĩnh vực kinh tế, xã hội, văn hóa, môi trường, hiện tại và tương lai Sử dụng đất bền vững là giảm suy thoái đất

và nước đến mức tối thiểu, giảm chi phí sản xuất bằng cách sử dụng hệ thống các nguồn tài nguyên bên trong và áp dụng hệ thống quản lý phù hợp Sử dụng đất bền vững trong nông nghiệp liên quan trực tiếp đến hệ thống canh tác cụ thể nhằm duy trì và nâng cao thu nhập, bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên và thức đẩy phát triển nông thôn

Mục tiêu cuối cùng của đề tài đó là thành lập được bản đồ biến động sử dụng đất, dự báo tính hình biến động có thể xảy ra trong tương lai nhằm đánh giá tính phù hợp trong công tác khai thác và sử dụng đất hiện tại, để có các điều chỉnh kế hoạch hợp lý trong tương lai sao cho đạt được hiểu quả kinh tế cao nhất và bền vững nhất

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Phương pháp thu thập và xử lý thông tin

Phương pháp này là phương pháp cơ bản nhất được sử dụng nhiều trong các

đề tài nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp thu thập số liệu một cách có chọn lọc để thu thập các tài liệu đã có của các cơ quan liên quan như:

- Tài liệu về điều kiện kinh tế - xã hội của huyện Đô Lương

- Số liệu kiểm kê đất đai của các năm 2010 và 2014 của huyện Đô Lương

- Bản đồ hiện trạng sự dụng đất năm 2010 của huyện Đô Lương

- File vecter ranh giới hành chính huyện và 33 xã thị trấn thuộc huyện Đô Lương

Sau đó thông tin được chắt lọc, xử lý để phù hợp với yêu cầu mục đích sử dụng của đề tài

4.2 Phương pháp so sánh và phân tích thống kê

Phân tích thống kê là nêu ra một cách tổng hợp bản chất cụ thể của các hiện tượng và quá trình kinh tế xã hội trong điều kiện lịch sử nhất định qua biểu hiện bằng số lượng

Nói cụ thể phân tích thống kê là xác định mức độ nêu lên sự biến động biểu hiện tính chất và trình độ chặt chẽ của mối liên hệ hiện tượng Phân tích thống kê phải lấy con số thống kê làm tư liệu, lấy các phương pháp thống kê làm công cụ nghiên cứu Khi tiến hành nghiên cứu biến động sử dụng đất đề tài đã sử dụng phương pháp so sánh, phân tích, thống kê để so sánh, đánh giá độ chính xác của kết quả đạt được

so với số liệu thực tiễn

4.3 Phương pháp khảo sát thực địa

Nghiên cứu thực địa (field research) là loại hình nghiên cứu khác so với nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu sách vở Khi thực hiện đề tài này tác giả đã tiến hành khảo sát thực địa ở huyện Đô Lương, tỉnh Nghệ An Các kết quả đạt được như: nhìn nhận tổng quan về các yếu tố tự nhiên (địa hình, thỗ nhưỡng, thủy văn, sinh vật,…) và các hoạt động sản xuất kinh tế - xã hội gắn liền với đất đai của người dân để kiểm tra độ chính xác kết quả đạt được trong nghiên cứu đề tài

Trong đề tài, phương pháp này được sử dụng để giải đoán hiện trạng sử dụng đất của các năm được tiến hành dựa vào khả năng tách biệt hoàn toàn các đối tượng

thực vật, đất, nước và các đối tượng khác,… trên tư liệu viễn thám nhờ độ phản xạ hoặc bức xạ của đối tượng Phương pháp chủ đạo được sử dụng trong đề tài là giải đoán bằng mắt trên máy tính kết hợp với các tính năng phân loại của phần mềm chuyên dụng Envi Cùng với đó là sự trợ giúp của cơ sở dữ liệu được lưu trữ và có thể hiện thị đồng thời với ảnh vệ tinh Các tư liệu ảnh viễn thám đã được nắn chỉnh hình học về một hệ quy chiếu bản đồ với sai số nắn chỉnh phải nhỏ hơn 1 pixel

4.5 Phương pháp hệ thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý với khả năng phân tích không gian, được sử dụng

để phân tích hiện trạng biến động sử dụng đất nhờ việc chồng xếp bản đồ hiện trạng

sử dụng đất của các thời gian khác nhau Các dữ liệu ảnh đã có toạ độ sẽ được chuyển vào môi trường hệ thông tin địa lý cùng các dữ liệu phụ trợ khác Kết quả giải đoán từng thời điểm sẽ được phân tích bằng phương pháp tính bảng chéo (Crossing Table) để tính ra biến động Tích hợp các thông tin viễn thám với các thông tin kinh tế xã hội khác sẽ giúp cho việc đánh giá mối liên quan giữa hiện trạng biến động sử dụng đất với các yếu tố kinh tế xã hội mà ta quan tâm

Trong đề tài này, phương pháp hệ thống thông tin địa lý được sử dụng cho việc chồng xếp các bản đồ hiện trạng sử dụng đất các năm 2010 và năm 2014, thống

kê tính toán diện tích biến động sử dụng đất giữa các thời kỳ, phục vụ cho công tác lập kế hoạch và dự đoán biến động

1.1.1.1 Khái niệm viễn thám

Hiện nay, công nghệ viễn thám được hiểu từ nhiều cách tiếp cận khác nhau, nhiều khái niệm được đưa ra song đều được hiểu chung với cùng nội dung như sau: viễn thám là môn khoa học thu nhận về hình dạng, kích thước và tính chất của một vật thể, một đối tượng từ một khoảng cách cố định, không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Điều này được thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản

xạ, bức xạ từ đối tượng và sau đó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin nói

trên (nguồn: Nguyễn Ngọc Thạch, cơ sở viễn thám, 2005 Nxb ĐHQG HN)

1.1.1.2 Nguyên tắc nghiên cứu biến động của viễn thám

Bản chất của viễn thám là sự thu nhận thông tin phản xạ từ các đối tượng trên mặt đất dưới tác dụng của năng lượng điện từ Như vậy, các giá trị độ xám của mỗi pixel (DN) có thể khác nhau giữa hai thời kỳ, tuỳ thuộc vào bản chất của pixel đó Ảnh biến động được xây dựng sẽ thể hiện được sự thay đổi trị số DN của từng pixel ảnh Giá trị đó có thể nêu lên nhiều tính chất khác nhau của đối tượng: ví dụ tính chất của nước, của đất đá, của các công trình xây dựng Đặc biệt sự biến động đó được ứng dụng trong nghiên cứu biến động của hàm lượng Chlorophyl của thực vật

Thực vật phản xạ mạnh ở vùng cận hồng ngoại và hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng đỏ, mức độ chênh lệch giữa hệ số phản xạ ở hai vùng ánh sáng này mang tính đặc trưng cho các đối tượng tự nhiên, đặc biệt là thực vật Người ta thường lấy mức

độ chênh lệch phản xạ ở hai vùng làm chỉ tiêu để đánh giá trạng thái lớp phủ thực vật Có nhiều loại chỉ số thực vật, trong đó chỉ số NDVI là chỉ số thực vật quy chuẩn và hay được sử dụng nhất, NDVI (Normal Differren Vegetation Index: Chỉ

số khác nhau tự nhiên của thực vật) được tính theo công thức:

NDVI= (NIR-Red)/(NIR+Red)

Trong đó: NIR: giá trị phản xạ phổ trong vùng cận hồng ngoại

Red: giá trị phản xạ phổ trong vùng ánh sáng đỏ

Ảnh NDVI tạo thành từ hai band được tính theo công thức:

- Tiến hành phép toán chéo (crossing) để thành lập bản đồ biến động và ma trận biến động Trên ma trận này, các đơn vị của bản đồ nằm trên đường chéo của

ma trận là những đơn vị không biến động, còn về hai phía đường chéo là những đơn

vị biến động với những tính chất cụ thể của quá trình biến động (nguồn: Nguyễn

Ngọc Thạch, cơ sở viễn thám, 2005 Nxb ĐHQG HN)

1.1.2 Tổng quan về GIS

1.1.2.1 Khái niệm

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS)

được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân,… đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào

GIS ra đời chính là sự kế tục các ý tưởng trong ngành địa lý mà nhất là ngành địa lý bản đồ trong thời đại mà công nghệ thông tin đủ mạnh để tạo ra các công cụ định lượng mới và có khả năng thực thi hầu hết các phép phân tích bản đồ bằng công cụ định lượng

Có nhiều khái niệm về hệ thống thông tin địa lý khác nhau Tuy nhiên ở mức

độ tương đối chúng ta có thể hiểu GIS theo định nghĩa sau: “Hệ thống thông tin địa

lý (GIS) là một hệ thống các thông tin được sử dụng để thu thập, lưu trữ, xây dựng lại, thao tác, phân tích, biểu diễn các dữ liệu địa lý phục vụ công tác quy hoạch hoặc lập các quyết định sử dụng đất, các nguồn tài nguyên thiên nhiên môi trường, giao thông, đô thị và nhiều thủ tục hành chính” (nguồn : Trần Thị Băng Tâm, hệ thống thông tin địa lý, 2006 ĐHNN HN)

1.1.2.2 Các thành phần của GIS

Có rất nhiều quan niệm về GIS nhưng nói chung đều tập trung theo hai hướng:

- Quan niệm về GIS như một cơ sở dữ liệu bản đồ được điều khiển bằng các

kỹ thuật đồ hoạ máy tính với những chức năng nhập, tổ chức, hiển thị, hỏi đáp, các thông tin bản đồ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu

- Quan niệm về GIS như một hệ thông tin đía lý gồm các chức năng nhập, phân tích hiển thị và có khả năng mô hình hoá các lớp thông tin được tổ chức trong một cơ sở dữ liệu để thành lập bản đồ chuyên đề GIS được kết hợp bởi năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và phương pháp

Cho dù GIS được hiểu theo quan niệm nào thì nó cũng phải đáp ứng được yêu cầu là một hệ thông tin gồm có bốn phần:

- Phần cứng: phần cứng là hệ thống máy tính trên đó có một hệ GIS hoạt động Ngày nay phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các trạm máy hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng

- Phần mềm: phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết

để lưu trữ, cập nhật, 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

+ Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý

+ Giao diện đồ họa người-máy (GUD) để truy cập các công cụ dễ dàng

- Dữ liệu: Cơ sở dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý) và các thông tin thuộc tính, được tổ chức theo ý đồ chuyên ngành nhất định

- Con người: 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 (nguồn : Trần Thị Băng Tâm, hệ thống thông tin địa lý, 2006

ĐHNN HN)

1.1.2.3 Các ứng dụng của GIS

Trong nghiên cứu biến động lớp đất phủ, GIS đóng vai trò quan trọng trong việc tập hợp và phân tích cơ sở dữ liệu Mục đích là tổng hợp, hệ thống hóa và thống nhất nguồn dữ liệu phục vụ việc theo dõi đánh giá và dự báo biến động lớp đất phủ

Mặt mạnh của GIS thể hiện qua chức năng phân tích không gian Phân tích không gian thường để tạo thêm các thông tin địa lý bằng cách sử dụng các thông tin đã có hay phát triển các cấu trúc không gian hoặc mối liên hệ giữa các thông tin địa lý Trong phân tích biến động lớp phủ mặt đất, ta thường sử dụng một số kỹ thuật sau:

- Chồng lớp dữ liệu (Overlay): Các lớp dữ liệu được chồng lên nhau theo một phép toán logic nào đó để có một dữ liệu mới

- Tạo vùng đệm (Buffer): Xác định khu vực nằm trong một bán kính nhất định so đối tượng với một điểm hợăc đường nào đó Thông thường độ dài của bán kính vùng đệm được xác định do ảnh hưởng của điểm hoặc đường tới xung quanh

- Kỹ thuật liên kết: Là liên kết nhiều kỹ thuật phân tích không gian với nhau

để có được kết quả cần thiết

Ngoài ra còn sử dụng các chức năng truy vấn không gian của GIS để truy vấn các dữ liệu thuộc tính và dữ liệu địa lý

Việc tìm kiếm và phân tích dữ liệu phụ thuộc vào khả năng liên kết hai kiểu

dữ liệu này Khả năng liên kết càng lớn thì việc tìm kiếm và phân tích dữ liệu sẽ càng hiệu quả Người sử dụng có thể truy nhập dữ liệu bảng thông qua bản đồ hoặc

có thể tạo ra bản đồ thông qua dữ liệu bảng Để truy cập và hiển thị dữ liệu này máy tính cần phải lưu trữ cả dữ liệu bảng và dữ liệu đồ hoạ theo khuôn dạng có tổ chức

và có thể tìm được (nguồn : Trần Thị Băng Tâm, hệ thống thông tin địa lý, 2006

không đáp ứng được yêu cầu Độ chính xác và tính hiện thời bị giảm vì phải mất nhiều thời gian để xây dựng bản đồ hiện trạng bằng phương pháp truyền thống Ngoài ra bản đồ biến động được thành lâp theo cách này thường chứa nhiều sai sót

vì hai bản đồ hiện trạng đã thành lập tại hai thời điểm không cùng thống nhất về chi tiết nội dung và độ chính xác yêu cầu

Ảnh viễn thám sau khi phân loại sẽ thể hiện sự phân bố của các đối tượng theo không gian và thời gian Do đó kết quả xử lý một ảnh viễn thám sẽ chỉ ra hiện trạng sử dụng đất tại thời điểm chụp ảnh Với ảnh đa thời gian cho phép thành lập bản đồ chuyên đề sử dụng đất ở các thời điểm khác nhau Bằng chức năng chồng xếp và phân tích, GIS cho phép tích hợp từ các kết quả phân loại của nhiều thời điểm chụp để thành lập nhanh và chính xác bản đồ biến động của khu vực Với chức năng tự động cung cấp thông tin về sự thay đổi giữa các loại hình sử dụng đất theo từng thời điểm hoặc theo đơn vị hành chính, hệ thông tin địa lý cho phép người

sử dụng giám sát quá trình biến động theo từng loại hình và các khoảng thời gian khác nhau

Sử sụng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý thì sẽ đảm bảo được tính hiện thời của thông tin, dễ dàng kiểm tra mức độ chi tiết và tính thống nhất của dữ liệu, cũng như không bị ảnh hưởng do tỷ lệ và phép chiếu của bản đồ gây ra Việc

sử dụng tư liệu viễn thám và hệ thông tin địa lý rất hiệu quả trong việc nghiên cứu thành lập bản đồ biến động lớp đất phủ nói chung và các loại bản đồ biến động lớp phủ thực vật, biến động rừng ngập mặn, bản đồ biến động môi trường

Công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý đã đem lại hiệu quả rất đáng kể trong việc sử dụng và khai thác thông tin của tư liệu viễn thám, các thông tin nhận được nhanh chóng, trung thực và khách quan Kết hợp với GIS, thu được nguồn cơ

sở dữ liệu đồng bộ về các loại bản đồ và tài liệu thống kê trong thời gian ngắn nhất Nhiều nước trên thế giới đã kết hợp phương pháp xử lý ảnh số và GIS để thường xuyên cập nhật thông tin, theo dõi lớp phủ bề mặt, biến động tài nguyên rừng, đất đai, cháy rừng, ngập lũ,…

1.1.3 Chuỗi Markov

1.1.3.1 Khái niệm

Trong toán học, một chuỗi Markov đặt theo tên nhà toán học người Nga

Andrei Andreyevich Markov, là một quá trình ngẫu nhiên theo thời gian với tính

chất Markov Trong một quá trình như vậy, quá khứ không liên quan đến việc tiên

đoán tương lai mà việc đó chỉ phụ thuộc theo kiến thức về hiện tại

Markov như một mô hình phát triển của kinh tế xã hội và khoa học nghiên cứu cuối những năm 1950 Ứng dụng thực nghiệm của chuỗi Markov trong đô thị và phân tích khu vực bắt đầu xuất hiện vào những năm 1960 Một trong những ứng dụng đầu là Clark sử dụng của chuỗi Markov để mô phỏng biến động của nhà cho thuê ở các thành phố Mỹ Clark mô tả sự biến động của những vùng điều tra dân số

từ 10 năm khác nhau trong bốn thành phố khác nhau (Detroit, Pittsburg, Indianapolis và St Louis) trong giai đoạn từ năm 1940 đến 1960 Một ứng dụng khác của Lever đã tìm cách mô tả việc phân cấp của sản xuất trong khu vực

Clydeside của Glasgow, Scotland, Anh (Nguồn: Michael Iacono, 2012 A Markov

Chain model of land use change in the twin cities, 1958-2005)

1.1.3.2 Ứng dụng chuỗi Markov

Nhiều nghiên cứu gần đây sử dụng chuỗi Markov để dự đoán sử dụng đất đã tìm cách để mở rộng phạm vi áp dụng của các mô hình Turner so sánh kết quả của một mô hình chuỗi Markov với hai mô hình mô phỏng không gian khác nhau để dự báo những thay đổi lâu dài vùng Piedmont phía bắc Georgia,… McMillen và McDonald đã chứng minh các khớp nối của chuỗi Markov với các mô hình hồi quy

Để ước tính ảnh hưởng của giá trị đất trên phân vùng thay đổi mà họ ước tính một chức năng để dự đoán giá trị đất, sau đó phục vụ như giải thích cho các xác suất chuyển đổi của một ma trận thay đổi sử dụng đất Weng tích hợp việc sử dụng các

hệ thống thông tin địa lý và khả năng viễn thám với một mô hình chuỗi Markov để

dự đoán những hậu quả sử dụng đất có thể có của đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng ở đồng bằng sông Zhujiang của Trung Quốc Cuối cùng, Levinson và Chen cung cấp một mô hình chuỗi Markov thay đổi sử dụng đất trong khu vực Twin Cities

Ngoài ra Chuỗi Markov có rất nhiều ứng dụng như: Các hệ thống Markov xuất hiện nhiều trong vật lí, đặc biệt là cơ học thống kê Chuỗi Markov có thể dùng

để mô hình hóa nhiều quá trình trong lí thuyết hàng đợi và thống kê, chuỗi Markov cũng có nhiều ứng dụng trong mô hình sinh học, đặc biệt là trong tiến trình dân số Một ứng dụng của chuỗi Markov gần đây là ở thống kê địa chất Chuỗi Markov cũng có thể ứng dụng trong nhiều trò game Trong ngành quản lý đất đai: người ta

còn ứng dụng GIS, RS và chuỗi Markov vào phân tích sự thay đổi sử dụng đất, là

ứng dụng mà đề tài nghiên cứu đang hướng đến (Nguồn: Michael Iacono, 2012 A

Markov Chain model of land use change in the twin cities, 1958-2005)

1.1.4 Tổng quan về biến động sử dụng đất

1.1.4.1 Khái niệm, vai trò của đất đai

a Khái niệm

Đất đai về mặt thuật ngữ khoa học được hiểu theo nghĩa rộng như sau: "đất đai

là một diện tích cụ thể của bề mặt trái đất, bao gồm tất cả các cấu thành của môi trường sinh thái ngay trên vỏ dưới bề mặt đó bao gồm: khí hậu, bề mặt, thổ nhưỡng, dáng địa hình, mặt nước (hồ, sông, suối, đầm lầy, ) Các lớp trầm tích sát bề mặt cùng với nước ngầm và khoáng sản trong lòng đất, tập đoàn thực vật và động vật, trạng thái định cư của con người, những kết quả của con người trong quá khứ và hiện tại để lại (san nền,

hồ chứa nước hay hệ thống tiêu thoát nước, đường xá, nhà cửa )"

Như vậy, "đất đai" là khoảng không gian có giới hạn, theo chiều thẳng đứng (gồm khí hậu của bầu khí quyển, lớp đất phủ bề mặt, thảm thực vật, động vật, diện tích nước, tài nguyên nước ngầm và khoáng sản trong lòng đất), theo chiều nằm ngang trên mặt đất (là sự kết hợp giữa thổ nhưỡng, địa hình, thuỷ văn,thảm thực vật cùng các thành phần khác) giữ vai trò quan trọng và có ý nghĩa to lớn đối với hoạt

động sản xuất cũng như cuộc sống của xã hội loài người (Nguồn: PGS.TS Lê Quang

Trí, 2005 Quy hoạch sử dụng đất đai)

b Vai trò

Đất đai là sản phẩm của tự nhiên, có trước lao động và cùng với quá trình lịch sử phát triển kinh tế-xã hội, đất đai là điều kiện lao động Đất đai đóng vai trò quyết định cho sự tồn tại và phát triển của xã hội loài người Nếu không có đất đai thì rõ ràng không có bất kỳ một ngành sản xuất nào, cũng như không thể có sự tồn tại của loài người

Đất đai tham gia vào tất cả các hoạt động của đời sống kinh tế - xã hội Đất đai là địa điểm, là cơ sở của các thành phố, làng mạc các công trình công nghiệp, giao thông, thuỷ lợi vá các công trình thuỷ lợi khác Đất đai cung cấp nguyên liệu cho ngành công nghiệp, xây dựng như gạch ngói, xi, măng, gốm sứ…

Luật đất đai 1993 của nước cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam có ghi: “Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặc biệt, là thành phần quan

trọng hàng đầu của môi trường sống, là địa bàn phân bố các khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn hoá xã hội, an ninh quốc phòng Trải qua nhiều thế hệ, nhân dân ta đã tốn bao nhiêu công sức, xương máu mới tạo lập, bảo vệ được vốn đất đai như ngày nay”

Trong các điều kiện vật chất cần thiết, đất đai giữ vị trí và ý nghĩa đặc biệt quan trọng, là điều kiện đầu tiên, là cơ sở thiên nhiên của quá trình sản xuất, là nơi tìm được công cụ lao động, nguyên liệu lao dộng và nơi sinh tồn của xã hội con người

Tuy nhiên, vai trò của đất đai đối với từng ngành rất khác nhau:

- Trong các ngành phi nông nghiệp: đất đai giữ vai trò thụ động với chức năng là cơ sở không gian và vị trí để hoàn thiện quá trìn lao động, là kho tàng dự trữ trong lòng đất (các ngành khai thác khoáng sản) Quá trình sản xuất và sản phẩm được tạo ra không phụ thuộc vào đặc điểm độ phì nhiêu của đất, chất lượng thảm thực vật và các tính chất tự nhiên có sẵn trong đất

- Trong các ngành nông-lâm nghiệp: đất đai là yếu tố tích cực của quá trình sản xuất, là điều kiện vật chất, cơ sở không gian, đồng thời là đối tượng lao động (luôn chịu sự tác động của quá trình sản xuất như cày, bừa, xới xáo ) và công cụ hay phương tiện lao động (sử dụng để trồng trọt, chăn nuôi ) Quá trình sản xuất nông - lâm nghiệp luôn liên quan chặt chẽ với độ phì nhiêu quá trình sinh học tự nhiên của đất

Thực tế cho thấy trong quá trình phát triển xã hội loài người, sự hình thành

và phát triển của mọi nền văn minh vật chất - văn minh tinh thần, các tinh thành tựu

kỹ thuật vật chất-văn hoá khoa học đều được xây dựng trên nền tảng cơ bản - sử dụng đất Kinh tế xã hội phát triển mạnh, cùng với sự tăng dân số nhanh đã làm cho mối quan hệ giữa người và đất ngày càng căng thẳng, những sai lầm liên tục của con người trong quá trình sử dụng đất đã dẫn đến huỷ hoại mội trường đất, một số công năng nào đó của đất đai bị yếu đi, vấn đề sử dụng đất đai càng trở nên quan trọng và mang tính toàn cầu

1.1.4.2 Biến động sử dụng đất

a Khái niệm

Biến động sử dụng đất hay biến động diện tích đất là sự chênh lệch diện tích từng loại đất trên địa bàn do chuyển mục đích sử dụng đất giữa kỳ nghiên cứu và kỳ

gốc, là quá trình thay đổi của diện tích đất thể hiện thông qua thông tin thu thập được theo thời gian Để từ đó, tìm ra quy luật và những nguyên nhân thay đổi từ đó

có biện pháp sử dụng đúng đắn với nguồn tài nguyên này (nguồn: nội dung hệ

thống chỉ tiêu thống kê cấp tỉnh, ban hành theo thông tư của bộ trưởng Bộ Kế Hoạch và Đầu Tư số 02/2011/TT – BKHDT ngày 10/01/2011)

b Những đặc trưng của biến động sử dụng đất

Biến động sử dụng đất có những đặc trưng cơ bản như sau

- Quy mô biến động

+ Biến động về diện tích sử dụng đất đai nói chung

+ Biến động về diện tích của từng loại hình sử dụng đất

+ Biến động về đặc điểm của những loại đất chính

c Những nhân tố gây nên tình hình biến động sử dụng đất

Các yếu tố tự nhiên là cơ sở quyết định cơ cấu sử dụng đất đai vào các mục đích kinh tế - xã hội bao gồm các yếu tố sau: vị trí địa lý, địa hình, khí hậu, thủy văn, thảm thực vật

Các yếu tố kinh tế - xã hội có tác động lớn đến sự thay đổi diện tích các loại hình sử dụng đất đai bao gồm các yếu tố sau:

+ Sự phát triển các ngành kinh tế như: dịch vụ, xây dựng, giao thông và các ngành kinh tế khác

+ Gia tăng dân số

+ Các dự án đầu tư phát triển kinh tế

+ Thị trường tiêu thụ các sản phẩm hàng hóa

d Ý nghĩa thực tiễn trong đánh giá tình hình biến động sử dụng đất

Đánh giá tình hình biến động sử dụng đất có ý nghĩa rất lớn trong việc khai thác sử dụng và bảo vệ đất đai:

+ Là cơ sở khai thác tài nguyên đất đai phục vụ phát triển kinh tế - xã hội có hiệu quả và bảo vệ môi trường sinh thái

+ Mặt khác khi đánh giá biến động sử dụng đất cho ta biết nhu cầu sử dụng đất giữa các ngành kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng Dựa vào vị trí địa lý, diện tích tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên của khu vực nghiên cứu, từ đó biết được sự phân bố các ngành, các lĩnh vực kinh tế và biết được những điều kiện thuận lợi, khó khăn đối với nền kinh tế xã hội và biết được đất đai biến động theo chiều hướng tích cực hay tiêu cực, để từ đó đưa ra những phương hướng phát triển đúng đắn cho nền kinh tế và các phương pháp sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên đất, bảo vệ môi trường sinh thái

Do đó đánh giá biến động sử dụng đất có ý nghĩa hết sức quan trọng là tiền

đề, cơ sở đầu tư và thu hút nguồn vốn đầu tư từ bên ngoài, để phát triển đúng hướng, ổn định trên tất cả mọi lĩnh vực kinh tế - xã hội và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá của quốc gia

1.1.4.3 Các phương pháp nghiên cứu biến động

Tiền đề cơ bản để sử dụng tư 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 do các yếu tố khác Những yếu tố khác bao gồm 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 thường được sử dụng Dưới đây là một số phương pháp được

sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động

a Nghiên cứu biến động bằng 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 Các bản đồ hiện trạng có thể thực hiện dưới dạng bản đồ raster

Quy trình thành lập bản đồ biến động theo phương pháp này có thể tóm tắt như hình dưới:

Hình 1.1 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp so sánh sau

phân loại

Phương pháp so sánh sau phân loại được sử dụng rộng rãi nhất, đơn giản, dễ hiểu và dễ thực hiện Sau khi 2 ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học sẽ tiến hành phân loại độc lập để tạo thành hai bản đồ Hai bản đồ này được so sánh bằng cách

so sánh pixel tạo thành ma trận biến động

Theo J Jensen, ưu điểm của phương pháp này cho biết sự thay đổi từ loại đất

gì sang loại đất gì và chúng ta cũng có thể sử dụng bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã được thành lập trước đó

Nhược điểm của phương pháp này là phải phân loại độc lập các ảnh viễn thám nên độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của từng phép phân loại và thường độ chính xác không cao vì các sai sót trong quá trình phân loại của từng ảnh

vẫn được giữ nguyên trong bản đồ biến động (Nguồn: Vũ Hữu Long, Phạm Khánh

Chi, Trần Hùng, 2011, “Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS nghiên cứu mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ vùng đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2008 – 2010”, Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2011, NXB Nông nghiệp)

b Nghiên cứu biến động bằng 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

Hình 1.2 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân loại ảnh đa

thời gian

Ưu điểm của phương pháp này là chỉ phải phân loại một lần nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là rất phức tạp khi lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu biến động và không biến động Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (các mùa trong năm) và ảnh hưởng của khí quyển của các ảnh ở các thời điểm khác nhau cũng không dễ được loại trừ, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp Thêm vào đó bản đồ biến động được thành lập theo phương pháp này chỉ cho ta biết được chỗ biến động và chỗ không biến động chứ không cho biết được biến động

như thế nào (Nguồn: Vũ Hữu Long, Phạm Khánh Chi, Trần Hùng, 2011, “Sử dụng

tư liệu ảnh vệ tinh MODIS nghiên cứu mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ vùng đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2008 – 2010”, Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2011, NXB Nông nghiệp)

c Nghiên cứu biến động bằng 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 Phép trừ và phép chia số học được sử dụng trong trường hợp này

Nếu ảnh thay đổi là kết quả của phép trừ số học thì khi đó giá trị độ xám của các pixel trên ảnh thay đổi là một dãy số âm và dương Các kết quả âm và dương

biểu thị mức độ biến đổi của các vùng, còn giá trị 0 thể hiện sự không thay đổi Với giá trị độ xám từ 0 đến 255 thì giá trị pixel thay đổi trong khoảng từ -255 đến +255 Thông thường để tránh kết quả mang giá trị âm người ta cộng thêm một hằng số không đổi

Công thức toán học để biểu diễn là:

Dijk = BVijk (1) - BVijk (2) + c (1) Trong đó:

Dijk: giá trị độ xám của pixel thay đổi

BVijk (1): giá trị độ xám của ảnh thời điểm 1

BVijk (2): giá trị độ xám của ảnh thời điểm 2

c: là hằng số (c = 127)

i: chỉ số dòng; j: chỉ số cột

k: Kênh ảnh (ví dụ kênh 4 trên ảnh Landsat TM)

Ảnh thay đổi được tạo ra bằng cách tổ hợp giá trị độ xám theo luật phân bố chuẩn Gauss Vị trí nào có pixel không thay đổi, độ xám biểu diễn xung quanh giá trị trung bình, vị trí có pixel thay đổi được biểu diễn ở phần biên của đường phân bố

Cũng tương tự như vậy, nếu ảnh thay đổi được tạo ra từ phép chia số học thì giá trị của các pixel trên ảnh là một tỷ số chứng tỏ ở đó có sự thay đổi, nếu bằng 1 thì không có sự thay đổi

Giá trị giới hạn trên ảnh thay đổi (tạo ra bởi phép trừ số học) và ảnh tỷ số kênh sẽ quyết định ngưỡng giữa ranh giới sự thay đổi - không thay đổi, và được biểu thị bằng biểu đồ độ xám của ảnh thay đổi

Thông thường độ lệch chuẩn sẽ được lựa chọn và kiểm tra theo kinh nghiệm, nhưng ngược lại, người ta thường sử dụng phương pháp thử nghiệm nhiều hơn phương pháp kinh nghiệm Giá trị ngưỡng của sự thay đổi sẽ được xác định khi bắt gặp giá trị thay đổi trên thực tế

Vì vậy để xác định được ta cần phải hiểu rõ về khu vực nghiên cứu, thậm chí phải lựa chọn một số vùng biến động và ghi lại để hiển thị trên vùng nghiên cứu mà người lựa chọn biết rõ Tuy nhiên kỹ thuật này có thể kết hợp với các kỹ thuật khác

để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động (Nguồn: Vũ Hữu Long,

Phạm Khánh Chi, Trần Hùng, 2011, “Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS nghiên cứu mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ vùng đồng bằng

sông Hồng giai đoạn 2008 – 2010”, Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm

2011, NXB Nông nghiệp)

d Nghiên cứu biến động bằng phương pháp sử dụng mạng nhị phân

Đây là một phương pháp xác định biến động rất hiệu quả Đầu tiên 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 đều được nắn chỉnh về cùng một hệ tọa độ

Hình 1.3 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp mạng nhị phân

Tiến hành phân loại ảnh thứ nhất theo phương pháp phân loại thông thường Tiếp theo lần lượt chọn 1 trong các kênh (ví dụ kênh 3) từ hai 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 (như tỷ số kênh, các phép cộng, trừ, nhân, chia để tạo sự khác nhau của ảnh hoặc phương pháp phân tích thành phần chính) 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 theo phương pháp số học đã trình bày ở trên Ảnh thay đổi sẽ 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 hai để phân tích và chỉ ra các pixel thay đổi Khi đó chỉ có các pixel được xác định là có sự thay đổi được phân loại trên ảnh thứ hai này Sau đó, phương pháp so sánh sau phân loại truyền thống được ứng dụng để tìm ra thông tin về biến động

Ưu điểm của phương pháp này là giảm được sai số xác định biến động do bỏ sót hoặc nhầm lẫn và cung cấp cụ thể thông tin về sự biến động từ loại gì sang loại gì

Phương pháp này có thể phân tích được số lượng nhỏ các vùng thay đổi giữa hai thời điểm

Ở hầu hết các vùng nghiên cứu, trong giai đoạn từ 1-5 năm thì diện tích biến động thường không lớn quá 10% diện tích toàn bộ vùng nghiên cứu, vì vậy phương pháp này khá thích hợp để thành lập bản đồ những vùng có biến động nhỏ, nhưng bất lợi lớn nhất của phương pháp này là rất phức tạp, đòi hỏi một số bước thực hiện

và kết quả cuối cùng phụ thuộc vào vào chất lượng của mạng nhị phân đã được sử dụng để phân tích Tuy nhiên để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động

thì đây là một phương pháp rất hữu dụng (Nguồn: Vũ Hữu Long, Phạm Khánh Chi,

Trần Hùng, 2011, “Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh MODIS nghiên cứu mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ vùng đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2008 – 2010”, Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2011, NXB Nông nghiệp)

e Nghiên cứu biến động bằng phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản

đồ đã có

Trong một số trường hợp mà khu vực nghiên cứu đã có bản đồ hiện trạng được thành lập hoặc đã có bản đồ được số hóa thì thay vì sử dụng ảnh viễn thám ở thời điểm 1 chúng ta sử dụng các nguồn dữ liệu đã sẵn có Tiến hành phân loại ảnh

ở thời điểm thứ hai, sau đó tiến hành so sánh các pixel tương tự như phương pháp

so sánh sau phân loại để tìm ra biến động và thông tin biến động

Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng được nguồn dữ liệu đã biết, giảm được nguồn sai số do bỏ sót hay tổng quát và biết được thông tin chi tiết về sự biến động Hơn nữa chỉ cần phân loại độc lập ảnh ở thời điểm 2

Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm là dữ liệu số hóa có thể không

đủ độ chính xác hoặc dữ liệu bản đồ không tương thích với hệ thống phân loại (Nguồn:

Vũ Hữu Long, Phạm Khánh Chi, Trần Hùng, 2011, “Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh

MODIS nghiên cứu mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ vùng đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2008 – 2010”, Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2011, NXB Nông nghiệp)

g Nghiên cứu biến động bằng phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh

Trong phương pháp này ta chọn một kênh ảnh nhất định (ví dụ kênh 1) 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

Hình 1.4 Quy trình thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp cộng màu trên

một kênh ảnh

Ví dụ có hai ảnh Landsat TM năm 2005 và năm 2010 Gán màu lục cho kênh 1 của ảnh năm 2005, gán màu đỏ cho kênh 1 của ảnh năm 2010, gán màu chàm cho một kênh 1 của ảnh trống Khi đó tất cả các vùng không có sự thay đổi giữa hai thời điểm sẽ có màu vàng (theo nguyên lý cộng màu, tổ hợp màu chàm và màu đỏ tạo thành màu vàng) Như vậy căn cứ vào màu sắc ta có thể định lượng được sự thay đổi

Ưu điểm của phương pháp này có thể xác định được biến động của hai thậm chí ba thời điểm ở cùng một lần xử lý ảnh

Tuy nhiên kỹ thuật xử lý ảnh theo phương pháp này không cung cấp được số liệu cụ thể về diện tích biến động từ loại đất này sang loại đất khác Tuy vậy, đây là phương pháp tối ưu để nghiên cứu biến động trên phạm vi rộng lớn như vùng hoặc

lãnh thổ (Nguồn: Vũ Hữu Long, Phạm Khánh Chi, Trần Hùng, 2011, “Sử dụng tư

liệu ảnh vệ tinh MODIS nghiên cứu mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và

biến động lớp phủ vùng đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2008 – 2010”, Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2011, NXB Nông nghiệp)

h Nghiên cứu biến động bằng phương pháp kết hợp

Thực chất việc thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp này là véc tơ hóa những vùng biến động từ tư liệu ảnh có độ phân giải cao như ảnh SPOT hoặc ảnh hàng không

Nếu dữ liệu ảnh tại một thời điểm có độ phân giải thấp hơn ta tiến hành phân loại ảnh đó theo phương pháp phân loại không kiểm định Từ ảnh phân loại không kiểm định tạo ra được 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 Sau đó tiến hành véc tơ hóa những vùng biến động Việc khoanh vẽ những vùng xảy ra biến động trên ảnh được thực hiện dễ dàng nhờ phương pháp giải đoán bằng mắt dựa vào các chuẩn đoán đọc như chuẩn hình dạng, chuẩn cấu trúc, kích thước,… Chính vì vậy, phương pháp này rất thông dụng khi người xử lý sử dụng phương pháp giải đoán bằng mắt ảnh hàng không của cả hai thời điểm

Quá trình xử lý được thực hiện dễ dàng hơn nếu thỏa mãn hai yếu tố:

- Nếu hai ảnh được hiển thị trên màn hình cùng lúc, bên cạnh nhau

- Các tính chất hình học của ảnh là như nhau, được định hướng như nhau, khi

vẽ một đối tượng trên một ảnh thì trên ảnh kia đối tượng đó có cùng kích thước, hình dạng

Ứng dụng hiệu quả nhất của phương pháp này là nghiên cứu biến động sau thiên tai Sau cơn bão nhiệt đới lịch sử Hugo với tốc độ gió 135 dặm/giờ xảy ra vào ngày 22 tháng 9 năm 1989 tại bang Carolina (Mỹ), người ta đã dùng phương pháp này để nghiên cứu những biến động do cơn bão gây ra Ảnh hàng không chụp ngày 5 tháng 10 năm 1989 được nắn chỉnh hình học theo bản đồ năm 1988 Từ đó các nhà phân tích đã xác định được những tòa nhà không bị phá hủy, những tòa nhà bị phá hủy hoàn toàn, hay phá hủy một phần, những ngôi nhà bị xê dịch hay những tòa nhà đang được xây dựng lại và những biến động về sự bồi tụ hay xói lở của vùng bờ biển

Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác cao và cung cấp đầy đủ thông tin về biến động tuy nhiên phương pháp này chỉ thực hiện trên ảnh độ phân giải cao

(Nguồn: Vũ Hữu Long, Phạm Khánh Chi, Trần Hùng, 2011, “Sử dụng tư liệu ảnh

vệ tinh MODIS nghiên cứu mùa vụ cây trồng, lập bản đồ hiện trạng và biến động

lớp phủ vùng đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2008 – 2010”, Kỷ yếu hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2011, NXB Nông nghiệp)

1.1.4.4 So sánh và lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động tối ưu

Từ các kết quả thực nghiệm của các nghiên cứu đã công bố cho thấy:

- Các phương pháp thành lập bản đồ biến động trừ các phương pháp liên quan đến phép phân loại thông thường, các phương pháp còn lại đều phải xác định ngưỡng phân chia bằng thực nghiệm để tách các pixel biến động và không biến động Trên thực tế, việc xác định ngưỡng chính xác là vấn đề không đơn giản

- Các phương pháp như phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian, phương pháp số học, phương pháp mạng nhị phân, phương pháp cộng màu đòi hỏi người xử lý phải

có trình độ và hiểu biết nhất định về kỹ thuật xử lý ảnh Vì vậy khó thực hiện với những người không phải thuộc cơ quan chuyên môn Thêm vào đó, để phát hiện biến động thực sự, các phương pháp này đòi hỏi những tư liệu viễn thám phải được thu thập cùng thời điểm trong các năm Tuy nhiên, rất khó để có thể thu nhận được

dữ liệu viễn thám trong cùng một thời điểm của các năm, đặc biệt là ở vùng nhiệt đới, nơi mà mây thường che phủ nhiều ngày trong năm Đồng thời cũng phải lưu ý tới độ ẩm của đất và lượng nước còn trên thảm thực vật trong trường hợp thời tiết lâu ngày không mưa và vừa mới mưa xong tại thời điểm thu nhận ảnh

- Phương pháp so sánh sau phân loại là một trong số các phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất Bản đồ biến động được thành lập từ kết quả phân loại có kiểm định đạt độ chính xác cao nhất Trong phương pháp so sánh sau phân loại, ảnh của từng thời điểm được phân loại độc lập nên tránh được nhiều vấn đề như không phải chuẩn hóa ảnh hưởng của khí quyển và bộ cảm ứng điện từ trên ảnh chụp tại các thời điểm khác nhau, không phải lấy mẫu lại kích thước pixel trong trường hợp dữ liệu đa thời gian không cùng độ phân giải không gian Ngoài ra, phương pháp này cũng là phương pháp phù hợp cho việc chuyển kết quả phân loại về hệ thông tin địa lý GIS để phân tích biến động sau phân loại Phương pháp này được cho là ít nhạy cảm với những thay đổi phổ của đối tượng do sự khác nhau của độ ẩm đất và chỉ số thực vật

Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là phụ thuộc vào độ chính xác của từng ảnh phân loại và tốn kém khá nhiều thời gian

Vì những lý do trên mà đề tài đã lựa chọn phương pháp so sánh sau phân loại

để nghiên cứu biến động sử dụng đất khu vực huyện Đô Lương – tỉnh Nghệ An

1.1.4.5 Quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất

Hình 1.5.Quy trình thành lập bản đồ biến động lớp đất phủ

a Chọn tư liệu ảnh viễn thám

Chọn tư liệu ảnh viễn thám của khu vực nghiên cứu ở các thời điểm trên cơ sở

lý thuyết đề tài đã đưa ra, kỹ thuật điều tra biến động liên quan đến việc sử dụng một dãy dữ liệu đa thời gian để xác định vùng biến động lớp phủ giữa hai thời điểm chụp

Để đánh giá và dự đoán biến động ta cần có ít nhất ba ảnh chụp ở cùng khu vực vào

ba thời điểm khác nhau, sau đó ta chuyển đổi ba ảnh về cùng một hệ quy chiếu và cùng độ phân giải Đây là phương pháp quan trọng trong kỹ thuật điều tra biến động

Bản đồ địa hình, bản đồ

địa chính, và số liệu GIS

Tư liệu viễn thám Số liệu điều

tra thực địa NhËp ¶nh

T¨ng c-êng chÊt l-îng ¶nh

N¾n chØnh h×nh häc

Ảnh phân loại Phân loại ảnh

Đánh giá độ chính xác kết quả

phân loại

Chọn vùng mẫu

Tính toán số liệu thống kê vùng mẫu

Cắt ảnh theo ranh giới khu vực cần nghiên cứu

Ảnh phân loại hai thời kỳ

Không đạt Đạt

Biên tập Bản đồ hiện trạng năm 1

Bản đồ biến động giữa hai thời kỳ

bởi nó liên quan đến kết quả và độ chính xác khi so sánh hai kết quả phân loại Khi sai

số nắn chỉnh lớn hơn 1 pixel (tức là lớn hơn độ phân giải không gian) thì việc xác

định thông tin biến động sẽ thất bại bởi có nhiều pixel bị lẫn

b Nắn chỉnh hình học

Bản chất của quá trình là xây dựng được mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnh

đo và hệ tọa độ quy chiếu chuẩn Lý do là trong quá trình thu nhận ảnh luôn có sự sai lệch về vị trí giữa toạ độ ảnh đo được và toạ độ ảnh lý tưởng được tham chiếu với hệ tọa độ biết trước dùng cho trái đất Vì thế cần phải thực hiện hiệu chỉnh hình học (nắn chỉnh hình học)

Trong cả hai phương pháp, nắn ảnh với bản đồ (hoặc dữ liệu đo được từ GPS)

và ảnh với ảnh đều phải đảm bảo độ chính xác cho phép Thông thường việc kiểm tra

độ chính xác dựa trên sai số trung phương trên các điểm kiểm tra, nếu các sai số không nhỏ hơn giá trị cho phép thì cần phải tìm ra nguyên nhân hoặc tăng thêm các điểm để kiểm tra

c Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu

Do các ảnh có độ phân giải không gian và độ phân giải phổ khác nhau nên chúng cần được đồng nhất hóa về mặt hình học Đây là bước quan trọng khi đem so sánh hai ảnh có độ phân giải không gian khác nhau

d Phân loại ảnh viễn thám

Phân loại ảnh viễn thám:

- Là chuyển các giá trị đo sang các giá trị mang tính chuyên đề

- Chuyển dữ liệu thành thông tin bản đồ và thông tin thống kê

- Tập hợp các pixel có cùng một số thông tin kênh phổ thành một lớp có ý nghĩa chuyên đề

- Tập hợp một số đối tượng có chung một số thuộc tính vào một lớp có ý nghĩa chuyên đề

Các phương pháp phân loại trong viễn thám:

 Phương pháp phân loại không kiểm định

Phân loại không kiểm định gồm một số thuật toán được sử dụng như: Thuật toán ISO-DATA và thuật toán K-Mean

- Thuật toán K-mean: Ban đầu người ta chọn ra K điểm trong không gian phổ

để nhận làm tâm của các lớp rồi tiến hành phân loại các điểm ảnh theo nguyên tắc khoảng cách tối thiểu, sau đó xác định vị trí trung bình của tất cả các điểm ảnh thuộc mỗi lớp để nhận làm tâm của các lớp giữa hai lần lặp trùng nhau thì kết thúc Do tâm của các lớp tự điều chỉnh trong quá trình lặp nên phương pháp cho kết quả đáng tin cậy, không phụ thuộc vào việc lựa chọn các tâm ban đầu và trình tự xét các điểm ảnh nhưng đòi hỏi người phân loại phải tự xác định trước số lượng các lớp phổ trên ảnh, việc này tương đối khó nhưng cũng có thể khắc phục được bằng kiến thức chuyên gia khi tổ hợp các kênh phổ lại với nhau

- Thuật toán ISO-DATA (Interactive self Organizing Data Analysis): Đây là một cách phân loại cải biên của phân loại K-Mean, nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp K-Mean bằng cách sau mỗi lần lặp tiến hành kiểm tra để gộp nhóm, loại bỏ hay tách lớp khi cần, nhờ đó tự điều chỉnh được số lớp trong kết quả phân loại

Phương pháp phân loại không kiểm định giúp chúng ta phát hiện các lớp phổ trên ảnh từ đó phục vụ cho việc phân loại có kiểm định hoặc trợ giúp phân loại đối tượng ở những nơi khó tiếp cận như khu vực xảy ra thiên tai, những vùng xa xôi chưa

có điều kiện khảo sát

 Phương pháp phân loại có kiểm định

Khác với phương pháp phân loại không kiểm định, phương phápphân loại có kiểm định là phương pháp phân loại do người phân loại chọn ra các nhóm đối tượng làm mẫu phân loại (các vùng mẫu) Các vùng mẫu được chọn dựa trên phổ màu của các đối tượng được thể hiện trên ảnh kết hợp với các thông tin hữu ích khác có thể là chìa khóa cho khâu giải đoán như: cấu trúc, các hình dạng chuẩn…và đặc biệt làm thông tin về ngữ cảnh của đối tượng đó do chính các đối tượng ảnh tạo nên Sự phản ánh các đối tượng ảnh được xác định bằng tính chất vật lý, hóa học của đối tượng và các đặc trưng của thế giới thực được chia làm ba loại:

- Các đặc trưng thực: Là các đặc trưng về mặt vật lý của đối tượng Đây là yếu

tố xác định về hình ảnh của đối tượng trên thực tế như màu sắc, cấu trúc, hình dạng

và được thu nhận bởi bộ cảm biến của các thiết bị thu

- Các đặc trưng quan hệ: Đây là những đặc trưng mô tả mối quan hệ địa lý giữa các đối tượng với nhau hoặc có toàn cảnh xung quanh

- Các đặc trưng về ngữ cảnh: Là đặc trưng mô tả mối quan hệ về ngữ nghĩa giữa các đối tượng (Ví dụ: một khu trồng cây xanh xen với các vùng dân cư thì thông thường sẽ nhận định đây là công viên khi xét mối quan hệ của nó với vùng dân cư xung quanh) Trên cơ sở các vùng mẫu này, các pixel trong toàn ảnh sẽ được sắp xếp theo những nguyên tắc nhất định để đưa về nhóm đối tượng đã được đặt tên phân loại (các lớp chuyên đề) Sự phân loại này dựa trên các hàm phân tách, tuỳ từng trường hợp mà các hàm phân tách này khác nhau

Một số thuật toán phân loại có kiểm định thường sử dụng là:

- Phương pháp phân loại xác suất cực đại (Maximum Likehood): phương pháp này hoạt động theo nguyên tắc sau khi xác định được hàm phân bố mật độ xác suất của mỗi lớp, đối với mỗi điểm ảnh tính xác suất mà nó có thể thuộc vào từng lớp và phân loại về lớp có xác suất cao nhất

- Phương pháp khoảng cách tối thiểu: phương pháp này thường được gọi là phương pháp người láng giềng gần nhất (Nearest neighborhood) Đây là phương pháp tương đối đơn giản dựa vào thuần tuý việc so sánh khoảng cách từ điểm ảnh cần phân loại đến tâm các lớp trong không gian phổ rồi gán điểm đó về lớp có tâm gần nó nhất

- Phương pháp phân loại Mahalanobis (phương pháp phân loại sử dụng khoảng cách Mahalanobis): về thực chất đây là một biến thể của phương pháp xác suất cực đại Đây là trường hợp riêng của phương pháp xác suất cực đại khi các lớp

có chung ma trận hiệp biến

Trong thực tế, do ma trận hiệp biến của các lớp không thể hoàn toàn như nhau, tùy từng chương trình mà ma trận hiệp biến có thể lấy ma trận trung bình của tất cả các lớp hoặc ma trận hiệp biến của toàn ảnh Khác với phương pháp tối thiểu, phương pháp này không giả thiết là ma trận hiệp biến của các lớp là ma trận đường chéo cũng như yêu cầu phương sai của mỗi lớp phải như nhau trên tất cả các kênh nên tỏ ra hiện thực hơn Tuy nhiên, vẫn sử dụng ma trận hiệp biến trong hàm phân tách của mình nên phương pháp này đòi hỏi khắt khe hơn về tính chân thực của ma trận này Do đó đây có thể coi là phương pháp trung gian giữa hai phương pháp xác suất tối đa và khoảng cách tối thiểu, và nên được áp dụng khi giữa các kênh ảnh sử dụng sự khác biệt về độ phân giải bức xạ nhưng không đủ điều kiện để áp dụng hiệu quả phương pháp xác suất cực đại

- Phương pháp phân loại hình hộp (parallelpiped): đây là phương pháp phân loại đơn giản nhất Nó dựa trên các số liệu mẫu để xác định khoảng cách phân bố của mỗi lớp trên tùng kênh Từ đó xác định miền phân bố của chúng trong không gian phổ dưới dạng hình hộp Đối với phương pháp phân loại này mặc dù thuật toán đơn giản, tốc độ xử lý nhanh, những điểm ảnh được phân loại đều có độ tin cậy cao Nhược điểm của phương pháp này là số điểm ảnh không được phân loại lớn Nếu giữa các kênh ảnh có tương quan thì thì khả năng giao cắt giữa miền phân bố của các lớp sẽ càng lớn Để khắc phục điều này ảnh trước khi phân loại được biến đổi về dạng các thành phần chính, để loại bỏ tương quan giữa các kênh ảnh

Trong đề tài đã sử dụng phương pháp phân loại có kiểm định với thuật toán sử dụng đó là phân loại theo nguyên tắc Maximum likehood (nguyên tắc phân loại xác suất cực đại) để tiến hành phân loại các đối tượng

e Kết quả phân loại

Kết quả phân loại là bản đồ hiện trạng sử dụng đất của từng thời điểm Các bản đồ này được chồng xếp tạo thành bản đồ biến động biến động sử dụng đất của khu vực nghiên cứu Để tạo được bản đồ biến động từ ảnh thì việc phân loại phải thực hiện theo nguyên tắc cùng hệ thống phân loại và cùng phương pháp phân loại

g Đánh giá độ chính xác kết quả phân loại

Sau phân loại là bước đánh giá độ chính xác kết quả phân loại dựa vào các tài liệu thống kê thu thập được và số liệu điều tra thực địa Xác định độ chính xác phân loại thường được dùng để đánh giá chất lượng của ảnh vệ tinh được phân loại, hoặc so sánh độ tin cậy của kết quả đạt được khi áp dụng các phương pháp khác nhau trong phân loại ảnh vệ tinh Kết quả của việc so sánh sự phù hợp giữa loại thực trên mặt đất và những loại giải đoán bằng một thuật toán phân loại thường được thể hiện dưới dạng ma trận sai số, trong đó chỉ số phần trăm đạt được của độ chính xác toàn bộ và sai số phân loại nhầm cho từng loại được xác định Để thiết lập được ma trận sai số, người phân tích phải so sánh kết quả phân loại trên khu vực đã biết (bộ dữ liệu kiểm tra) trên cơ sở từng pixel một và xác định mức độ chính xác như thế nào tại các vị trí được kiểm tra đó

Một ma trận sai số là bảng hiển thị số liệu thống kê để đánh giá độ chính xác phân loại bằng cách hiển thị mức độ phân loại đúng sai trong số các lớp phân loại

Từ ma trận sai số tính hệ số Kappa đánh giá độ chính xác kết quả phân loại Kappa Coeffcient là hệ số thống kê, kiểm tra và đánh giá sự phù hợp giữa những nguồn dữ liệu khác nhau hoặc khi áp dụng những thuật toán khác nhau:

(2) Trong đó: r : là số lớp phân loại (số hàng hay số cột của ma trận)

Kết quả phân loại được chồng xếp trên Arcgis để lập bản đồ biến động Từ kết

quả biến động đó có thể tiến hành phân tích đánh giá và dự đoán xu thế biến động

l Đánh giá độ chính xác của kết quả biến động

Để đánh giá độ chính xác của kết quả biến động có đúng so với thực tế không

ta lập ma trận sai số chuyển đổi (the change detection error matrix) Dữ liệu kiểm tra

là các bản kiểm kê đất đai thống kê từ việc đo đạc thực tế của các năm 2010 và 2014 Các số liệu thống kê sau đó được xử lý, gộp lớp, tính toán diện tích biến động sử dụng đất

i Dự báo biến động sử dụng đất

Mô hình Markov Chain đã được ứng dụng để xác định khả năng thay đổi các kiểu sử dụng đất dựa trên sự tiến triển các kiểu sử dụng đất và các nhân tố ảnh hưởng đến sự thay đổi

Với ij: Là xác suất thay đổi được xác định từ việc “Overlay” bản đồ sử dụng đất tại 2 thời điểm khác nhau Để dự đoán phân bố các kiểu sử dụng đất khác nhau vào các thời điểm khác nhau Để dự đoán phân bố các kiểu sử dụng đất khác nhau vào các thời điểm tiếp theo có thể ứng dụng mô hình Markov Chain như sau:

Đây có thể được viết lại dưới dạng tổng quát hóa của ma trận như sau:

Dự báo về sự thay đổi các kiểu sử dụng đất theo thời gian theo phương trình

toán học sau (K W Mubea và ctv, 2010):

Vt2 = M * Vt1 (3) Trong đó:

- M là tỉ lệ thay đổi của các kiểu sử dụng đất trong thời gian thu thập số liệu

- Vt1: Diện tích của kiểu sử dụng đất tại thời điểm thứ nhất

- Vt2: Diện tích của kiểu sử dụng đất tại thời điểm t

1.2 Cơ sở thực tiễn

1.2.1 Tổng quan tình hình ứng dụng viễn thám và GIS trên thế giới

Ở các nước tiên tiến đi đầu trong lĩnh vực viễn thám như: Mỹ, Nga, Ấn

Độ, Canada, Nhât, và mới đây có thêm Trung Quốc … việc ứng dụng kết hợp công nghệ viễn thám và GIS đã trở thành công nghệ hoàn chỉnh, được sử dụng rộng rãi không chỉ để theo dõi, kiểm kê, dự báo, quản lý các tài nguyên trên đất liền mà còn hướng dần ra biển và đại dương Khuynh hướng sử dụng tư liệu viễn thám đa phổ, đa thời gian để theo dõi biến động bề mặt địa lý tự nhiên trên mặt đất đã được hình thành trên thế giới ngay từ khi các vệ tinh quan sát Trái Đất đầu tiên được đưa lên vũ trụ Trên thế giới, đã có rất nhiều các công trình khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này và đã đạt được nhiều kết quả rất thành công

Khả năng sử dụng tư liệu ảnh viễn thám kết hợp với GIS không chỉ áp dụng nghiên cứu bề mặt địa lý nói chung hay sự biến động sử dụng đất nói riêng mà nó còn được áp dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực như quản lý tài nguyên và môi trường, cảnh báo ngập lụt, sạt lở bờ sông…

1.2.2 Tổng quan tình hình ứng dụng viễn thám và GIS ở Việt Nam

Ở Việt Nam hiện nay cũng đã có rất nhiều công trình khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý như: nghiên cứu quy hoạch đô thị Hà

Nội (TS Đinh Thị Bảo Hoa), nghiên cứu sự biến động bề mặt địa lý, giám sát tài

nguyên và môi trường Các ứng dụng viễn thám và GIS trong lĩnh vực nghiên cứu sạt lở và biến động đường bờ sông mặc dù còn chưa nhiều nhưng cũng đã được đề cập đến như: xác định biến động đường bờ vùng Tiền Hải - Thái Bình, công tác quản lý vùng bờ tỉnh Nam Định hay nghiên cứu sự sạt lở bờ sông Tiền, sông Hậu thuộc tỉnh Vĩnh Long Các công trình này đã thể hiện được tính ưu việt của tư liệu ảnh viễn thám kết hợp với GIS trong khả năng ứng dụng của nó Các công trình nghiên cứu biến động tập trung vào việc sử dụng các tư liệu ảnh đa thời gian cũng như ảnh của nhiều vệ tinh khác nhau để nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật như biến động tài nguyên rừng, biến động đường bờ biển, biến động rừng ngập mặn,

nghiên cứu biến động về hiện trạng sử dụng đất

Nghiên cứu biến động được sử dụng trong các đề tài có thể ở dưới dạng quan tâm đến các thông tin thu nhận được ở các thời điểm khác nhau, từ đó chiết xuất các thông tin về lớp phủ rừng ở các thời điểm khác nhau, chồng xếp các lớp thông tin này để tìm ra biến động Tuy nhiên, việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể cũng rất cần được nghiên cứu để tìm ra những cách tiếp cận hợp lý, hiệu quả và đánh giá khả năng của chúng một cách đúng đắn