Luận văn thạc sĩ HUS sử dụng tư liệu ảnh viễn thám nghiên cứu và dự báo xu thế biến động lớp phủ mặt đất huyện từ liêm, thành phố hà nôi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐỊA LÝ NGUYỄN MỸ TƢƠI SỬ DỤNG TƢ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO XU THẾ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘ I – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MỸ TƢƠI SỬ DỤNG TƢ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO XU THẾ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành : Bản đồ, Viễn thám Hệ thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢ Ờ I H Ƣ Ớ NG D ẪN KH O A H Ọ C: TS LÊ QU ỐC HƢ NG HÀ NỘI – 2011 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài 10 Nhiệm vụ đề tài 10 Phạm vi nghiên cứu 10 Phƣơng pháp nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 11 Cấu trúc luận văn 11 Chƣơng CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12 BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 12 1.1 Khái niệm số hệ phân loại lớp phủ mặt đất 12 1.1.1 Khái niệm lớp phủ mặt đất 12 1.1.2 Hệ phân loại lớp phủ mặt đất 13 1.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 16 1.2.1 Biến động lớp phủ mặt đất 16 1.2.2 Các nguyên nhân gây biến động 16 1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 18 1.2.3.1 Phương pháp so sánh sau phân loại 18 1.2.3.2 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 19 1.2.3.3 Phương pháp phân tích vector thay đổi phổ 20 1.2.3.4 Phương pháp số học 21 1.3 Cơ sở phƣơng pháp luận xác định biến động lớp phủ mặt đất ứng dụng công nghệ viễn thám 22 1.4 Tổng quan cơng trình ứng dụng viễn thám nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 23 1.4.1 Tình hình nghiên cứu lớp phủ giới 23 1.4.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 23 Chƣơng CƠ SỞ SỬ DỤNG TƢ LIỆU VIỄN THÁM 26 TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 26 2.1 Công nghệ viễn thám ảnh vệ tinh độ phân giải cao 26 2.1.1 Công nghệ viễn thám 26 2.1.2 Ảnh vệ tinh độ phân giải cao 28 2.2 Đặc trƣng phản xạ phổ đôi tƣợng tự nhiên 31 2.2.1 Đặc tính phản xạ phổ thực vật 32 2.2.3 Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng 33 2.3 Khả ứng dụng công nghệ viễn thám vào nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 33 Chƣơng THỰC NGHIỆM - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ 38 VIỄN THÁM VÀ GIS VÀO NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ 38 KHU VỰC HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI 38 3.1 Khái quát khu vực nghiên cứu 38 3.1.1 Điều kiện tự nhiên 38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.1.2 Điều kiện xã hội 38 3.2 Ứng dụng công nghệ viễn thám GIS nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 1995 - 2009 40 3.2.1 Tư liệu sử dụng 40 3.2.2 Chiết tách thông tin ảnh viễn thám 40 3.2.3 Xây dựng quy trình thành lập đồ biến động lớp phủ mặt đất 46 3.2.4 Thành lập đồ trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm giai đoạn 1995 - 2009 48 3.3 Phân tích, thành lập đồ biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm giai đoạn 1995 - 2002 – 2009 63 Chƣơng ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 68 4.1 Tầm quan trọng công tác đánh giá biến động lớp phủ mặt đất 68 4.2 Đánh giá biến động đối tƣợng 68 4.2.1 Đất xây dựng 68 4.2.2 Đất nông nghiệp 69 4.2.3 Mặt nước 70 4.2.4 Đất trống 71 4.3 Nhận xét vấn đề thị hóa 72 4.4 Ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov mạng tự động dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất 73 4.4.1 Quy trình bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2023 73 4.4.2 Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov 80 4.4.3 Mơ hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm dựa vào toán CA_Markov 80 KẾT LUẬN 87 KIẾN NGHỊ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT FAO Tổ chức Nông lƣơng Thế giới GIS Hệ thống thông tin địa lý GLCN Global Land Cover Network GPS Global Positioning System HTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất LCCS Land Cover Classification System MaDCAT Mapping Device – Change Analysis Tool UNEP Chƣơng trình Mơi trƣờng Liên hợp quốc U.S.G.S United State Geological Survey LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát lớp phủ mặt đất 14 Hình 1.2: Phƣơng pháp so sánh sau phân loại 19 Hình 1.3: Phƣơng pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 20 Hình 1.4: Phƣơng pháp phân tích vector thay đổi phổ 20 Hình 2.1: Ảnh vệ tinh IKONOS .29 Hình 2.2: Đặc điểm phổ phản xạ đối tƣợng tự nhiên .32 Hình 3.1: Khu vực nghiên cứu 38 Hình 3.2: Quy trình thành lập đồ biến động lớp phủ mặt đất 47 Hình 3.3: Ảnh SPOT huyện Từ Liêm năm 1995, 2002 2009 48 Hình 3.4: Giao diện phần mềm MaDCAT 52 Hình 3.5: Ảnh mở công cụ Raster manager 53 Hình 3.6: Lựa chọn thơng số cho phân tách ảnh segmentation 54 Hình 3.7: Kết phân tách ảnh thành vùng 55 Hình 3.8: Hệ thống phân loại lớp phủ ( LCCS) 55 Hình 3.9: Cơng cụ Automatic Clustering 56 Hình 3.10: Tạo vùng mẫu .57 Hình 3.11: Cơng cụ chọn vùng mẫu .57 Hình 3.12: Bản đồ trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 1995 .59 Hình 3.13: Bản đồ trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2002 .60 Hình 3.14: Bản đồ trạng lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2009 .61 (Thu nhỏ từ đồ tỷ lệ 1: 65 000) 61 Hình 3.15: Cơ cấu lớp phủ thời điểm 1995 62 Hình 3.16: Cơ cấu lớp phủ thời điểm 2002 62 Hình 3.17: Cơ cấu lớp phủ thời điểm 2009 62 Hình 3.18: Chồng xếp kết phân loại thời điểm 1995 2002 63 Hình 3.19: Biểu tƣợng cho đối tƣợng phục vụ biên tập đồ biến động 63 Hình 3.20: Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 1995 – 2002 64 Hình 3.21: Bản đồ biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2002 – 2009 65 Hình 3.22: Biểu đồ diện tích loại lớp phủ thời điểm 67 Hình 4.1 Đồ thị thay đổi diện tích đất xây dựng(ha) .69 Hình 4.2 Đồ thị thay đổi diện tích đất nơng nghiệp (ha) .70 Hình 4.3 Đồ thị thay đổi diện tích mặt nƣớc (ha) 71 Hình 4.4 Đồ thị thay đổi diện tích đất trống(ha) 72 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.5: Quy trình dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu 74 Hình 4.6: Quy trình bƣớc phân cấp thích hợp 75 Hình 4.7: Ảnh phân cấp thích hợp cho dân cƣ xây dựng 78 Hình 4.8: Ảnh phân cấp thích hợp cho đất trống 78 Hình 4.9: Ảnh phân cấp thích hợp cho nông nghiệp 79 Hình 4.10: Ảnh phân cấp thích hợp cho mặt nƣớc 79 Hình 4.11: Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov Idrisi Andes 15.0 80 Hình 4.12: Mơ hình hóa biến đổi đất thị dựa vào CA_Markov 81 Hình 4.13: Kết mơ hình hóa biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm đến 2009 81 Hình 4.14: Kiểm chứng kết mơ hình hóa ảnh phân loại thực tế năm 2009 82 Hình 4.15: Kết kiểm chứng ảnh mơ hình hóa ảnh phân loại năm 2009 82 Hình 4.16: Mơ hình hóa dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2016 dựa vào CA_Markov 83 Hình 4.17: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2016 .83 Hình 4.18: Mơ hình hóa dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2023 dựa vào CA_Markov 84 Hình 4.19: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2023 .84 Hình 4.20: Đồ thị biến động diện tích lớp phủ mặt đất xác định phân loại ảnh dự báo mơ hình giai đoạn 1995 - 2023 85 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật ảnh IKONOS 29 Bảng 2.2: Một số thông số ảnh QuickBird .30 Bảng 2.3: Đặc điểm hệ thống SPOT .31 Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật số loại ảnh vệ tinh quang học 35 Bảng 3.1: Một số dấu hiệu giải đoán ảnh tổ hợp màu giả chuẩn .41 Bảng 3.2 Hệ thống giải ảnh lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu 48 Bảng 3.3: Hệ thống mẫu giải đoán ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu 50 Bảng 3.4: Các đối tƣợng cần phân loại 56 Bảng 3.5: Mẫu phân loại đối tƣợng 58 Bảng 4.1: Bảng kết biến động diện tích lớp phủ mặt đất xác định phân loại ảnh dự báo mơ hình giai đoạn 1995 - 2023 85 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Q trình thị hóa mạnh mẽ với gia tăng dân số dẫn tới thay đổi lớn trạng sử dụng đất hầu hết tỉnh thành Việt Nam, đặc biệt thủ đô Hà Nội_trung tâm văn hóa, trị, kinh tế, xã hội nƣớc Trong năm gần đây, tốc độ đô thị hóa thành phố Hà Nội diễn nhanh Đất nơng nghiệp nhanh chóng bị thu hẹp để nhƣờng chỗ cho loại hình khác nhƣ khu dân cƣ, khu cơng nghiệp, cơng trình cơng cộng khác Việc nghiên cứu biến động diện rộng thời gian dài vấn đề cần thiết cho quan quản lý thành phố, vùng ven đô cầu nối vùng nông thơn, thành phố vệ tinh với Hà Nội Ví dụ: nơi tiếp giáp nông thôn đô thị, khoảng thời gian ngắn, vùng đất nông nghiệp bị biến thành đất xanh khu đô thị Sự thay đổi gây khó khăn cho nhà hoạch định sách việc thay đổi sách vùng việc điều tra tiến hành năm lần nƣớc ta Trong ba thập kỷ gần đây, công nghệ phƣơng pháp viễn thám phát triển nhanh chóng với xuất đầu thu phát đời mới, nhờ ảnh thu đƣợc có độ phủ rộng tỷ lệ độ phân giải ngày lớn, góp phần hữu ích phục vụ cho quản lý giám sát công tác quản lý dự báo lớp phủ mặt đất So với tƣ liệu viễn thám trƣớc đây, công nghệ cho phép cập nhật thông tin, tiến hành nghiên cứu cách nhanh chóng, hiệu quả, tiết kiệm đƣợc thời gian công sức, tƣ liệu đôi với việc giảm giá giá thành tăng độ phân giải Sự phát triển công nghệ viên thám tạo ảnh hƣởng tích cực đến tổ chức điều phối giám sát mặt đất bao gồm giám sát biến động lớp phủ mặt đất đất sử dụng với biến đổi đa tỷ lệ không gian Công nghệ cho phép lựa chọn phân tích liệu hiệu chỉnh tán xạ mặt đất, khí quyển, quỹ đạo vệ tinh, việc kết hợp liệu GPS, lớp liệu chức GIS, mơt số mơ hình khác, tăng thêm tính xác thực kết Vì vậy, tƣ liệu viễn thám nguồn số liệu có giá trị để chiết tách thông tin lớp phủ bề mặt Với nhu cầu tăng số lƣợng chất lƣợng thơng tin, cơng nghệ viễn thám cịn hữu ích cho tƣơng lai chuyên ngành Vì vậy, mục tiêu sử dụng tƣ liệu viễn thám công cụ khác giám sát biến đổi lớp phủ cần thiết, đắn hữu ích Các quan hoạch định kế hoạch giám sát lớp phủ có nhiều trách nhiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nghĩa vụ công việc nhƣng khả họ việc thực nhiệm vụ bị hạn chế thông tin loại hình tốc độ biến đổi lớp phủ, chí hạn chế thơng tin cấu thành nhƣ nguyên nhân, phân bố, tốc độ biến động lớp phủ Từ Liêm huyện ngoại thành Hà Nội, nơi có q trình thị hóa nhanh Để quản lý, phát triển bền vững, nhiệm vụ đặt cần đánh giá biến động lớp phủ mặt đất Từ trƣớc đến nƣớc ta, ứng dụng viễn thám điều tra biến động cần thiết nhƣng chƣa có quy trình chuẩn (rất đơn giản hay kết đạt đƣợc chiết tách ảnh vệ tinh trƣớc nhƣ: Ứng dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu biến động sử dụng đất thành phố Đà Nẵng; Ứng dụng viễn thám theo dõi biến động đất đô thị thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An; Ứng dụng công nghệ viễn thám GIS thành lập đồ biến động lớp phủ thực vật rừng huyện Ngọc Hiển Năm Căn, Cà Mau.) hay giao trách nhiệm cho tổ chức cụ thể địa phƣơng, vùng; kể phủ cần thông tin chiết tách từ ảnh viễn thám để hoạch định điều chỉnh sách địa phƣơng, vùng hay nƣớc dựa vào xu dự báo biến động Viễn thám (sử dụng tƣ liệu độ phân giải cao) kết hợp GIS tạo đồ hay quy trình thứ cấp cịn hỗ trợ đƣa định sở độ xác cao, nhanh chóng giá thành rẻ Tuy nhiên, phát triển, nghiên cứu ứng dụng viễn thám GIS cần đến kinh nghiệm hiểu biết chuyên sâu Trong tƣơng lai gần, với dự án đầu tƣ số lƣợng loại hình vệ tinh, việc sử dụng kết dự báo xu hay trạng tức thời lớp phủ ngày dễ dàng xác Tại nƣớc ta nay, với nguồn lực việc đầu tƣ số trạm thu nhận ảnh vệ tinh độ phân giải ngày cao, chúng tác giả khẳng định hƣớng đắn, cần thiết Đặc biệt, với việc sử dụng ảnh SPOT Đề tài, tác giả hy vọng tạo đƣợc sở liệu thực nghiệm có độ xác cao hẳn trƣớc đây, mà ứng dụng theo hƣớng sơ sài sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải thấp trung bình, thời kỳ thị hoá chƣa nhanh nhƣ vùng nghiên cứu thử nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chính lý trên, tác giả chọn đề tài: “Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám nghiên cứu dự báo xu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm, Thành phố Hà Nội” Đề tài sâu vào nơi dung sau: (1) Nghiên cứu tổng quan tƣ liệu viễn thám độ phân giải cao, liệu phƣơng pháp lịch sử, (2) chứng minh tính đắn đƣa quy trình tiêu chuẩn ứng dụng rộng rãi thực tiễn, (3) nghiên cứu, đƣa xu biến động vùng nghiên cứu đề xuất ứng dụng mơ hình sản xuất Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nâng cao vai trị tƣ liệu viễn thám nói chung ảnh viễn thám độ phân giải cao nói riêng việc nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất Các mục tiêu đề tài là: - Nghiên cứu trạng lớp phủ mặt đất khu vực có sử dụng tƣ liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao - Đƣa xu biến động số yếu tố lớp phủ bề mặt nhƣ: đất nông nghiệp, đất xây dựng, đất chƣa sử dụng, mặt nƣớc Nhiệm vụ đề tài Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, đề tài thực nhiệm vụ nhƣ sau: - Tìm hiểu tình hình ứng dụng cơng nghệ viễn thám nghiên cứu lớp phủ Việt Nam Hà Nội nói riêng - Xử lý ảnh vệ tinh khu vực huyện Từ Liêm thu thập đƣợc - Đánh giá biến động lớp phủ mặt đất - Dự báo xu biến động lớp phủ mặt đất Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất khu vực huyện Từ Liêm, tập trung vào đối tƣợng: đất nông nghiệp, đất ở, đất chƣa sử dụng, mặt nƣớc Khu nghiên cứu thuộc huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện, đề tài sử dụng hệ phân loại LCCS phần mềm MadCat Bên cạnh phƣơng pháp: 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + 128: LUC, LUK + 64: R, CSD, CHN + 0: TS, MN → Raster hóa - Khoảng cách tới đƣờng giao thông: khoảng - 100m: thuận lợi nhất, từ 100 - 1000: mức độ thuận lợi giảm dần + Chuẩn bị file vectorr đƣờng giao thông, tạo trƣờng (value), cho giá trị 1, cắt theo ranh giới + Chuyển sang raster (TIFF), vào IDRISI chuyển sang dạng rst + Để phân cấp điểm, dùng hàm FUZZY: GIS Analysis → Decision Support → FUZZY Membership function type: J-shaped Input file: gt_final Output file: gt_fuzzy Output data format: Byte (0-255) Membership function shape: Monotonically decreasing Control point c: 100 Control point d: 1000 b Loại hình Nơng nghiệp: đƣợc đánh giá tiêu: HTSDĐ - HTSDĐ: đƣợc đánh giá theo cấp, thang điểm 255 - 128 – + 255: CAQ, CHN, LUC, LUK + 128: CSD, R + 0: DC, DCD, TS, MN → Raster hóa c Loại hình Mặt nước: tách lớp thơng tin mặt nƣớc giải đoán đƣợc, gán giá trị = 255, phần cịn lại = d Loại hình Đất trống: đƣợc đánh giá tiêu HTSDĐ - HTSDĐ: đƣợc đánh giá theo cấp, thang điểm 255 - 192 - 128 - 64 – (hình 3.16) + 255: CSD, CHN + 170: R, CAQ + 85: DC, DCD, LUC, LUK 76 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + 0: TS, MN → Raster hóa Bước phân tích tổng hợp để suit map a Xây dựng ảnh phân cấp thích hợp cho quần cư - Vào Idrisi → GIS Analysis → Decision Support → Decision Wizard: + Create a new file: HN_suit + Specify Objectives: số loại hình lớp phủ (4), đặt tên: Đất xây dựng, nông nghiệp, mặt nƣớc, đất trống Chú ý sau đặt obj, chƣơng trình lần lƣợt obj để xác định factor, weight (cần ý tiêu đề phía để biết loại hình xác định factor đúng) Ví dụ cho loại hình đất xây dựng: + Constraint: Xác định ngƣỡng có trạng thái 1, ví dụ: constraint loại hình quần cƣ, ta biết quy hoạch có diện tích để dùng vào mục đích nơng nghiệp khơng phải phát triển quần cƣ, phần diện tích đƣợc gán giá trị (Lƣu ý: phần cho điểm chi tiết nên bỏ qua phần này, number of constraints: 0) + Factor: Number of factors: Input: chọn file raster hóa trên: dancu_htsdd, dancu_gt_dis_fuzzy Cột FUZZY: khơng cần chuẩn hóa → chọn No + Factors weights: chọn user-defined weight → cho trọng số lớp dancu_htsdd: 0,4; gt_dis_fuzzy: 0,6 đánh giá cá nhân ngƣời dùng + Đặt tên output: quan cu xây dựng 77 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.7: Ảnh phân cấp thích hợp cho dân cư xây dựng b Xây dựng ảnh phân cấp thích hợp cho đất trống Làm tƣơng tự nhƣ với quần cƣ Thay đổi factor (ngƣỡng) gồm có dattrong_htsdd Hình 4.8: Ảnh phân cấp thích hợp cho đất trống 78 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com c Xây dựng ảnh phân cấp thích hợp cho nông nghiệp Làm tƣơng tự nhƣ với quần cƣ Thay đổi factor (ngƣỡng) gồm có nongnghiep_htsdd Hình 4.9: Ảnh phân cấp thích hợp cho nơng nghiệp d Xây dựng ảnh phân cấp thích hợp cho mặt nước Làm tƣơng tự nhƣ với quần cƣ Thay đổi factor (ngƣỡng): matnuoc Hình 4.10: Ảnh phân cấp thích hợp cho mặt nước 79 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4.4.2 Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov Ma trận chuyển dịch dựa vào mơ hình Markov cho phép dựa vào ảnh (đã phân loại) thời điểm khác xác định đƣợc ma trận chuyển dịch (có quy luật) giai đoạn 1995 – 2002 Hình 4.11: Xây dựng ma trận chuyển dịch dựa vào chuỗi Markov Idrisi Andes 15.0 Kết bƣớc xác định đƣợc ma trận chuyển dịch lớp thông tin giai đoạn cần nghiên cứu Ma trận chuyển dịch sở để mơ hình dự báo thay đổi đối tƣợng nghiên cứu tƣơng lai 4.4.3 Mơ hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm dựa vào toán CA_Markov Với ƣu điểm đƣa đƣợc yếu tố không gian (các đồ phân cấp thích hợp xây dựng bƣớc trên) vào tốn thống kê Markov, mơ hình CA_Markov cho phép dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm khoảng thời gian xác định a Dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất đến năm 2009 Dựa nguồn tƣ liệu đầu vào ảnh vệ tinh SPOT năm 1995 năm 2002, mơ hình CA_markov cho phép dự báo đƣợc biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm đến năm 2009 (hình ) 80 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.12: Mơ hình hóa biến đổi đất đô thị dựa vào CA_Markov Với việc sử dụng đồ phân cấp thích hợp làm ngƣỡng giới hạn trình thay đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm, kết mơ hình hóa đƣợc thể hình sau (hình Hình 4.13: Kết mơ hình hóa biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm đến 2009 81 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục đích cơng đoạn dựa kết mơ hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm đến 2009 để đánh giá mức độ xác q trình mơ hình hóa cho giai đoạn Sử dụng chức kiểm chứng (Validate) phần mềm Idrisi, so sánh kết mơ hình hóa đến năm 2009 ảnh phân loại năm 2009 (hình 3.28): Hình 4.14: Kiểm chứng kết mơ hình hóa ảnh phân loại thực tế năm 2009 Kết đƣợc thể hình nhƣ sau: Hình 4.15: Kết kiểm chứng ảnh mơ hình hóa ảnh phân loại năm 2009 82 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình cho thấy kết mơ hình hóa đạt tỷ lệ xác cao (gần 90%) so với kết phân loại ảnh SPOT năm 2009 Kết cho phép đề tài mơ hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm đến năm 2016 2023 b Dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm đến năm 2016 2023 Ứng dụng mô hình phân tích chuỗi Markov kết hợp với thuật tốn Mạng tự động để dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu tới năm 2016 2023 cho kết cụ thể đƣợc thể hiện: Hình 4.16: Mơ hình hóa dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2016 dựa vào CA_Markov Hình 4.17: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2016 83 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.18: Mơ hình hóa dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tới năm 2023 dựa vào CA_Markov Hình 4.19: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm năm 2023 84 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kết phân loại từ ảnh (ha) Kết dự báo (ha) ID Loại lớp phủ Quần cƣ xd Nông nghiệp Mặt nƣớc Đất trống 1995 2009 2016 3536,8 4274,6 5012,4 4500,16 3313,52 2593,92 1874,32 809,04 703,24 663,32 643,72 624,12 136,6 149,16 226,08 227,48 228,88 1831,44 4962,6 2002 2387,12 2023 Bảng 4.1: Bảng kết biến động diện tích lớp phủ mặt đất xác định phân loại ảnh dự báo mơ hình giai đoạn 1995 - 2023 6000 5000 4000 Quần cư xd Nông nghiệp 3000 Mặt nước Đất trống 2000 1000 1995 2002 2009 2016 2023 Hình 4.20: Đồ thị biến động diện tích lớp phủ mặt đất xác định phân loại ảnh dự báo mơ hình giai đoạn 1995 - 2023 Nhƣ từ đồ thị dự báo năm tới, nhận thấy rằng: Diện tích đất nơng nghiệp ngày giảm khu vực huyện Từ Liêm, diện tích đất ( quần cƣ) xây dựng có xu hƣớng tăng Một thách thức đƣợc đặt cho nàh quản lý tƣơng lai không việc cân sinh thái khu vực, mà vấn đề xã hội khác Diện tích đất trống mặt nƣớc có xu hƣớng ổn định tƣơng lai Việc đất xây dựng chiếm diện tích đất nơng nghiệp đẩy ngƣời nông dân phải chuyển đổi phƣơng thức sản xuất để trì sống, ngƣời nơng dân chân lấm tay bùn chuyển dần sang kinh doanh, dịch vụ Đây có phải điều mà họ mong muốn? Không thể phủ nhận diện mạo mới, đại hơn, đẹp đẽ khu vực nhƣng liệu điều có bền vững mà 85 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lốc thị hóa kéo theo nhiều mặt tiêu cực, phá hủy đời sống vốn bình yên cƣ dân nơi Nếu với tốc độ nhƣ dự báo, tƣơng lai huyện Từ Liêm khơng cịn diện tích đất nơng nghiệp, thay vào khu công nghiệp, khu dân cƣ Ao hồ, đất trống đƣợc thay tòa nhà cao tầng, nhà máy, công xƣởng Nhận xét khả ứng dụng mơ hình phân tích chuỗi Markov Mạng tự động dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất Căn kết dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất hai thời điểm xác định, rút số nhận xét thuận lợi khó khăn việc áp dụng mơ hình phân tích chuỗi Markov Mạng tự động nhƣ sau: - Thuận lợi: + Mơ hình hóa khơng gian nói chung thuật tốn phân tích chuỗi Markov Mạng tự động nói riêng phƣơng pháp định lƣợng có tính logic chặt chẽ, đảm bảo kết mơ hình hóa đạt độ xác cao + Kết mơ hình hóa cung cấp thơng tin hữu ích xu hƣớng biến đổi loại hình lớp phủ mặt đất cho địa phƣơng Trên sở hoạch định đƣợc sách phù hợp thời gian tới - Khó khăn hạn chế mơ hình + Mức độ chi tiết liệu khơng gian đầu vào mơ hình có vai trò quan trọng Trong điều kiện sở hạ tầng khơng gian (Spatial Data Infrastructure) Việt Nam cịn nhiều hạn chế, việc tìm kiếm, thu thập liệu không gian đủ mức độ chi tiết cơng việc khó khăn, ảnh hƣởng lớn tới kết mơ hình hóa + Mơ hình hóa khơng gian dựa vào phân tích chuỗi Markov Mạng tự động q trình khép kín, gần nhƣ khơng chịu tác động nhân tố bên ngồi hệ thống Trong đó, biến đổi lớp phủ mặt đất trạng sử dụng đất đối tƣợng phụ thuộc nhiều vào tác động yếu tố bên ngoài, đặc biệt yếu tố thể chế, sách Do vậy, việc khơng thể tích hợp đƣợc yếu tố vào mơ hình hạn chế lớn mơ hình + Mức độ chi tiết lớp phủ mặt đất (số lƣợng đơn vị lớp phủ) ảnh hƣởng tới kết q trình mơ hình hóa Nếu số lƣợng đơn vị lớp phủ mặt đất nhiều (trên 10 đơn vị) làm cho kết mô hình hóa thiếu độ tin cậy 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KẾT LUẬN Từ Liêm huyện ven thủ đo Hà Nội, có tốc độ thị hóa nhanh Do vậy, cần đánh giá biến động lớp phủ mặt đất, làm sở khoa học cho việc quy hoạch, quản lý đất đai Công nghệ viễn thám kết hợp với GIS cho hiệu cao khách quan đánh giá dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất Kết thực nghiệm rõ việc kết hợp công nghệ viễn thám GIS hữu hiệu xác định diện tích biến động đối tƣợng lớp phủ; khơng cịn xác định đƣợc hình thái biến động, mức độ biến động đối tƣợng Bên cạnh đó, việc sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao hoàn toàn đáp ứng đƣợc yêu cầu độ xác hình học nhƣ cung cấp đủ lƣợng thông tin để xây dựng đồ biến động lớp phủ mặt đất đến cấp huyện Trên sở đồ biến động lớp phủ mặt đất đƣợc thành lập công nghệ viễn thám GIS khu vực huyện Từ Liêm cho thấy diện tích đất nơng nghiệp chiếm tỉ lệ cao tổng diện tích huyện giảm xuống với tốc độ ngày tăng, năm 1995 diện tích đất nơng nghiệp 4976,40 (chiếm 64%) tới năm 2002 4510,49 ha, giảm 465,91 tới năm 2009 3324,50 (chiếm 43%), giảm 1185,99 (gấp 2,5 lần tốc độ giảm thời kì 1995 – 2002) Phần lớn điện tích đất nơng nghiệp giảm đƣợc chuyển sang đất xây dựng q trình thị hóa làm cho diện tích đất xây dựng lại ngày tăng Năm 1995 1837,13 (chiếm 24%), tới năm 2002 2392,78 (chiếm 29%) năm 2009 3543,27 (chiếm 45%), tăng 1150,49 Diện tích mặt nƣớc đất trống bãi bồi chiếm tỉ lệ tổng diện tích huyện lần lƣợt khoảng 10% 3% biến động khơng nhiều Việc ứng dụng mơ hình phân tích chuỗi Markov kết hợp với thuật tốn Mạng tự động để dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất khu vực nghiên cứu tới năm 2016 2023 cho kết loại hình nhƣ đất nơng nghiệp có xu hƣớng giảm mạnh diện tích, xu biến đổi chủ yếu thành dạng quần cƣ xây dựng Trong đó, diện tích mặt nƣớc có xu giảm nhƣng khơng nhiều Diện tích quần cƣ xây dựng có xu hƣớng tăng mạnh dọc theo tuyến đƣờng quốc lộ, thay cho diện tích đất nơng nghiệp đất trống 87 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bên cạnh đó, việc sử dụng phần mềm MADCAT cho phép chạy tự động kết biến động lớp phủ mặt đất với đầu vào liệu ảnh Đây phần mềm tốt cho việc nghiên cứu giám sát biến động Cùng với việc sử dụng mơ hình phân tích chuỗi Markov kết hợp với thuật toán Mạng tự động để dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất đem lại thêm lựa chọn cho công tác quản lý, hoạch định Điều có ý nghĩa lớn việc phát triển bền vững tƣơng lai KIẾN NGHỊ Trong trình triển khai thực luận văn, với kết khó khăn gặp phải, tác giả xin có số kiến nghị nhƣ sau: Việc sử dụng phần mềm MADCAT cần có liệu xác cho khu vực nghiên cứu, để phổ biến rộng rãi cần phải xây dựng thƣ viện mẫu đối tƣợng diện rộng, đầy đủ xác tạo thành hệ thống thống phạm vi rộng (Tỉnh hay quốc gia) Từ cho phép tự động cho kết thay đổi sau cập nhật ảnh Nhƣợc điểm thuật tốn Markov nội suy tuyến tính để dự báo thay đổi trạng thái pixel theo bƣớc thời gian khác mà chƣa xác định đƣợc ngƣỡng đánh giá (các yếu tố tự nhiên, sách phát triển yếu tố kinh tế - xã hội) Do cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao độ xác mơ hình Cần có đủ thời gian điều kiện liên quan để tích hợp yếu tố thể chế, sách vào mơ hình để mơ hình có ý nghĩa thực tiễn cao Qua giúp nhà quản lý đƣa đƣợc chiến lƣợc phát triển hợp lý cho khu vực 88 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TIẾNG VIỆT Cục Môi trƣờng, Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trƣờng hội thảo “Ứng dụng viễn thám quản lý môi trƣờng Việt Nam” Hà Nội, 1999 [2] Hà Minh Cƣờng, Nghiên cứu biến đổi đất đô thị thành phố Hà Nội với trợ giúp viễn thám hệ thông tin địa lý Luận văn Thạc sĩ, 2010 [3] Nguyễn Xuân Lâm, Nghiên cứu số giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám độ phân giải cao cho mục đích thành lập đồ chuyên đề tỷ lệ 1:10.000 lớn Đề tài cấp Bộ Tài nguyên môi trƣờng, 2007 [4] Trƣơng Quang Hải, Nhữ Thị Xuân, Nghiên cứu thành lập đồ thảm thực vật khu vực vƣờn quốc gia Ba Bể phƣơng pháp viễn thám - Hệ thơng tin địa lý Tạp chí địa chính, Tổng cục Địa chính, Tập 9, 2001 [5] Nhữ Thị Xuân, Đinh Thị Bảo Hoa, Nguyễn Thị Thuý Hằng Đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thanh Trì - thành phố Hà Nội giai đoạn 1994 - 2003 sở phƣơng pháp viễn thám kết hợp GIS Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội.Tập XX Số 2004 [6] Nguyễn Trƣờng Sơn, Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh công nghệ GIS việc giám sát trạng tài nguyên rừng Tạp chí Viễn thám Địa tin học, Trung tâm Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên môi trƣờng, Số 6, 2009 [7] Nguyễn Ngọc Thạch, Giáo trình Cơ sở Viễn thám, 2009 [8] Chu Hải Tùng, Nghiên cứu khả kết hợp ảnh vệ tinh Radar quang học để thành lập số thông tin lớp phủ mặt đất Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, 2008 TIẾNG ANH [9] Agarwal, C., G M Green, J M Grove, T P Evans and C M Schweik, A review and Asessment of land-use change models: dynamics of space, time, and human choice, 2002 [10] Almeida, C.M.d., M.Batty, A.M.V.Monteiro, G.Camara, B.S.Soares-Filho, G.C.Cerqueira, C.L.Pennachin, Stochastic cellular automata modeling of urban land use dynamics empirical development and estimation, Computers, Environment and Urban Systems, 2003 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com [11] Barredo, J., Kasanko, M., McCormick, N., & Lavalle, C Modelling dynamic spatial processes: Simulation of urban future scenarios through cellular automata, 2003 [12] Canada Centre for Remote Sensing, Fundamentals of Remote Sensing, 2000 [13] Johnson, R D and E S Kasischke (1998) “ Change vector analysis: a technique for the multispectral monitoring of landcover and condition.” International Journal of Remote Sensing 19 [14] Levien L M., Roffers P., Maurizi B., Suero J., Fischer C., Huang X., A machine-Learning approach to change detection using multi-scale imagery, American Society of Photogrammetry and Remote Sensing 1999 [15] Li,X and A.G.O.Yeh , Neural-network-based cellular automata for simulating multiple land use changes using GIS, International Journal of geographical information science, 2002 [16] López, E., Bocco, G., Mendoza, M., & Duhau, E Predicting land cover and land-use change in the urban fringe A case in Morelia city, Mexico Landscape and Urban Planning, 2001 [17] http://www.eoearth.org [18] Karol2na Kolehmainen and Yifang Ban, Multitemporal SPOT images for Urban Land-cover Change Detection over Stockholm between 1986 and 2004 [19] Tobler, W Cellular geography In S Gale, & G Olsson (Eds.), Philosophy in geography Dordrecht: Reidel, 1979 [20] White, R., & Engelen, G., & Uljee, I The use of constrained cellular automata for high-resolution modelling of urban land use dynamics, 1997 90 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... đề tài: ? ?Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám nghiên cứu dự báo xu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm, Thành phố Hà Nội” Đề tài sâu vào nơi dung sau: (1) Nghiên cứu tổng quan tƣ liệu viễn thám độ... SỬ DỤNG TƢ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO XU THẾ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành : Bản đồ, Viễn thám Hệ thông tin địa lý Mã số: 60.44.76 LUẬN VĂN... dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu biến động sử dụng đất thành phố Đà Nẵng; Ứng dụng viễn thám theo dõi biến động đất đô thị thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An; Ứng dụng công nghệ viễn thám GIS thành