Bài giảng Ứng dụng viễn thám trong quản lý đất đai

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆN QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI VÀ PTNT LÊ HÙNG CHIẾN, TRẦN THỊ THƠM BÀI GIẢNG ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG QLĐĐ Hà Nội, 2018 LỜI NĨI ĐẦU Viễn thám cơng nghệ thu nhận thơng tin nhanh chóng, hiệu quả, xác, ứng dụng viễn thám quản lý đất đai môn học nhằm cung cấp cho người học kiến thức nguyên lý viễn thám, phần mềm xử lý ảnh viễn thám, ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám công tác thành lập đồ lớp phủ, đồ trạng, …đánh giá biến động phục vụ cơng tác quản lý tài ngun thiên nhiên nói chung, quản lý đất đai nói riêng Bài giảng Ứng dụng viễn thám quản lý đất đai biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu học tập sinh viên ngành Quản lý đất đai, tài liệu tham khảo với sinh viên ngành Lâm học, Quản lý tài ngun rừng mơi trường Trong q trình biên soạn nhóm tác giả cố gắng trình bày ngắn gọn, dễ hiểu, bám sát nội dung đề cương môn học phê duyệt, cập nhật kiến thức mới, đặc biệt kỹ thuật phần mềm xử lý ảnh, ứng dụng tư liệu ảnh công tác thành lập đồ phục vụ quản lý đất đai Trong thời gian hồn thiện giảng nhóm tác giả nhận động viên giúp đỡ bạn bè, đồng nghiệp cán Trường Đại học Lâm nghiệp, Viện quản lý đất đai PTNT, đặc biệt Bộ môn Trắc địa đồ GIS Xin trân trọng cảm ơn động viên giúp đỡ q báu Q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, nhóm tác giả mong nhận đóng góp ý kiến từ bạn bè, đồng nghiệp để giảng hoàn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gửi theo địa Bộ mơn Trắc địa đồ GIS phịng 122 nhà A3 Trường Đại học Lâm nghiệp CÁC TÁC GIẢ MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM 1.1.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM 1.1.1 Khái việm Viễn thám 1.1.2 Phân loại viễn thám 1.1.3 Tư liệu sử dụng viễn thám 10 1.1.4 Đặc tính phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 16 1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG VIỄN THÁM Ở THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 29 1.2.1 Sự phát triển cơng nghệ viễn thám phạm vi tồn cầu 29 1.2.2 Tình hình ứng dụng cơng nghệ Viễn thám Việt Nam 33 1.3 QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH VỆ TINH 35 1.3.1 Nhập liệu 35 1.3.2 Khôi phục hiệu chỉnh ảnh 35 1.3.3 Biến đổi ảnh 36 1.3.4 Phân loại phân tích 36 1.3.5 Xuất kết 36 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH 37 2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH VIỄN THÁM 37 2.1.1 Khái niệm 37 2.1.2 Một số phần mềm sử dụng Việt Nam 37 2.1.3 Một số phần mềm sử dụng Việt Nam 38 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ENVI VÀ CÁCH TIỆP CẬN 48 2.2.1 Giới thiệu giao diện phần mềm ENVI 48 2.2.2 Giới thiệu chức phần mềm 50 2.2.3 Hiển thị hình ảnh tư liệu viễn thám ENVI 4.8 57 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ ĐẤT 59 3.1 PHÂN LOẠI LỚP PHỦ BẰNG CHỈ SỐ THỰC VẬT 59 3.1.1 Khái niệm số thực vật cách tính tốn 59 3.1.2 Giới thiệu chức Band Math nguyên lý tính tốn kênh ảnh 60 3.1.3 Tính tốn số thực vật chuẩn hóa (NDVI) - Normalized Diference Vegetation Index ENVI 65 3.2 PHÂN LOẠI LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÓ GIÁM ĐỊNH 69 3.2.1 Quy trình phân loại lớp phủ phương pháp có giám định 69 3.2.2 Hiện ảnh nâng cao chất lượng ảnh 70 3.2.3 Nắn chỉnh hình học cắt chọn vùng nghiên cứu 75 3.2.4 Chọn vùng mẫu cho đối tượng cần phân loại 77 3.2.5 Tính toán số thống kê vùng mẫu 80 3.2.6 Phân loại lớp phủ theo phương pháp có giám định 81 3.2.7 Đánh giá độ xác phân loại 87 3.3 ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI 88 3.3.1 Ứng dụng viễn thám GIS để chỉnh đồ địa hình 88 2.3.2 Quy trình cơng nghệ chỉnh đồ địa hình tư liệu viễn thám 89 3.3.3 Ưng dụng viễn thám GIS để thành lập đồ trạng sử dụng đất 91 3.4 SỬ DỤNG TƯ LIỆU ĐA PHỔ ĐA THỜI GIAN TRONG ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ 101 3.4.1 Khái quát đồ biến động sử dụng đất 101 3.4.2 Các phương pháp nghiên biến động sử dụng đất 104 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Ngun lý thu nhận liệu viễn thám Hình 1.2.a Viễn thám bị động Hình 1.2.b Viễn thám chủ động Hình 1.3 a Vệ tinh địa tĩnh Hình 1.3.b Vệ tinh quỹ đạo cực Hình 1.4 Các dải sóng sử dụng viễn thám Hình 1.5 Sơ đồ phân loại viễn thám theo bước sóng Hình 1.6.a.Vệ tinh địa tĩnh GEOS 10 Hình 1.6.b.Vệ tinh Landsat 10 Hình 1.6.c 10 Hình 1.6.d Tàu vũ trụ Endeavour 10 Hình 1.7 Sơ đồ mô tả mối tương quan khái niệm 12 Hình 1.8 Một số phản xạ 17 Hình 1.9 Đặc trưng phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 17 Hình 1.10 Đặc trưng phản xạ phổ thực vật 18 Hình 1.11 Đặc tính hấp thụ nước 19 Hình 1.12 Đặc tính phản xạ phổ thực vật 20 Hình 1.13 Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng 21 Hình 1.14 Khả phản xạ phổ đất phụ thuộc vào độ ẩm 21 Hình 1.15 Khả phản xạ hấp thụ nước 23 Hình 1.16 Khả phản xạ phổ số loại nước 23 Hình 1.17 Cửa sổ khí 28 Hình 1.18 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 30 Hình 1.19 Các mốc thời gian đánh dấu phát triển hệ thống vệ tinh Landsat 32 Hình 2.1.Một số phần mềm xử lý ảnh viễn thám sử VN 37 Hình 2.2Giao diện phần mềm IDRISI 40 Hình 2.3 41 Hình 2.4 Mạng phân cấp đối tượng ảnh 43 Hình 2.5 Nhóm chun đề đối tượng ảnh (Image Object Domain) 43 Hình 2.6 Quá trình phân loại định hướng đối tượng eCognition 44 Hình 2.7 44 Hình 2.8 45 Hình 2.9 Error! Bookmark not defined Hình 2.10 45 Hình 2.11 46 Hình 2.12 47 Hình 2.13 Giao diện phần mềm ENVI 49 Hình 2.14 Các cửa sổ phần mềm ENVI 50 Hình 2.16 Các chức cơng cụ Basic tool 54 Hình 2.17 Các chức công cụ Classification 54 Hình 2.18 Các chức công cụ Transform 55 Hình 3.1 Ví dụ cơng thức tính NDVI 60 Hình 3.2 a)Ảnh Aster; b) Lọc tần số thấp; c) Lọc tần số cao 60 Hình 3.3 Ảnh NDVI giám sát thực vật quy mơ tồn cầu 63 Hình 3.4 Xử lý tốn học Band Math 64 Hình 3.5 Thực tính số NDVI ENVI 65 Hình 3.6 Ví dụ ảnh trước chuyển đổi 65 Hình 3.7 Ví dụ ảnh sau chuyển đổi ảnh NDVI 66 Hình 3.8 Tính NDVI cơng cụ Band Math ENVI 66 Hình 3.9 Tính tốn số thực vật cơng cụ Band math ENVI 67 Hình 3.10 Tính tốn số màu nâu thực vật cơng cụ Band math ENVI 67 Hình 3.11 Ảnh vệ tinh trước sau biến đổi độ xám 70 Hình 3.12 Biểu đồ độ xám ảnh tối 71 Hình 3.13 Biểu đồ độ xám ảnh sang ảnh có độ tương phản thấp 72 Hình 3.14 Biểu đồ độ xám ảnh có độ tương phản cao 73 Hình 3.15 Chuẩn hóa Histogram 73 Hình 3.16 Các phép tang cường ENVI 74 Hình 3.17 Các điểm khống chế ảnh 76 Hình 3.18 Cơng cụ nắn chỉnh ENVI 76 Hình 3.19 Kỹ thuật ghép ảnh ENVI 77 Hình 3.20 Kỹ thuật cắt ảnh ENVI 77 Hình 3.21 Chọn vùng mẫu cho loại ước tính tham số thống kê 78 Hình 3.22 Không gian đặc trưng phổ ứng với pixel 79 Hình 3.23 Kết khoanh mẫu ảnh 80 Hình 3.24 Đánh giá độ xác mẫu 81 Hình 3.25 Phương pháp phân loại hình hộp khơng gian ba chiều 82 Hình 3.26 Nguyên lý phân loại ảnh theo phương pháp khoảng cách ngắn 83 Hình 3.27 Phân loại ảnh theo xác xuất cực đại 84 Hình 3.28 Đặc tính phổ loại; b) Cây định 86 Hình 3.29.Sơ đồ cơng nghệ chỉnh đồ địa hình ảnh vệ tinh theo phương pháp truyền thống 90 Hình 3.30 Sơ đồ cơng nghệ chỉnh đồ địa hình ảnh vệ tinh theo phương pháp số 91 Hình 3.31 Phương pháp thành lập đồ HTSDĐ cách sử dụng tư liệu viễn thám để chỉnh đồ HTSDĐ chu kỳ trước 101 Hình 3.34 Véc tơ thay đổi phổ 107 Hình3.35 Thuật tốn phân tích vec tor thay đổi phổ 107 Hình 3.6 Nghiên cứu biến đông mạng nhị phân 108 Hình 3.37 Nghiên cứubiến động phương pháp cộng màu kênh ảnh 108 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc điểm dải phổ điện từ sử dụng kỹ thuật viễn thám Bảng 1.2 Hệ thống phân loại vật mang theo độ cao Bảng 1.3 Quan hệ độ phân giải kích thước vật thể cần xác định 13 Bảng 1.4 24 Bảng 1.5 29 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM 1.1.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM 1.1.1 Khái việm Viễn thám Khái niệm Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) hiểu khoa học nghệ thuật để thu nhận thông tin đối tượng, khu vực tượng thơng qua việc phân tích tư liệu thu nhận đuợc phương tiện Những phương tiện tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực với tượng nghiên cứu Thực cơng việc thực viễn thám hay hiểu đơn giản: Viễn thám thăm dò từ xa đối tuợng tượng mà khơng có tiếp xúc trực tiếp với đối tượng tuợng Theo quan điểm khác nhau, có nhiều khái niệm khác viễn thám, khái niệm có điểm chung, nhấn mạnh "Viễn thám khoa học thu nhận từ xa thông tin đối tượng, tượng trái đất" Dưới khái niệm viễn thám theo quan niệm tác giả khác Viễn thám nghệ thuật, khoa học, nói nhiều vật khơng cần phải chạm vào vật (Ficher nnk, 1976) Viễn thám quan sát đối tượng phương tiện cách xa vật khoảng cách định (Barret Curtis, 1976) Viễn thám khoa học lấy thông tin từ đối tượng, đo từ khoảng cách cách xa vật khơng cần tiếp xúc với Năng lượng đo hệ viễn thám lượng điện từ phát từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978) Viễn thám ứng dụng vào việc lấy thông tin mặt đất mặt nước trái đất, việc sử dụng ảnh thu đựợc từ đầu chụp ảnh sử dụng xạ phổ điện từ, đơn kênh đa phổ, xạ phản xạ từ bề mặt trái đất (Janes B.Capbell, 1996) Viễn thám "khoa học nghệ thuật thu nhận thông tin vật thể, vùng, tượng, qua phân tích liệu thu phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, tượng khảo sát ".(Lillesand Kiefer, 1986) Phương pháp viễn thám phương pháp sử dụng lượng điện từ ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn phương tiện để điều tra đo đạc đặc tính đối tượng (Theo Floy Sabin 1987) Định nghĩa loại trừ quan trắc điện, từ trọng lực quan trắc thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo trường lực nhiều đo xạ điện từ Nguyên lý thu nhận liệu viễn thám Sóng điện từ phản xạ xạ từ vật thể nguồn cung cấp thông tin chủ yếu đặc tính đối tượng Ảnh viễn thám cung cấp thông tin vật thể tương ứng với lượng xạ ứng với bước sóng xác định Đo lường phân tích lượng phản xạ phổ ghi nhận ảnh viễn thám, cho phép tách thơng tin hữu ích lớp phủ mặt đất khác tương tác xạ điện từ vật thể Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay xạ từ vật thể gọi cảm biến Bộ cảm biến máy chụp ảnh máy quét Phương tiện mang cảm biến gọi vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu thoi vệ tinh…) Hình 1.1 thể sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám Hình 1.1 Nguyên lý thu nhận liệu viễn thám - Xây dựng thiết kế kỹ thuật – dự toán cơng trình b Cơng tác chuẩn bị - Lập, kiểm tra đánh giá chất lượng bỡnh đồ ảnh Vệ tinh trực giao, - Kiểm tra, đánh giá đồ HTSDĐ chu kỳ trước, - Lập kế hoạch chi tiết c Công tác nội nghiệp - So sánh bình đồ ảnh trực giao với đồ HTSDĐ chu kỳ trước để xác định khu vực thay đổi, - Giải đoán xác định yếu tố nội dung HTSDĐ khu vực thay đổi xác định bình đồ ảnh trực giao, - Kiểm tra kết giải đốn d Cơng tác ngoại nghiệp: Điều tra, đối soát bổ sung yếu tố HTSDĐ trời e Biên tập tổng hợp: - Chuyển kết điều tra, bổ sung, chỉnh lý lên đồ HTSDĐ, - Biên tập đồ f Hoàn thiện in đồ: - Kiểm tra kết thành lập đồ, - Hoàn thiện in đồ, - Viết thuyết minh thành lập đồ - Kiểm tra, nghiệm thu, Ngoài ưu điểm ảnh vệ tinh công tác chỉnh đồ HTSDĐ là: hiệu xử lý với ảnh mật độ cao, thu số liệu thường xuyên, chất lượng ảnh tốt, có khả tiếp cận khu vực nguy hiểm (núi cao, vực thẳm, biên giới hải đảo), không cần nhiều điểm khống chế không yêu cầu kỹ thuật đặc biệt, qua quy trình cơng nghệ ta thấy đặc điểm công tác giải đoán ảnh Vệ tinh giải đoán nơi có thay đổi trạng sử dụng đất mà khơng cần phải giải đốn tồn ảnh Điều cho phép rút ngắn đáng kể thời gian thành lập đồ HTSDĐ Mặt khác, tờ HTSDĐ chu kỳ trước ảnh Vệ tinh chụp khu vực khơng có biến động khóa giải đốn tốt, nên cơng tác giải đốn ảnh Vệ tinh chỉnh đồ HTSDĐ phần lớn tiến hành phòng, cho phép giảm 100 đáng kể chi phí thời gian tiền Những điều làm cho cơng nghệ đề xuất có nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp khác Xây dựng thiết kế kỹ thuật - dự tốn cơng trình Cơng tác chuẩn bị Cơng tác phịng Cơng tác ngồi trời Biên tập tổng hợp Hoàn thiện in đồ Kiểm tra nghiệm thu Hình 3.31 Phương pháp thành lập đồ HTSDĐ cách sử dụng tư liệu viễn thám để chỉnh đồ HTSDĐ chu kỳ trước 3.4 SỬ DỤNG TƯ LIỆU ĐA PHỔ ĐA THỜI GIAN TRONG ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ 3.4.1 Khái quát đồ biến động sử dụng đất Biến động hiểu biến đổi thay đổi, thay trạng thái trạng thái khác liên tục sựvật, tượng tồn môi trường tự nhiên môi trường xã hội 101 Phát biến động trình nhận dạng biến đổi, khác biệt trạng thái vật, tượng cách quan sát chúng thời điểm khác Để nghiên cứu biến động sử dụng đất, người ta sử dụng nhiều phương pháp khác từ số liệu thống kê, từ điều tra nông nghiệp nông thôn Các phương pháp có ưu điểm độ xác cao nhược điểm chúng tốn thời gian kinh phí,đồng thời chúng khơng thể thay đổi mục đích sử dụng từ loại đất sang loại đất diễn khu vực Phương pháp thành lập đồ biến động sủ dụng đất từ tư liệu viễn thám đa thời gian khắc phục nhược điểm Trước tiên để thành lập đồ BĐSDĐ cần tìm hiểu số khái niệm bản: Thứ nhất, đất nông nghiệp loại đất nào? Đất nông nghiệp đất dùng vào sản xuất nông nghiệp, đất lâm nghiệp, đất làm muối đất nông nghiệp khác Đất sản xuất nông nghiệp (kể đất dùng cho nghiên cứu khoa học nông nghiệp) bao gồm đất trồng loại hàng năm, đất trồng lâu năm, đất trồng cỏ cho chăn nuôi, đất vườn liền nhà, diện tích mặt nước ni trồng thủy sản Trong đất nơng nghiệp, đất trồng hàng năm chiếm tỷ trọng lớn Đặc điểm loại đất tương đối phẳng, có nguồn nước ổn định thích hợp với trồng nông nghiệp hàng năm bao gồm lúa, màu, công nghiệp ngắn ngày, rau, đậu… Ở đồng lúa hàng năm phổ biến miền núi, lúa nương, ngô, sắn hàng năm quan trọng Đó trồng mà thời gian gieo trồng thời gian thu hoạch kết thúc năm Đất trồng lâu năm đất nông nghiệp trồng lần cho sản phẩm nhiều năm Loại đất gồm đất trồng công nghiệp lâu năm chè, cà phê, cao su, dừa, tiêu, điều; đất trồng ăn xoài, nhãn, vải, cam, nho… đất trồng hàng năm khác cau, trầu, dâu tằm Đất lâm nghiệp bao gồm diện tích rừng tự nhiên, rừng trồng, đất trại thực nghiệm lâm sinh diện tích gieo ươm giống lâm nghiệp 102 Thứ hai, đồ biến động đất nơng nghiệp có vai trị gì? Bản đồ biến động đất nơng nghiệp đồ chun đề nơng nghiệp phản ánh tình hình biến động sử dụng đất nơng nghiệp theo nội dung tỷ lệ khác Trong nông nghiệp để quản lý, thiết kế, quy hoạch cấp xã sử dụng đồ tỷ lệ lớn chi tiết 1:2.000, 1:5.000, 1:10.000 Để quản lý cấp tiểu vùng, cấp huyện sử dụng đồ tỉ lệ lớn trung bình 1:10.000, 1:25.000; 1:50.000 Đối với cấp vùng lớn sử dụng đồ tỷ lệ trung bình, quy mơ tồn quốc sử dụng đồ tỷ lệ nhỏ Bản đồ biến động đất nơng nghiệp ngồi yếu tố nội dung đồ chuyên đề địa hình, địa vật, giao thơng, thủy văn… phải thể biến động sử dụng đất nơng nghiệp theo thời gian Các thơng tin tình hình sử dụng đất, biến động sử dụng đất nơng nghiệp kết hợp với thơng tin có liên quan yếu tố quan trọng để tính tốn hàng loạt tiêu,phân tích phục vụ cơng tác quy hoạch, kế hoạch quản lý đất đai để đảm bảo sử dụng đất bền vững, hiệu quả, thân thiện môi trường quan trọng đảm bảo an ninh lương thực Các số liệu điều tra tình hình biến động sử dụng đất phân tích thống kê tổng hợp dạng bảng biểu chưa phân tích hay trình bày số liệu dạng không gian địa lý làm chúng dễ tiếp cận nhà nghiên cứu nhà hoạch định sách Tiềm hệ thống thông tin địa lý đại việc phân tích liệu khơng gian để thành lập đồ chưa ứng dụng rộng rãi Việc thể biến động số liệu theo không gian địa lý làm tăng giá trị số liệu lên nhiều đặc biệt nước ta, nước có lãnh thổ trải dài 3000km, hai vùng đồng châu thổ rộng lớn tương phản với vùng miền núi bao la Sự đa dạng đặc điểm kinh tế xã hội nông nghiệp đánh giá rõ dạng đồ Ưu điểm đồ biến động đất nông nghiệp thể rõ biến động theo không gian theo thời gian Diện tích biến động thể rõ ràng đồ đồng thời cho biết có biến động hay khơng biến động, hay biến động từ loại đất sang loại đất Nó kết hợp với nhiều nguồn liệu tham chiếu khác để phục vụ có hiệu cho nhiều mục 103 đích khác quản lý tài nguyên,môi trường,điều travềnôngnghiệpnông thôn Về bản, đồ biến động đất nông nghiệp thành lập sở hai đồ trạng sử dụng đất nông nghiệp hai thời điểm nghiên cứu độ xác đồ phụ thuộc vào độ xác đồ trạng sử dụng đất nông nghiệp hai thời điểm nghiên cứu 3.4.2 Các phương pháp nghiên biến động sử dụng đất Tiền đề để sử dụng liệu viễn thám nghiên cứu biến động thay đổi lớp phủ bề mặt đất phải đưa đến thay đổi giá trị xạ thay đổi xạ thay đổi lớp phủ phải lớn so với thay đổi xạ gây yếu tố khác Những yếu tố khác bao gồm khác biệt điều kiện khí quyển, khác biệt góc chiếu tia mặt trời, khác biệt độ ẩm đất Ảnh hưởng yếu tố giảm phần cách chọn liệu thích hợp Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động quan trọng Trước tiên, phải xác định phương pháp phân loại ảnh mà ta sử dụng Sau cần xác định rõ u cầu nghiên cứu có cần biết xác thông tin nguồn gốc biến động hay khơng Từ có lựa chọn phương pháp thích hợp Tuy nhiên tất nghiên cứu cho thấy rằng, kết biến động phải thể đồ biến động bảng tổng hợp Các phương pháp nghiên cứu biến động khác cho đồ biến động khác Có nhiều phương pháp nghiên cứu biến động thường sử dụng Dưới số phương pháp sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động thành lập đồ biến động 104 3.4.2.1 Nghiên cứu biến động phương pháp so sánh sau phân loại Bản đồ Phân loại trạng Ảnh Bản đồ biến động Bản đồ trạng Phân loại Ảnh Hình 3.32 Thành lập đồ biến động phương pháp so sánh sau phân loại Bản chất phương pháp từ kết phân loại ảnh hai thời điểm khác ta thành lập đồ trạng sử dụng đất hai thời điểm Sau chồng ghép hai đồ trạng để xây dựng đồ biến động Các đồ trạng thực dạng Quy trình thành lập đồ biến động đất nơng nghiệp theo phương pháp tóm tắt hình 5.2 Phương pháp so sánh sau phân loại sử dụng rộng rãi nhất, đơn giản, dễ hiểu dễ thực Sau ảnh vệ tinh nắn chỉnh hình học tiến hành phân loại độc lập để tạo thành hai đồ Hai đồ so sánh cách so sánh pixel tạo thành ma trận biến động Theo J Jensen, ưu điểm phương pháp cho biết thay đổi từ loại đất sang loại đất sử dụng đồ trạng sử dụng đất thành lập trước Nhược điểm phương pháp phải phân loại độc lập ảnh viễn thám nên độ xác phụ thuộc vào độ xác phép phân loại thường độ xác khơng cao sai sót q trình phân loại ảnh giữ nguyên đồ biến động 105 3.4.2.2 Nghiên cứu biến động phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian Phương pháp thực chất chồng xếp hai ảnh hai thời kỳ với để tạo thành ảnh biến động Sau dựa vào ảnh biến động ta tiến hành phân loại thành lập đồ biến động (hình 5.3) Kênh Ảnh thời điểm Kênh Ảnh thời điểm Kênh Ảnh biến động Kênh Phân loại Bản đồ biến động Hình 3.33 Nghiên cứu biến động phương pháp phân loại ảnh đa thời gian Ưu điểm phương pháp phải phân loại lần nhược điểm lớn phức tạp lấy mẫu phải lấy tất mẫu biến động không biến động Hơn nữa, ảnh hưởng thay đổi theo thời gian (các mùa năm) ảnh hưởng khí ảnh thời điểm khác khơng dễ loại trừ, ảnh hưởng đến độ xác phương pháp.Thêm vào đồ biến động sử dụng đất nông nghiệp thành lập theo phương pháp cho ta biết chỗ biến động chỗ không biến động không cho biết biến động 3.4.2.3 Nghiên cứu biến động phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ Khi khu vực nghiên cứu có biến động xảy thể khác biệt phổ hai thời điểm trước sau biến động Giả sử xác định giá trị phổ hai kênh x y hai thời điểm trước sau biến động biểu đồ hình 5.4 106 Kênh y Kênh x Hình 3.34 Véc tơ thay đổi phổ Điểm biểu thị giá trị phổ thời điểm trước xảy biến động, điểm biểu thị giá trị phổ thời điểm sau xảy biến động Khi véc tơ 12 véc tơ thay đổi phổ, biểu thị giá trị (khoảng cách từ đến 2) hướng thay đổi (góc  ) Giá trị véc tơ thay đổi phổ tính tồn cảnh theo cơng thức:  BV CMpixel = k 1 Trong đó:  n i , j ,k (1)  BV i , j ,k (2) - CMpixel giá trị véc tơ thay đổi phổ, - BVi,j,k(1), BVi,j,k(2) giá trị phổ pixel ij, kênh k ảnh trước sau xảy biến động Kênh y Kênh y Không thay đổi thay đổi nhỏ Thời điểm2 Thời điểm1 Ngưỡng Kênh y Thời điểm2 Thời điểm1 Kênh x a Thay đổi Thay đổi b Kênh x Thời điểm2 Thời điểm1 c Hình3.35 Thuật tốn phân tích vec tor thay đổi phổ 107 Kênh x Việc phân tích véc tơ thay đổi ghi lại thành hai tệp liệu: tệp chứa mã khu vực, tệp chứa độ lớn véc tơ thay đổi phổ Thông tin thay đổi tạo từ hai tệp liệu thể màu sắc pixel tương ứng với mã quy định Trên ảnh đa phổ thay đổi kết hợp hướng giá trị véc tơ thay đổi phổ Sự thay đổi có xảy hay khơng định véc tơ thay đổi phổ có vượt khỏi ngưỡng quy định hay không Giá trị ngưỡng xác định từ kết thực nghiệm dựa vào mẫu biến động khơng biến động Trên hình 5.36 thể thuật tốn phân tích thay đổi phổ.Trường hợp a, không xảy biến động biến động nhỏ véc tơ thay đổi phổ khơng vượt khỏi giá trị ngưỡng, trường hợp b, c có xảy biến động hướng véc tơ thay đổi phổ thể tính chất biến động trường hợp b khác trường hợp c, ví dụ trường hợp b xảy biến thực vật, trường hợp c khác biệt giai đoạn tăng trưởng trồng Sau lớp thông tin thể thay đổi hay không thay đổi đặt lên ảnh để thành lập đồ biến động Phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ ứng dụng hiệu nghiên cứu biến động rừng biến động hệ sinh thái rừng ngập mặn nhược điểm phương pháp khó xác định ngưỡng biến động 3.4.2.4 Nghiên cứu biến động phương pháp số học Đây phương pháp đơn giản để xác định mức độ biến động hai thời điểm cách sử dụng tỉ số ảnh kênh khác kênh thời điểm chụp ảnh Trước tiên ảnh nắn hệ tọa độ Sau dùng biến đổi số học để tạo ảnh thay đổi Phép trừ phép chia số học sử dụng trường hợp Nếu ảnh thay đổi kết phép trừ số học giá trị độ xám pixel ảnh thay đổi dãy số âm dương Các kết âm 108 dương biểu thị mức độ biến đổi vùng, giá trị thể không thay đổi Với giá trị độ xám từ đến 255 giá trị pixel thay đổi khoảng từ -255 đến +255 Thông thường để tránh kết mang giá trị âm người ta cộng thêm số khơng đổi Cơng thức tốn học để biểu diễn là: Dijk = BVijk (1) - BVijk (2) + c Trong đó: Dijk: giá trị độ xám pixel thay đổi BVijk (1): giá trị độ xám ảnh thời điểm BVijk (2): giá trị độ xám ảnh thời điểm c: số (c = 127) i: số dòng; j: số cột k: Kênh ảnh (ví dụ kênh ảnh Landsat TM) Ảnh thay đổi tạo cách tổ hợp giá trị độ xám theo luật phân bố chuẩn Gauss Vị trí có pixel khơng thay đổi, độ xám biểu diễn xung quanh giá trị trung bình, vị trí có pixel thay đổi biểu diễn phần biên đường phân bố Cũng tương tự vậy, ảnh thay đổi tạo từ phép chia số học giá trị pixel ảnh tỷ số chứng tỏ có thay đổi, khơng có thay đổi Giá trị giới hạn ảnh thay đổi (tạo phép trừ số học) ảnh tỷ số kênh định ngưỡng ranh giới thay đổi - không thay đổi, biểu thị biểu đồ độ xám ảnh thay đổi Thông thường độ lệch chuẩn lựa chọn kiểm tra theo kinh nghiệm, ngược lại, người ta thường sử dụng phương pháp thử nghiệm nhiều phương pháp kinh nghiệm Giá trị ngưỡng thay đổi xác định bắt gặp giá trị thay đổi thực tế 109 Vì để xác định ta cần phải hiểu rõ khu vực nghiên cứu, chí phải lựa chọn số vùng biến động ghi lại để hiển thị vùng nghiên cứu mà người lựa chọn biết rõ Tuy nhiên kỹ thuật kết hợp với kỹ thuật khác để nghiên cứu biến động thành lập đồ biến động 3.4.2.5 Nghiên cứu biến động phương pháp sử dụng mạng nhị phân Đây phương pháp xác định biến động hiệu Đầu tiên tiến hành lựa chọn để phân tích ảnh thứ thời điểm n Ảnh thứ sớm ảnh thứ (n-1) muộn (n+1) Các ảnh nắn chỉnh hệ tọa độ Tiến hành phân loại ảnh thứ theo phương pháp phân loại thông thường Tiếp theo chọn kênh (ví dụ kênh 3) từ hai ảnh để tạo tệp liệu Các tệp liệu phân tích phép biến đổi số học (như tỷ số kênh, phép cộng , trừ, nhân, chia để tạo khác ảnh phương pháp phân tích thành phần chính) để tính tốn số tạo ảnh Sau sử dụng kỹ thuật phân ngưỡng để xác định vùng thay đổi không thay đổi ảnh theo phương pháp số học trình bày Ảnh thay đổi ghi lại tệp "mạng nhị phân" có hai giá trị "thay đổi" "không thay đổi" Sau mạng nhị phân chồng phủ lên ảnh thứ hai để phân tích pixel thay đổi Khi có pixel xác định có thay đổi phân loại ảnh thứ hai Sau đó, phương pháp so sánh sau phân loại truyền thống ứng dụng để tìm thông tin biến động Sơ đồ phương pháp thể hình 5.6 Ưu điểm phương pháp giảm sai số xác định biến động bỏ sót nhầm lẫn cung cấp cụ thể thông tin biến động từ loại sang loại Phương pháp phân tích số lượng nhỏ vùng thay đổi hai thời điểm Ở hầu hết vùng nghiên cứu, giai đoạn từ 1-5 năm diện tích biến động thường khơng lớn q 10% diện tích tồn vùng nghiên cứu, phương pháp thích hợp để thành lập đồ 110 vùng có biến động nhỏ, bất lợi lớn phương pháp phức tạp, đòi hỏi số bước thực kết cuối phụ thuộc vào vào chất lượng mạng nhị phân sử dụng để phân tích Tuy nhiên để nghiên cứu biến động thành lập đồ biến động phương pháp hữu dụng pháp hữu dụng 3.4.2.6 Nghiên cứu biến động phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên đồ có Trong số trường hợp mà khu vực nghiên cứu có đồ trạng thành lập có đồ số hóa thay sử dụng ảnh viễn thám thời điểm sử dụng nguồn liệu sẵn có Tiến hành phân loại ảnh thời điểm thứ hai, sau tiến hành so sánh pixel tương tự phương pháp so sánh sau phân loại để tìm biến động thông tin biến động Ưu điểm phương pháp sử dụng nguồn liệu biết, giảm nguồn sai số bỏ sót hay tổng qt biết thơng tin chi tiết biến động Hơn cần phân loại độc lập ảnh thời điểm Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm liệu số hóa khơng đủ độ xác liệu đồ khơng tương thích với hệ thống phân loại 111 Kênh Kênh Ảnh Ảnh sau phân loại Kênh - Ảnh Kênh - Ảnh Phép biến đổi số học Phát pixel thay đổi tạo mạng nhị phân Kênh Kênh Ảnh Ảnh sau phân loại Ảnh sau phân loại Bản đồ biến động Hình 3.6 Nghiên cứu biến đông mạng nhị phân 3.4.2.7 Nghiên cứu biến động phương pháp cộng màu kênh ảnh Trong phương pháp ta chọn kênh ảnh định (ví dụ kênh 1) sau ghi ảnh thời điểm lên băng từ đặc biệt hệ thống xử lý ảnh số Khi màu sắc liệu ảnh chồng xếp cho thấy biến động hay không biến động theo ngun lý tổ hợp màu Ví dụ có hai ảnh Landsat TM năm 1992 năm 1998 Gán màu lục cho kênh ảnh năm 1992, gán màu đỏ cho kênh ảnh năm 1998, gán màu chàm cho kênh ảnh trống Khi tất vùng khơng có thay đổi hai thời điểm có màu vàng (theo nguyên lý cộng màu, tổ hợp màu chàm 112 màu đỏ tạo thành màu vàng) Như vào màu sắc ta định lượng thay đổi Ảnh Kênh n Ảnh Kênh n Ảnh Kênh n Ảnh màu đỏ Ảnh màu lục Ảnh màu chàm Ảnh biến động Bản đồ biến động Hình 3.37 Nghiên cứubiến động phương pháp cộng màu kênh ảnh Ưu điểm phương pháp xác định biến động hai chí ba thời điểm lần xử lý ảnh (hình 5.7) Tuy nhiên kỹ thuật xử lý ảnh theo phương pháp không cung cấp số liệu cụ thể diện tích biến động từ loại đất sang loại đất khác Tuy vậy,đây phương pháp tối ưu để nghiên cứu biến động phạm vi rộng lớn vùng lãnh thổ 3.4.2.8 Nghiên cứu biến động phương pháp kết hợp Thực chất việc thành lập đồ biến động phương pháp véc tơ hóa vùng biến động từ tư liệu ảnh có độ phân giải cao ảnh SPOT Pan ảnh hàng không Nếu liệu ảnh thời điểm có độ phân giải thấp ta tiến hành phân loại ảnh theo phương pháp phân loại khơng kiểm định Từ ảnh phân loại không kiểm định tạo đồ trạng thời điểm Tiếp theo chồng xếp đồ lên ảnh có độ phân giải cao để phát biến động Sau tiến hành véc tơ hóa vùng biến động Việc khoanh vẽ vùng xảy biến động ảnh thực dễ dàng nhờ phương pháp giải đoán mắt dựa 113 vào chuẩn đoán đọc chuẩn hình dạng, chuẩn cấu trúc, chuẩn kích thước … Chính vậy, phương pháp thơng dụng người xử lý sử dụng phương pháp giải đoán mắt ảnh hàng không hai thời điểm Quá trình xử lý thực dễ dàng thỏa mãn hai yếu tố: - Nếu hai ảnh hiển thị hình lúc, bên cạnh nhau, - Các tính chất hình học ảnh nhau, định hướng vẽ đối tượng ảnh ảnh đối tượng có kích thước, hình dạng Ứng dụng hiệu phương pháp nghiên cứu biến động sau thiên tai Sau bão nhiệt đới lịch sử Hugo với tốc độ gió 135 dặm/giờ xảy vào ngày 22 tháng năm 1989 bang Carolina (Mỹ), người ta dùng phương pháp để nghiên cứu biến động bão gây Ảnh hàng không chụp ngày tháng 10 năm 1989 nắn chỉnh hình học theo đồ năm 1988 Từ nhà phân tích xác định tịa nhà khơng bị phá hủy, tịa nhà bị phá hủy hoàn toàn, hay phá hủy phần, ngơi nhà bị xê dịch hay tịa nhà xây dựng lại biến động bồi tụ hay xói lở vùng bờ biển Ưu điểm phương pháp độ xác cao cung cấp đầy đủ thông tin biến động nhiên phương pháp thực ảnh độ phân giải cao 114 ... 3.3 ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI 88 3.3.1 Ứng dụng viễn thám GIS để chỉnh đồ địa hình 88 2.3.2 Quy trình cơng nghệ chỉnh đồ địa hình tư liệu viễn thám 89 3.3.3 Ưng dụng viễn. .. giảng Ứng dụng viễn thám quản lý đất đai biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu học tập sinh viên ngành Quản lý đất đai, tài liệu tham khảo với sinh viên ngành Lâm học, Quản lý tài ngun rừng mơi trường Trong. .. ĐẦU Viễn thám cơng nghệ thu nhận thơng tin nhanh chóng, hiệu quả, xác, ứng dụng viễn thám quản lý đất đai môn học nhằm cung cấp cho người học kiến thức nguyên lý viễn thám, phần mềm xử lý ảnh viễn