KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG SỐ 43 (12/2013) 143 SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ HAI CHỈ SỐ LAI VÀ NDVI TRONG VIỆC PHÂN LOẠI LỚP PHỦ THỰC VẬT CHO MỘT KHU VỰC NGHIÊN CỨU N[.]
SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ HAI CHỈ SỐ LAI VÀ NDVI TRONG VIỆC PHÂN LOẠI LỚP PHỦ THỰC VẬT CHO MỘT KHU VỰC NGHIÊN CỨU Nguyễn Cẩm Vân1 Tóm tắt: Một ứng dụng viễn thám nghiên cứu lớp phủ thực vật (LPTV) thông qua số thực vật Các loại thực vật khác phân biệt dựa thành tố hình dạng kích thước lá, lượng nước chứa lá… Chỉ số LAI NDVI, tính tốn ảnh vệ tinh, hai số thông số quan trọng để phân loại LPTV Bài báo so sánh đánh giá độ xác phân loại LPTV với LAI với NDVI tính tốn từ ảnh Landsat5 TM khu vực đất trồng lúa, ngô hoa màu huyện Thường Tín, Hà Nội, để tìm số phù hợp cho việc phân loại LPTV cho khu vực Kết cho thấy số LAI thay đổi từ mùa khơ sang mùa mưa, NDVI lại thay đổi rõ rệt Hơn nữa, khu vực nghiên cứu đồng bằng, nên số NDVI không bị ảnh hưởng nhiều địa hình bóng Vì vậy, để phân loại LPTV khu vực nghiên cứu, số NDVI phù hợp số LAI Từ khóa: Thường Tín, LAI, NDVI, EVI, Landsat5 TM, Lớp phủ thực vật Đặt vấn đề1 Với nhu cầu ngày cao thông tin chi tiết, thường xuyên vùng khó tiếp cận từ nhà quản lý nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên, viễn thám ứng dụng trở thành công cụ thiếu Một ứng dụng viễn thám nghiên cứu lớp phủ thực vật (LPTV) thông qua số thực vật Bằng cách sử dụng liệu viễn thám, LPTV phân biệt với loại lớp phủ khác nhờ hấp thụ lượng dải sóng đỏ (0.630.69 µm),xanh lục (0.52- 0.60 µm), phản xạ mạnh với dải cận hồng ngoại (near infrared 0.760.90 µm) Các loại thực vật khác phân biệt dựa thành tố hình dạng kích thước lá, lượng nước chứa lá… Chỉ số LAI NDVI, tính tốn từ thơng tin thành tố ảnh vệ tinh, hai số thông số quan trọng để phân biệt loại LPTV Hai số dùng để xác định độ che phủ thảm thực vật, thể thay đổi phân vùng đất bốc đất thoát nước thực vật, yếu tố quan trọng đánh giá biến đổi khí hậu Chỉ số LAI NDVI nghiên cứu Bộ môn Trắc địa, Trung tâm Địa Tin học nhiều nước Ở Việt Nam, nhóm tác giả Dương Văn Khảm, Bùi Đức Giang, Chu Minh Thu, Nguyễn Thị Huyền tính tốn số NDVI – công cụ để giám sát thay đổi trạng thái lớp phủ thực vật, sở biết tác động thời tiết, khí hậu đến sinh [1] Các tác giả Bùi Nguyễn Lâm Hà, Lê Văn Trung, Bùi Thị Nga, báo [2], đề cập đến việc sử dụng số LAI để ước tính sinh khối Các nghiên cứu cho thấy LAI NDVI dùng để phân loại LPTV Vì vậy, báo so sánh đánh giá độ xác phân loại LPTV với LAI với NDVI khu vực nghiên cứu cụ thể để tìm số phù hợp cho việc phân loại LPTV cho khu vực Tính tốn số LAI NDVI 2.1 Chỉ số LAI LAI thuật ngữ viết tắt từ Leaf Area Index – số diện tích lá, định nghĩa diện tích xanh đơn vị diện tích mặt đất LAI biến quan trọng việc ước lượng bốc nước theo dõi trình sinh trưởng phát triển trồng Chỉ số LAI xác định máy đo mặt đất Tuy nhiên, việc xác định tốn nhiều thời gian tiền Tính toán số LAI ảnh viễn thám giúp xác định cách nhanh chóng đỡ tốn nhân cơng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 43 (12/2013) 143 Một phương pháp phổ biến để tính số LAI mơ hình thực nghiệm Phương pháp dựa vào tương quan phép đo số LAI mặt đất số thực vật khác Phương pháp mơ hình thực nghiệm cho phép tối đa hóa độ nhạy số thực vật để tính LAI Trong báo này, số thực vật EVI (Enhanced Vegetation Index - số nâng cao khác biệt thực vật) dùng để tính tốn số LAI EVI số tối ưu hóa để hạn chế nhiễu gây aerosol khí quyển, giúp phân biệt thảm thực vật dễ Điểm khác biệt NDVI EVI cấu trúc phản xạ tán thực vật NDVI dựa chủ yếu phản xạ từ sắc tố diệp lục;trong đó, EVI liên quan chặt chẽ đến cấu trúc thảm thực vật, bao gồm số LAI, bề mặt Từ năm 2000 trở lại đây, EVI sử dụng đặc biệt rộng rãi lợi ích mang lại EVI loại bỏ tốt tín hiệu gây nhiễu từ khí so với số NDVI Ngoài ra, với tần số quan trắc dày, tổ hợp ảnh theo tháng, giúp tránh liệu hỏng mây, nhiễu từ khí Chỉ số EVI tính theo cơng thức: EVI = 2.5* (TM4- TM3)/(1+(TM4+6*TM37.5*TM1)) LAI= 3.618*EVI- 0.118 2.2 Chỉ số NDVI NDVI (Nomarlized Difference Vegetation Index – số khác biệt thực vật chuẩn hóa) dùng để xác định độ che phủ thực vật bề mặt trái đất diện rộng Chỉ số thường dùng để giám sát phát triển trồng để cảnh báo sớm tình trạng hạn hán Nó tính dựa khác biệt phản xạ ánh sáng cận hồng ngoại ánh sáng đỏ Dựa hấp thụ với dải sóng màu đỏ phản xạ mạnh với ánh sáng cận hồng ngoại, NDVI tính tốn công thức: NDVI= (NIR-R)/(NIR+R) Với NIR băng phổ cận hồng ngoại (Near Infrared) R băng phổ thuộc bước sóng màu đỏ (Red) 144 Khu vực tư liệu nghiên cứu 3.1 Khu vực nghiên cứu Hình Bản đồ khu vực nghiên cứu Thường Tín huyện nằm phía nam thủ Hà Nội, thuộc vùng đồng châu thổ sông Hồng Huyện gồm 28 xã thị trấn, với vị cửa ngõ phía Nam thủ Hà Nội, huyện có nhiều lợi cho việc vận chuyển giao lưu hàng hóa Huyện có địa hình đồng tương đối phẳng thấp, có độ dốc tự nhiên theo hướng Bắc tới Nam Bảng 1: Hiện trạng phân bố sử dụng đất năm 2008, 2009 (Đơn vị : ha) [x] Loại đất I Đất nông nghiệp Đất trồng trọt II Đất phi nông nghiệp II.1 Đất II.2 Đất chuyên dùng II.2.1 Đất sản xuất kinh doanh phi nông nghiệp III Đất chưa sử dụng Năm 2008 7992,88 7392,47 4437,45 1273,33 2163,63 433,45 Năm 2009 6783,1 6120,3 5053,92 1342,84 3711,08 753,55 298,97 892,28 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 43 (12/2013) Do trình thị hóa, phát triển khu, cụm, điểm cơng nghiệp, diện tích đất nơng nghiệp (NN) huyện giảm đáng kể, đất trồng hàng năm giảm trung bình 359,61 Tuy nhiên, nhìn chung huyện cịn huyện NN, diện tích đất dùng sản xuất NN chủ yếu Ngành NN chủ yếu ngành trồng trọt, trồng lúa chiếm 82,59% đất trồng trọt, ngành chăn nuôi chiếm tỷ lệ nhỏ Khả mở rộng quy mô sản xuất ngành NN huyện hạn chế diện tích đất NN ngày giảm diện tích đất NN bình quân đầu người thấp: theo số liệu năm 2005 298 km2/người, thấp so với bình quân chung tỉnh Hà Tây (cũ) 509m2 /người.Mấy năm gần có chuyển dịch cấu trồng diện tích đất trồng lúa giảm nhiều so với diện tích trồng hoa màu, ngắn ngày 3.2 Tư liệu nghiên cứu Trong nghiên cứu viễn thám, việc lựa chọn tư liệu ảnh phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu nguồn tư liệu ảnh sẵn có Để nghiên cứu LPTV cần lưu ý chọn kênh phổ cận hồng ngoại có ảnh SPOT, Landsat TM, ETM, Landsat MSS, ảnh NOAA Dữ liệu sử dụng đề tài ảnh Landsat5 TM chụp hai thời kỳ ngày 01/06/2009 05/11/2010 ứng với mùa mưa mùa khô Sơ đồ quy trình Sơ đồ quy trình trình bày hình Thu thập liệu: - Tư liệu ảnh vệ tinh - Tư liệu khác Xác định vấn đề Tư liệu ảnh vệ tinh Landsat TM 2009, 2010 Tư liệu đồ địa hình Nắn chỉnh hình học Cắt ảnh theo khu vực nghiên cứu Khảo sát thực địa Tính tốn số LAI NDVI 01/06/2009 05/11/2010 Hình Kết tính tốn số NDVI hai thời kỳ 5.2 Kết tính tốn số LAI hai thời kỳ So sánh Xuất In kết Hình Sơ đồ quy trình Kết Trong báo này, đối tượng phân loại hạn chế loại trồng: lúa, hoa màu, ngơ 5.1 Kết tính tốn số NDVI hai thời kỳ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 43 (12/2013) 01/06/2009 05/11/2010 Hình Kết tính tốn số LAI hai thời kỳ 145 Bảng 2: Kết tính toán số với loại khác Loại trồng Cây Lúa Hoa Màu Ngô LAI 01/06/ 2009 0.6-0.9 0.7-1.8 1.2-1.8 05/11/ 2010 0.2-0.3 0.9-2.0 1-2 NDVI 01/06/ 05/11/ 2009 2010 0.13- 0.30 0.07-0.18 0.37-0.42 0.37-0.42 0.15-0.30 0.31- 0.54 Nhận xét Ở bảng 2, số NDVI biến thiên hai thời kỳ, với thời kỳ tháng 06/2009 lúa thời điểm đầu vụ chiêm số NDVI lớn so với số NDVI tương ứng tháng 11/2010, lúc tất đất trồng lúa trở thành đất trống Chỉ số NDVI đất trồng ngô vào tháng 11/2010 lớn nhiều so với số NDVI đất trồng ngô tháng 06/2009 Chỉ số NDVI với loại hoa màu không thay đổi.Cũng hai thời kỳ trên, số LAI không thay đổi Điều giải thích sau: LAI phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vòm lá, cấu trúc vịm thay đổi thời kỳ 6.Kết luận Bài báo tiến hành so sánh đánh giá thay đổi hai số LAI NDVI vùng đất nông nghiệp trồng lúa, ngô hoa màu Tư liệu sử dụng ảnh viễn thám Landsat5 TM thời kỳ: tháng 6/2009 tháng 11/2010 Kết cho thấy số LAI thay đổi thời kỳ, NDVI lại thay đổi rõ rệt Hơn nữa, khu vực nghiên cứu đồng bằng, nên số NDVI không bị ảnh hưởng nhiều địa hình bóng Vì vậy, NDVI dùng để phân loại LPTV khu vực nghiên cứu Tóm lại, để phân loại LPTV khu vực nghiên cứu số LAI khơng cần thiết số NDVI nên sử dụng.Tuy nhiên, với khu vực khác, chẳng hạn rừng, nơi cấu trúc vòm thay đổi rõ rệt theo thời gian, số LAI thay đổi nhiều theo thời gian, dùng số LAI cho việc phân loại LPTV Tài liệu tham khảo Dương Văn Khảm, Bùi Đức Giang, Chu Minh Thu, Nguyễn Thị Huyền, “Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian để đánh giá biến động số thực vật lớp phủ số phân tích thời vụ trạng thái sinh trưởng lúa đồng sông Hồng sông Cửu Long”, Website: http://www.imh.ac.vn/b_tintuc_sukien/bc_hoinghi_hoithao/L555-thumuccuoi/mlfolder.2007-0413.0236405440/24%20DVKham2.pdf (truy nhập ngày 29/8/2013) Bùi Nguyễn Lâm Hà, Lê Văn Trung, Bùi Thị Nga , “Ước tính sinh khối bề mặt tán rừng sử dụng ảnh vệ tinh ALOS AVNIR-2”, Kỷ yếu Ứng dụng GIS toàn quốc, 2011 Website: http://gisnetwork.vn/wp-content/uploads/2012/04/GIS2011_BAI6.swf (truy nhập ngày 29/8/2013) Niên giám thống kê huyện Thường Tín, Uỷ ban Nhân dân huyện Thường Tín, Hà Nội, 2009 Abstract LAI AND NDVI COMPARISON AND EVALUATION IN LAND COVER CLASSIFICATION FOR A SPECIFIC REGION USING REMOTE SENSING DATA One of the most important applications of remote sensing is to classify vegetation based on the vegetation indices Vegetation is classified according to the components such as the shape and the size of leaf, the amount of water inside the leaf… LAI and NDVI, which are calculated from the satellite image, are two of the important indices for vegetation classification This paper will compare and evaluate the precision of the vegetation classification with LAI and NDVI deriving from Landsat5 TM satellite image on the region of Thuong Tin district, Hanoi, Vietnam, where rice, corn and other agricultural vegetation are planted The result shows that the value of LAI changes very little from the dry to rainy season, while the value of NDVI is clearly different Furthermore, because the interested region is a plain region, NDVI is not affected by topography and shape Consequently, in order to classify the vegetation in the interested region, NDVI should be used rather than LAI Keywords: Thuong Tin, LAI, NDVI, EVI, Landsat5 TM, Land cover Người phản biện: ThS Đặng Tuyết Minh 146 BBT nhận bài: 3/10/2013 Phản biện xong: 1/12/2013 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 43 (12/2013)