Mở đầu 1 Tính cấp thiết của đề tài Bề mặt không thấm là các bề mặt do con người tạo ra, bao gồm các loại bề mặt ngăn chặn quá trình nước không thể xâm nhập vào đất, chẳng hạn như đường giao thông, vỉa[.]
Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Bề mặt không thấm bề mặt người tạo ra, bao gồm loại bề mặt ngăn chặn q trình nước khơng thể xâm nhập vào đất, chẳng hạn đường giao thông, vỉa hè, bãi đậu xe, mái nhà, v.v Trong năm gần đây, bề mặt không thấm lên không số mức độ thị hóa, mà cịn số chất lượng mơi trường Sự gia tăng bề mặt không thấm dẫn đến gia tăng quy mô, thời gian cường độ dịng chảy thị Gia tăng biện tích bề mặt khơng thấm tác động gây ô nhiễm nguồn nước, bao gồm tác nhân gây bệnh, chất độc hại gây ô nhiễm nước mặt nước ngầm Ngoài ra, gia tăng làm giảm diện tích thảm thực vật khu đô thị Sự xuất với mức độ dày đặc khơng gian bề mặt khơng thấm ảnh hưởng đáng kể đến khí hậu thị cách thay đổi luồng nhiệt hợp lý tiềm ẩn nguy gây gia tăng nhiệt độ đô thị dẫn đến tượng đảo nhiệt đô thị Do đó, thơng tin đồ phân bố khơng gian khu vực bề mặt không thấm thực cần thiết cho lập thiết kế, quy hoạch, quản lý bảo vệ tài nguyên môi trường đô thị Kỹ thuật viễn thám vệ tinh trở thành phương pháp ưu việt quan trắc lập đồ phân bố ước tính diện tích bề mặt khơng thấm tính đa thời gian, đa phổ, đa nguồn liệu diện tích nghiên cứu khu vực rộng Các nghiên cứu giới nước nêu phần tổng quan phần minh chứng thành công việc sử dụng phương pháp viễn thám kĩ thuật số công cụ hữu hiệu cho việc chiết xuất thông tin đặc điểm, phân bố thay đổi bề mặt khơng thấm khu thị Bởi vì, thông tin bề mặt không thấm xác định rõ ràng ảnh vệ tinh Đặc biệt nữa, ảnh vệ tinh cho phép xác định thay đổi bề mặt không thấm khoảng thời gian từ khứ cách hệ thống có tính đồng cao Điều góp phần định lượng, phân tích biến đổi để đưa xu thế, dự báo tốc độ thay đổi yếu tố từ đưa tranh phát triển khu đô thị lớn Mặc dù số nhà nghiên cứu nước đề cập đến vấn đề này, nhiên chưa có nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật phân loại viễn thám trang1 ảnh vệ tinh tiến hành để chiết xuất thông tin định lượng đối tượng bề mặt không thấm khu vực nông thôn So với bề mặt không thấm đô thị, lớp phủ bề mặt không thấm khu vực nơng thơn có đặc điểm đặc thù riêng Đầu tiên, bề mặt không thấm khu vực nông thôn thưa thớt, phân bố nhỏ lẻ không tập trung thành khối lớn đô thị Thứ hai, tính chất quang học bề mặt khơng thấm khu vực nông thôn thay đổi vị trí khơng gian khác Do đó, hiển thị ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình, điểm ảnh thực tế bề mặt không thấm khu nông thôn bao gồm nhiều vật liệu không đồng chất liệu như: sở nông nghiệp, đường xá giao thông, nhà cửa bao gồm mái tơn mài ngói bị lẫn khu vực vườn tạp người dân Vì khó khăn để tiến hành khai thác thơng tin bề mặt không thấm khu vực nông thôn so với thành phố, số lượng lớn điểm ảnh hỗn hợp thường dẫn đến giảm độ xác kết phân loại tính chất khơng đồng đối tượng bề mặt không thấm nông thơn Trong nghiên cứu này, chúng tơi tìm hiểu lựa chọn phương pháp phân loại theo hướng đối tượng sử dụng thuật toán K Nearest Neighbors (K-NN) nhằm chiết tách bề mặt không thấm từ ảnh vệ tinh Landsat OLI khu vực huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định 2.Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu 2.1.Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu ứng dụng thuật toán K Nearest Neighbors nhằm phân loại bề mặt không thấm khu vực nông thôn từ ảnh vệ tinh Landsat OLI 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt mục tiêu nghiên cứu, trình nghiên cứu thực nhiệm vụ sau: Nội dung 1: Tổng quan tài liệu; Nội dung 2: Thu thập đánh giá liệu; Nội dung 3: Xây dựng quy trình chiết tách thông tin bề mặt không thấm từ ảnh vệ tinh; trang2 Nội dung 4: Xử lý phân loại ảnh vệ tinh Landsat OLI theo quy trình xây dựng, phân tích đánh giá kết phân loại Nội dung 5: Viết báo cáo tổng kết 3.Các phương pháp phần mềm nghiên cứu 3.1 Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích tổng hợp: Phục vụ cho phần tổng quan báo cáo; Phương pháp xử lý ảnh viễn thám Phương pháp thực nghiệm thực địa: Thu thập xác định mẫu đối tượng thực địa nhằm kiểm chứng độ xác phân loại ảnh vệ tinh 3.2 Các phần mềm sử dụng Envi 4.8: Xử lý ảnh vệ tinh; eCognition Developer: Phân loại ảnh vệ tinh; Mapinfo 10.0: Tạo liệu thuộc tính không gian xã cho liệu dân số; Arc Map 10.0: Phân loại ảnh vệ tinh Phân tích biến động khơng gian; 4.Cấu trúc báo cáo Báo cáo bao gồm chương với phẩn mở đầu kết luận, tài liệu tham khảo trình bày 50 trang đánh máy, tiêu đề chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan đối tượng bề mặt không thấm Chương 2: Nghiên cứu tổng quan thuật toán K-NN phương pháp phân loại ảnh vệ tinh Chương 3: Ứng dụng thuật toán K-NN nhằm chiết xuất đối tượng bề mặt không thấm ảnh Landsat OLI khu vực Giao Thủy, Nam Định trang3 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐỐI TƯỢNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM Những vấn đề chung bề mặt không thấm 1.1 Khái niệm đặc điểm đối tượng bề mặt không thấm Tính khơng thấm nước (gọi tắt tính khơng thấm) đơn vị vật lý đặc trưng đóng kín bề mặt từ vật liệu xây dựng ngăn cản thẩm thấu nước vào lòng đất (Barnes, Morgan Roberge et al., 2001) Đây yếu tố thị hữu ích dùng để tính tác động phát triển đất đai lên cảnh quan, tính chất thường thể dạng bề mặt không thấm Trong năm gần đây, bề mặt không thấm biết đến số để nhận dạng q trình thị hóa cường độ phát triển thị phát triển đô thị bền vững quy hoạch nguồn tài nguyên thiên nhiên Dưới số khái niệm định nghĩa bề mặt không thấm Theo Dougherty et al.,2004 : “Bề mặt không thấm nước bao gồm mái tòa nhà, đường phố đường cao tốc, vỉa hè, bãi đỗ xe mà nước xâm nhập, trực tiếp ảnh hưởng đến lượng dòng chảy làm cho suối, hồ, ao điểm bắt đầu ô nhiễm thẩm mỹ cảnh quan.” “Bề mặt không thấm bề mặt mà nước xâm nhập vào đất, chẳng hạn đường giao thông, đường lái xe vào, vỉa hè, bãi đậu xe, mái nhà Trong năm gần đây, bề mặt không thấm nước lên không số mức độ thị hóa , mà cịn số chất lượng mơi trường” theo Arnold Gibbons, 1996 “Là bề mặt không cho nước xâm nhập vào đất, bề mặt không thấm chủ yếu loại hình phục vụ cho giao thông (đường phố, đường cao tốc, bãi đỗ xe, vỉa hè) Và mái tòa nhà đại diện cho phát triển cảnh quan.” theo civco et 2002 trang4 Như từ định nghĩa ta thấy bề mặt không thấm bề mặt cứng ngăn cản làm hạn chế xâm nhập nước vào đất khiến cho nước chảy tràn bề mặt với lượng lớn với tỷ lệ dịng chảy cao Các mặt khơng thấm mặt xây dựng mái nhà, lối bộ, đường giao thông, bãi đỗ, kho chứa phủ vật liệu không thấm nhựa đường, bê tông đá Q trình thị hóa thành phố thường liên quan đến mặt không thấm, chúng liên quan đến q trình bê tơng hóa bề mặt Các mặt không thấm đại diện cho trình phát triển cảnh quan Nó bao gồm thành phần là: bề mặt xây dựng hạ tầng mái nhà, nơi sống, cơng trình cơng cộng, cửa hàng, văn phịng làm việc hệ thống giao thông (đường bộ, vỉa hè, bãi đỗ xe) Hiện diện tích bề mặt khơng thấm từ thành phần giao thông cao hẳn so với diện tích bề mặt khơng thấm từ mái nhà Ví dụ: bề mặt khơng thấm liên quan đến giao thơng bao gồm 63-70% tổng diện tích khơng thấm khảo sát 11 khu dân cư, thương mại sinh sống nhiều hộ gia đình (City of Olympia,1994) Thực trạng thấy rõ khu vực ngoại thành thể sức mạnh nhu cầu lại người dân Trong hai thập kỷ qua thành phần vận tải ngày mở rộng Xét góc độ sử dụng đất, chúng liên quan với kiểu thực phủ đô thị biến động thực phủ Do đó, mặt khơng thấm tham số thích hợp cho việc xem xét trình thị hóa khu vực Nhiều nghiên cứu chứng minh ngưỡng giới hạn ổn định đô thị thuộc lưu vực sông chất lượng môi trường sống khoảng 10% – 15% đặc tính khơng thấm tồn lưu vực đề nghị sơ đồ phân loại ngưỡng cấp cho tiềm chất lượng đô thị thuộc lưu vực dựa mức độ đặc tính khơng thấm sau (Arnold, Gibbons, 1996 Schueler, 1994): - Căng thẳng: diện tích mặt khơng thấm chiếm – 10% tổng diện tích tồn lưu vực - Tác động: diện tích mặt khơng thấm chiếm 11 – 25% tổng diện tích tồn lưu vực - Suy thối: diện tích mặt khơng thấm chiếm > 26% tổng diện tích tồn lưu vực trang5 1.2 Nguyên nhân tác động gia tăng bề mặt không thấm tới môi trường - Các nguyên nhân gây gia tăng bề mặt không thấm Mặt không thấm mặt nhân tạo, xem yếu tố thị môi trường có liên quan đến việc xây dựng lên chúng Q trình thị hóa mở rộng khơng gian thị Hà Nội nói riêng nước nói chung dẫn đến gia tăng bề mặt không thấm Dưới số nguyên nhân tiêu biểu dẫn đến gia tăng bề mặt không thấm Cơng nghiệp hóahiện đại hóa Gia tăng dân số Gia tăng bề mặt khơng thấm Gia tăng cơng trình cơng cộng Phát triển giao thơng Đơ thị hóa, nơng thơn Hình1.1: Ngun nhân làm gia tăng bề mặt không thấm Sự gia tăng dân số dẫn đến nhu cầu nhà người dân tăng cao Để đáp ứng nhu cầu địi hỏi việc phải xây dựng nhà ở, mở rộng khu dân cư, khu đô thị Việc xây dựng khu dân cư, nhà cho người dân làm gia tăng bề mặt không thấm bê tông, nhựa, sỏi, đá… - Ảnh hưởng trình biến động bề mặt không thấm đến môi trường đô thị Liên quan đến môi trường đô thị, tác động mặt không thấm đa dạng liên kết với Rất quan trọng cần thiết xem xét tác động dự trang6 án tăng trưởng dân số kiểm sốt phát triển bành trướng thị, bảo vệ đất đai nông nghiệp dự án môi trường tương tự khác Sự gia tăng lên diện tích bề mặt khơng thấm gây nên nhiều ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh mơi trường cảnh quan, khí hậu thị nguồn tài ngun nước ảnh hưởng trực tiếp đến sống Chúng thể điểm sau: Thay đổi chất lượng nước mặt Sự thay đổi định lượng nước mặt Gia tăng bề mặt không thấm Suy thối, mát, chia cắt mơi trường sống Thay đổi để cân đối lượng địa phương vi khí hậu (Tăng nhiệt độ thị) Thay đổi sơng suối cảnh quan thẩm mỹ Hình1.2: Ảnh hưởng bề mặt không thấm đến môi trường đô thị Các bề mặt không thấm trực tiếp ảnh hưởng đến dòng chảy nước mưa chất lượng nước Hơn nữa, phản ứng nhiệt độ đặc tính phản quang bề mặt không thấm liên kết với "đảo nhiệt thị" có hiệu lực, mà ảnh hưởng đến sống sức khỏe người thay đổi dòng nhiệt hợp lý nồng độ nhiễm khơng khí Gia tăng bề mặt khơng thấm dẫn đến thay đổi kịch tính thẩm mỹ cảnh quan môi trường sống Cho thấy thay đổi từ phong cảnh sống tự nhiên, nông thơn thành khu vực thị Đây thước đo cho mở rộng, phát triển đô thị Sự thay đổi chu kỳ thủy văn địa phương khu vực (các thay đổi định lượng nước): Sự phát triển khu dân cư, thương mại, công nghiệp, sử dụng đất phục vụ giao thông vận tải, chu kỳ thủy văn địa phương thay đổi đáng kể Sự thay đổi thời gian, chu kỳ, chiều cao dòng chảy kết gia tăng trang7 bề mặt không thấm Ngoài ra, thay thảm thực vật bề mặt không thấm làm giảm đáng kể mức bốc nước trung bình hàng năm lưu vực sơng -Tác động đến chất lượng nước: Các bề mặt không thấm ngăn thâm nhập nước vào đất dẫn đến việc tích tụ lại nước khu vực trũng Đồng thời bao hàm lượng lớn chất thải, hóa chất, chất gây ô nhiễm môi trường(chất gây ô nhiễm thông thường: chất dinh dưỡng, vi khuẩn, chất hữu Hay kim loại nặng chất độc hại khác xăng dầu theo Clark, 1985; Whipple, 1977) Khi mưa lớn chất theo dòng chảy bề mặt khơng thấm chảy sơng ngịi, kênh rạch, ao hồ dẫn đến việc ô nhiễm suy giảm sinh học, hóa học, đặc tính vật lý hồ, suối, cửa sông tiếp nhận nước thải đô thị -Thay đổi cân lượng vi khí hậu: Do phát triển thay đổi đất từ rừng, đồng cỏ, đất canh tác sang thành bề mặt không thấm nước, cân lượng mặt trời bị hấp thụ bề mặt lượng mặt đất phản xạ thay đổi Bức xạ mặt trời truyền đến bề mặt trái đất phản xạ, hấp thụ chuyển hóa thành nhiệt hợp lý sử dụng trình bốc Điều quan trọng cần lưu ý khơng khí làm nóng chủ yếu lượng tỏa khỏi bề mặt trái đất cách làm nóng lượng mặt trời trực tiếp Do vật liệu ảnh hưởng đến lượng phản xạ hấp thụ, ảnh hưởng đến dòng chảy nhiệt từ bề mặt vào khí -Làm thối hóa, mát phân mảnh môi trường sống: Phát triển, đặc biệt khơng gian phân tán hình thức gia đình lớn nhiều nhà ở, kết không với số lượng lớn bề mặt khơng thấm tồn khu vực, hủy diệt phân mảnh môi trường sống cạn tác động phân mảnh môi trường sống biểu chậm thường tích lũy dần Các môi trường sống cạn thường bao quanh tiếp giáp với đường giao thông, khu dân cư, khu thương mại, đất canh tác -Phá hủy thẩm mỹ học sông suối cảnh quan: trang8 Xu hướng phát triển phía bề mặt khơng thấm nước làm thay đổi hình ảnh sơng suối cảnh quan Đối với số cá nhân, mở rộng đô thị, với bề mặt không thấm nước, tốt khu vực nông nghiệp nông thôn để phát triển Tiêu biểu bờ suối đô thị thường bóc tách thực vật cách nghiêm trọng bị xói mịn thường xun Tóm lại việc chuyển đổi từ đất thấm sang bề mặt không thấm mối đe dọa nghiêm trọng đến tính tồn vẹn hai môi trường tự nhiên xây dựng ảnh hưởng đến thoải mái chất lượng tổng thể sống cho cư dân Sự gia tăng bề mặt không thấm gia tăng đáng kể khối lượng nước mưa Dòng chảy tăng tạo mối nguy hiểm lũ lụt ô nhiễm nước mặt với chất nhiễm tích tụ đường phố, đường cao tốc, bãi đậu xe, chí sân cỏ khu vực thị hoá, làm giảm chất lượng vật lý dịng suối Do đóng góp bề mặt không thấm nước để hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, Thủy sản môi trường sống cạn bị phân hủy thay khu thương mại, công nghiệp, dân cư sử dụng đất tiêu thụ nhiều nhiều không gian Cuối cùng, phá hủy thay đổi dòng kênh chuyển đổi rừng đất canh tác thành đất dân cư, trung tâm thương mại bãi đỗ xe làm xuống cấp chất lượng thẩm mỹ nhiều dòng chảy cảnh quan 1.3 phương pháp xác định bề mặt không thấm Để xác định bề mặt không thấm khơng gian thị ta tiến hành đo đạc trực tiếp công tác truyền thống ngồi thực địa sử dụng công nghệ đại sử dụng tư liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh viễn thám để đánh giá diện tích bề mặt khơng thấm 1.3.1 Phương pháp đo đạc truyền thống Phương pháp đo đạc truyền thống cơng việc đo đạc trực tiếp đối tượng sau thống kê tổng hợp để thành lập đồ trạng bề mặt không thấm đồ biến động Ưu điểm phương pháp này: - Tiếp cận trực tiếp với đối tượng cần nghiên cứu - Phân loại cách chi tiết đối tượng trang9 - Kết thu có độ xác cao Nhược điểm: - Mất nhiều thời gian tốn mặt kinh tế - Phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết địa hình khu đo phương pháp phụ thuộc vào điều kiện ngoại nghiệp - Không thu liệu cách liên tục theo thời điểm cần quan trắc biến động - Phương pháp gặp nhiều hạn chế nghiên cứu biến động yếu tố môi trường 1.3.2 Phương pháp đo đạc ảnh hàng không Đây phương pháp đo đạc gián tiếp đối tượng bề mặt khơng thấm qua hình ảnh thu từ thiết bị chụp ảnh hàng không, giúp ta xác định vị trí, hình dáng, kích thước, quan hệ tương hỗ đối tượng đo từ xây dựng đồ trạng biến động bề mặt không thấm Ưu điểm phương pháp này: - Có khả đo đạc tất đối tượng đo mà không thiết phải tiếp xúc đến gần chúng, miễn đối tượng chụp ảnh (bằng phim tồn sắc, phim màu phim quang phổ) - Nhanh chóng thu tư liệu đo đạc thời gian chụp ảnh, giảm nhẹ cơng tác ngồi trời, tránh ảnh hưởng thời tiết công tác đo đạc - Có thể đo thời điểm nhiều điểm đo khác đối tượng đo Nhược điểm: - Nhược điểm chủ yếu phương pháp đo ảnh trang bị kỹ thuật cồng kềnh đắt tiền, đòi hỏi điều kiện định sử dụng bảo quản, đặc biệt khí hậu nhiệt đới nước ta - Yêu cầu trình độ trình độ cán chun mơn phải cao trang10