Nghiên cứu công nghệ viễn thám trong việc giám sát môi trường sinh thái tại các khu vực khai thác mỏ lộ thiên

Mục lục BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM VIỄN THÁM QUỐC GIA 108 Đường Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội BTNMT TTVTQG -*** - báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuËt ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG VIỆC GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG SINH THÁI TẠI CÁC KHU VỰC KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS VŨ ĐÌNH THẢO BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI, THÁNG 12 - 2010 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM VIỄN THÁM 108 Đường Chùa Láng - Quận Đống Đa - Hà Nội -*** - b¸o c¸o tỉng kÕt khoa häc vµ kü tht ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG VIỆC GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG SINH THÁI TẠI CÁC KHU VỰC KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN Số đăng ký: Hà Nội, ngày tháng năm 2010 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Hà Nội, ngày tháng GIÁM ĐỐC TRUNG TÂM VIỄN THÁM QUỐC GIA TS Nguyễn Xuân Lâm năm 2010 HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG năm 2010 CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI KS Vũ Đình Thảo Hà Nội, ngày tháng Hà Nội, ngày tháng năm 2010 CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI TL BỘ TRƯỞNG BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VỤ TRƯỞNG VỤ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TS Nguyễn Đắc Đồng HÀ NỘI, 12 - 2010 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN TT Người/nhóm tham gia KS Vũ Đình Thảo (Chủ nhiệm đề tài) Trung tâm Viễn thám Chủ trì trực tiếp thực quốc gia tất hạng mục TS Đặng Văn Lợi Tổng cục Môi trường Phối hợp thực Phần I Chương Mục Phần II Chương ThS Lê Hồng Sơn ThS Nguyễn Văn Hùng Trung tâm Viễn thám Phối hợp thực Phần II quốc gia Chương 1; đo khống chế ảnh ThS Tăng Quốc Cương KS Bùi Anh Thơ Trung tâm Viễn thám Phối hợp thực Phần V quốc gia Chương KS Phạm Vĩnh Hà, CN Trần Thị Vang Trung tâm Viễn thám Phối hợp thực Mục quốc gia Phần III Chương 2; Phần IV Chương KS Nguyễn Minh Cầm Trung tâm Viễn thám Thành lập bình đồ ảnh vệ tinh; quốc gia xây dựng mẫu giải đốn ảnh ThS Vũ Bích Ngọc Trung tâm Viễn thám quốc gia Phối hợp thực Phần III Tổng Công ty Chương TN&MT ThS Vũ Minh Hương Đơn vị công tác Tổng cục Biển Hải đảo VN Nội dung thực Phối hợp thực Phần I Chương KTV Trần Mai Nhung Trung tâm Viễn thám Phối hợp thực Phần II quốc gia Chương 10 CN Đỗ Thanh Hoa Trung tâm Viễn thám Phối hợp thực Phần VI quốc gia Chương BÀI TĨM TẮT Cơng nghệ viễn thám thức có Việt Nam vào đầu năm 80 Thế kỷ trước bước đầu có ứng dụng thành công số lĩnh vực, công tác kiểm kê đất đai, theo dõi biến động rừng, thăm dị tìm kiếm khống sản, nghiên cứu số tượng tai biến thiên nhiên, thành lập chỉnh hệ thống đồ địa hình Riêng lĩnh vực quản lý mơi trường việc ứng dụng cơng nghệ viễn thám cịn có hạn chế định Trong đó, việc khai thác tài nguyên bảo vệ môi trường ngày trở thành vấn đề xúc Việt Nam, trình phát triển kinh tế- xã hội diễn nhanh sôi động làm cho nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày cạn kiệt, môi trường sinh thái ngày bị suy thối nhiễm Vì vậy, đặt vấn đề cần phải tăng cường công tác giám sát chúng, nhằm chủ động việc phát để đưa biện pháp ngăn chặn hạn chế tác động tiêu cực, đảm bảo cho phát đất nước cách bền vững Trong số đối tượng cần giám sát, mơi trường sinh thái khu vực khai thác khoáng sản nhu cầu cấp thiết Trên giới có nhiều nước sử dụng phương pháp viễn thám để giám sát môi trường sinh thái khu vực khai thác khống sản Cịn Việt Nam, phương pháp chưa sử dụng mà sử dụng phương pháp giám sát hệ thống quan trắc mặt đất Vì vậy, mục tiêu đặt cho đề tài nghiên cứu khả ứng dụng phương pháp viễn thám để bổ sung cho phương pháp giám sát truyền thống đề xuất quy trình giám sát có tính khả thi Việt Nam Phương pháp nghiên cứu dựa vào đặc tính ưu việt thơng tin ảnh vệ tinh viễn thám giải pháp kỹ thuật xử lý, phân tích, giải đốn ảnh để phát giám sát đối tượng môi trường sinh thái bị tác động việc khai thác khoáng sản gây ra, biến động chúng, thông qua nghiên cứu thử nghiệm việc giám sát số đối tượng có tính nhạy cảm cao với hoạt động khai thác khoáng sản, bề mặt địa hình- cảnh quan, thảm thực vật, mạng lưới thủy văn, tài nguyên đất Đồng thời, với việc sử dụng kết hợp ảnh vệ tinh viễn thám với mơ hình số độ cao để ước tính diện tích, khối lượng bãi thải, bãi chứa quặng khu vực khai thác khống sản, phục vụ cho cơng tác hồn thổ hồn ngun mơi trường Đề tài thực theo hướng nghiên cứu ứng dụng phương pháp giám sát Việt Nam, đảm bảo khả giám sát phạm vi lãnh thổ rộng thời điểm, khách quan có khả cập nhật, xử lý thông tin nhanh Kết nghiên cứu đề tài hy vọng đóng góp, bổ sung mặt phương pháp luận cho cơng tác giám sát trạng giám sát tác động mơi trường sinh thái Việt Nam nói chung khu vực khai thác khống sản nói riêng./ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Theo tiếng Việt Dịch tiếng Anh GSMT Giám sát môi trường ĐTM Đánh giá tác động môi trường Environmental Impact Assessment (EIA) VT Monitoring of Environment Viễn thám Remote Sensing (RS) Tài nguyên môi trường Resources and Environment NCMT Nhạy cảm môi trường Environmental Sensivity CSDL Cơ sở liệu Database Hệ thống thông tin địa lý Geographycal Information System (GIS ) TN&MT HTTTĐL Chữ viết tắt SPOT Chữ viết tắt ESA Theo tiếng Pháp Syste'me Pour l'Observation de la Terre Theo tiếng Anh Dịch tiếng Việt Hệ thống vệ tinh quan trắc Pháp Dịch tiếng Việt European Space Agency Cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu LandSatellite Vệ tinh tài nguyên Mỹ ENVISAT Environmental Satellite Vệ tinh quan trắc môi trường châu Âu DEM Digital Elevation Model Mơ hình số độ cao NDVI Normalized Differencial Vegetation Index Chỉ số thực vật Leaf Area Index Chỉ số tán Landsat LAI MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TÌNH HÌNH KHAI THÁC KHỐNG SẢN Ở VIỆT NAM VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG SINH THÁI I TÌNH HÌNH KHAI THÁC KHỐNG SẢN Khái quát chung Những đặc điểm hoạt động khai thác khoáng sản 10 Hoạt động khai thác số loại khống sản 11 3.1 Khai thác than 11 3.2 Khai thác vật liệu xây dựng 11 3.3 Khai thác khống sản hóa chất, phân bón 12 3.4 Khai thác khoáng sản kim loại 12 II NHỮNG TÁC ĐỘNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG SINH THÁI CỦA VIỆC KHAI THÁC KHOÁNG SẢN Ở DẠNG MỎ LỘ THIÊN 14 Tổng quan 14 Một số tác động hoạt động khai thác khống sản dạng mỏ lộ thiên đến mơi trường sinh thái 16 2.1 Tác động đến cảnh quan sinh thái 16 2.2 Tác động đến môi trường đất 19 2.3 Tác động đến môi trường nước 21 2.4 Tác động đến môi trường không khí 23 Công tác đánh giá tác động đến môi trường dự án khai thác khoáng sản 25 Cơng tác hồn thổ hồn ngun mơi trường 27 CHƯƠNG NHỮNG NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM 29 I KHÁI QUÁT CHUNG 29 II ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN ẢNH VIỄN THÁM 29 III BẢN CHẤT CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM 30 Bức xạ ảnh 30 Q trình truyền xạ ảnh khí 31 Đặc trưng phổ ảnh vệ tinh viễn thám quang học .33 IV MỘT SỐ LOẠI ẢNH VỆ TINH VIỄN THÁM ĐƯỢC SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM 37 Ảnh vệ tinh Landsat 37 Ảnh vệ tinh SPOT 37 Ảnh vệ tinh IKONOS 38 Ảnh vệ tinh QUICK BIRD 38 V CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT DÙNG TRONG XỬ LÝ DỮ LIỆU VIỄN THÁM 39 Giải pháp nâng cao chất lượng ảnh 39 1.1 Hiệu chỉnh sai số đầu thu 39 1.2 Hiệu chỉnh ảnh hưởng góc chiếu Mặt trời địa hình .39 1.3 Hiệu chỉnh ảnh hưởng nhiễu khí 40 1.4 Phương pháp xử lý ảnh số nhằm tăng cường chất lượng ảnh 40 Xác định số thực vật nghiên cứu viễn thám 42 2.1 Chỉ số thực vật chưa hiệu chỉnh 42 2.2 Chỉ số thực vật hiệu chỉnh 43 Phân loại ảnh số 44 3.1 Phân loại có giám định 44 3.2 Phân loại không giám định 45 CHƯƠNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG SINH THÁI TẠI CÁC KHU VỰC KHAI THÁC KHOÁNG SẢN 46 I NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 46 Một số khái niệm 46 Đối tượng giám sát 47 2.1 Bề mặt địa hình- cảnh quan 47 2.2 Mơi trường khơng khí 47 2.3 Môi trường nước 47 2.4 Môi trường đất 47 2.5 Rừng thảm thực vật khác 47 2.6 Tình trạng khai thác .47 2.7 Việc hồn thổ, hồn ngun mơi trường .48 Các phương pháp giám sát 48 3.1 Phương pháp giám sát hệ thống quan trắc mặt đất 48 3.2 Phương pháp giám sát công nghệ viễn thám 48 3.3 Phương pháp giám sát kết hợp 49 II PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG SINH THÁI TẠI CÁC KHU VỰC KHAI THÁC KHỐNG SẢN BẰNG CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM 50 Tình hình nghiên cứu nước 50 1.1 Nghiên cứu nước 50 1.2 Nghiên cứu nước .53 Khả giám sát môi trường sinh thái khu vực khai thác khống sản cơng nghệ viễn thám .57 Quy trình giám sát mơi trường sinh thái khu vực khai thác khống sản cơng nghệ viễn thám .59 3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chung 60 3.2 Diễn giải bước thực 62 3.2.1 Thu nhận ảnh vệ tinh 62 3.2.2 Xử lý ảnh 62 3.2.3 Giải đốn ảnh Trong thực tế có phương pháp giải đoán ảnh 63 3.2.4 Kiểm tra, đánh giá kết qủa giải đốn .65 3.2.5 Tích hợp kết giải đoán ảnh với kết ảnh giám sát lần trước đồ địa hình chuẩn .65 3.2.6 Phân tích, xác định tham số, thành lập đồ, xây dựng CSDL 65 3.2.7 Lập báo cáo giám sát 66 III CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÊ MỘT SỐ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG SINH THÁI TẠI KHU VỰC KHAI THÁC KHOÁNG SẢN 66 Giám sát biến đổi bề mặt địa hình khu vực khai thác khống sản 66 1.1 Nguyên nhân làm biến đổi bề mặt địa hình việc khai thác mỏ 67 1.1.1 Biến đổi bề mặt địa hình đào bới, bóc dỡ đất đá, quặng 67 1.1.2 Biến đổi bề mặt địa hình san lấp, đổ thải 67 1.2 Khả nhận dạng địa hình ảnh viễn thám 67 1.2.1 Khả nhận dạng địa hình phụ thuộc vào đặc điểm địa hình 68 1.2.2 Khả nhận dạng địa hình phụ thuộc vào lực phân giải hình học ảnh 68 1.2.3 Khả nhận dạng địa hình phụ thuộc vào lực phân giải phổ đối tượng ghi nhận ảnh 69 1.3 Xác định biến động bề mặt địa hình ảnh viễn thám 72 Giám sát biến động lớp phủ rừng, lớp phủ thực vật khác khu vực khai thác khoáng sản 73 2.1 Thuộc tính quang học thực vật 74 2.1.1 Tán 74 2.1.2 Vòm 75 2.1.3 Thực vật không quang hợp 76 2.2 Cơ chế phản xạ phổ lớp phủ thực vật 76 2.3 Xác định biến động lớp phủ rừng, lớp phủ thực vật ảnh viễn thám 79 Giám sát tình trạng bồi lấp sông suối, vùng cửa sông ô nhiễm nước khu vực khai thác khoáng sản 79 3.1 Tương tác ánh sáng với nước 80 3.2 Đặc trưng phản xạ phổ nước 81 3.3 Xác định biến động yếu tố thủy văn tình trạng nhiễm nước chất lơ lửng chứa nước ảnh viễn thám .81 Nghiên cứu sử dụng kết hợp ảnh vệ tinh mơ hình số độ cao để ước tính khối lượng bãi đất đá, bãi quặng khai thác 82 4.1 Khái quát 82 4.2 Bản chất phương pháp 83 4.3 Các bước công việc 83 4.3.1 Tiền xử lý ảnh 83 4.3.2 Giải đoán ảnh 83 4.3.3 Lập mơ hình số độ cao (DEM) 84 4.3.4 Tính tốn, xác định diện tích khối lượng bãi 85 CHƯƠNG PHẦN THỬ NGHIỆM 88 I VÙNG THỬ NGHIỆM 88 Khái quát 88 Đặc điểm số yếu tố tự nhiên 88 2.1 Địa hình 88 2.2 Thủy hệ 88 2.3 Lớp phủ thực vật 89 Đặc điểm số yếu tố kinh tế- xã hội 89 3.1 Đường giao thông 89 3.2 Các điểm dân cư sở hạ tầng 89 II NỘI DUNG THỬ NGHIỆM 90 Hạng mục 90 Hạng mục hỗ trợ 90 III HẠNG MỤC THÀNH LẬP BỘ BẢN ĐỒ 90 Bản đồ biến động khu vực khai thác mỏ lộ thiên vùng Đông Nam tỉnh Quảng Ninh giai đoạn 1998-2008 tỷ lệ 1: 100.000 91 1.1 Mục đích đồ 91 1.2 Phạm vi thành lập đồ 91 1.3 Tài liệu sử dụng 91 1.4 Phương pháp thành lập đồ 92 1.5 Các bước thành lập đồ 92 1.6 Đặc điểm khả nhận dạng khu vực khai thác mỏ lộ thiên ảnh vệ tinh 93 1.7 Mẫu đồ 95 Bản đồ biến động khu vực khai thác than Cẩm Phả giai đoạn 19982003-2008 tỷ lệ 1: 25.000 96 2.1 Mục đích đồ 96 2.2 Phạm vi đồ 96 2.3 Tài liệu sử dụng 97 2.4 Phương pháp thành lập đồ 97 2.5 Các bước thành lập đồ 97 2.6 Đặc điểm khả phát biến động số đối tượng khu vực khai thác than ảnh vệ tinh 99 2.7 Mẫu đồ 100 Bản đồ biến động lớp phủ rừng khu vực khai thác than Cẩm Phả giai đoạn 1998-2003 2003-2008 tỷ lệ 1: 25.000 101 3.1 Mục đích đồ 101 3.2 Phạm vi thành lập đồ, tài liệu sử dụng, phương pháp, bước thành lập đồ Về giống phần trình bày 101 3.3 Nội dung ký hiệu đồ Được trình bày bảng giải hình 37 101 3.4 Khả nhận biết biến động lớp phủ ảnh vệ tinh102 3.5 Mẫu đồ 103 Bản đồ biến động mạng lưới thủy văn tình trạng ô nhiễm nước khai thác than Cẩm Phả tỷ lệ 1: 25.000 104 4.1 Mục đích đồ 104 4.2 Phạm vi thành lập đồ, tài liệu sử dụng, phương pháp, bước thành lập đồ 104 4.3 Nội dung ký hiệu đồ 105 4.4 Khả nhận biết biến động mạng lưới thủ văn tình trạng nhiễm nước khai thác than Cẩm Phả 106 4.5 Mẫu đồ 106 IV HẠNG MỤC ƯỚC TÍNH KHỐI LƯỢNG BÃI ĐẤT ĐÁ, BÃI QUẶNG KHAI THÁC BẰNG VIỆC SỬ DỤNG KẾT HỢP ẢNH VỆ TINH VỚI MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO .109 Thành lập ảnh 3D từ vệ tinh SPOT khu vực mỏ than Cọc 109 Ứơc tính diện tích, khối lượng bãi thải, bãi quặng 110 2.1 Các bước thực 110 2.2 Một số kết minh họa 111 V HẠNG MỤC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS CHUYÊN ĐỀ MÔI TRƯỜNG KHU VỰC KHAI THÁC THAN CẨM PHẢ 112 Phạm vi xây dựng sở liệu 112 Tài liệu dùng để xây dựng sở liệu 112 Nội dung sở liệu 112 Cấu trúc sở liệu 113 Một số minh họa CSDL 114 VI KẾT QUẢ PHÂN TÍCH BẢN ĐỒ VỀ MỘT SỐ ĐỐI TƯỢNG MƠI TRƯỜNG SINH THÁI TẠI KHU VỰC THỬ NGHIỆM 116 Sự biến động khu vực khai thác mỏ lộ thiên khu vực Đông Nam tỉnh Quảng Ninh giai đoạn 1998-2008 116 Sự biến động bề mặt địa hình khu vực khai thác than Cẩm Phả giai đoạn 1998-2003-2008 116 Sự biến động lớp phủ rừng khu vực khai thác than Cẩm Phả giai đoạn 1998-2003-2008 117 Sự biến động mạng lưới thủy văn tình trạng nhiễm nước khu vực khai thác than Cẩm Phả 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHẦN PHỤ LỤC 124 Phụ lục 124 Phụ lục 126 Phụ lục 129 Phụ lục 131 Phụ lục 135 Phụ lục 140 LỜI CÁM ƠN 145 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM VIỄN THÁM QUỐC GIA BÁO CÁO KẾT CHUYÊN ĐỀ QUY TRÌNH GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG SINH THÁI Ở CÁC KHU VỰC KHAI THÁC MỎ LỘ THIÊN BẰNG ẢNH VIỄN THÁM KẾT HỢP VỚI CÁC LOẠI TƯ LIỆU KHÁC Thuộc Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám việc giám sát môi trường sinh thái khu vực khai thác mỏ lộ thiên" Người thực hiện: KS Vũ Đình Thảo, ThS Vũ Bích Ngọc, KS Phạm Vĩnh Hà HÀ NỘI - NĂM 2010 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 2 QUY TRÌNH CHUNG VỀ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG SINH THÁI BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM 2.1 Mô tả bước thực Quy trình 2.1.1 Thu nhận ảnh vệ tinh .3 2.1.2 Tạo ảnh chuẩn dùng cho giám sát 2.1.3 Giải đoán ảnh 2.1.4 Kiểm tra, đánh giá kết qủa giải đốn .7 2.1.5 Tích hợp kết giải đoán ảnh với kết ảnh giám sát lần trước đồ địa hình chuẩn .7 2.1.6 Phân tích, xác định tham số, thành lập đồ, xây dựng CSDL 2.1.7 Lập báo cáo giám sát QUY TRÌNH CHI TIẾT CỦA MỘT SỐ KHÂU CHÍNH 10 3.1 Quy trình xử lý ảnh số 10 3.2 Quy trình phân loại ảnh số 11 3.3 Quy trình thành lập mơ hình số độ cao phương pháp khác nhau.12 3.4 Quy trình thành lập đồ trạng biến động lớp phủ mặt đất 13 3.5 Quy trình cơng nghệ xây dựng CSDL chuyên đề .14 1 MỞ ĐẦU Như phần trình bày, giám sát môi trường sinh thái khu vực khai thác khống sản q trình theo dõi có hệ thống trạng môi trường tác động đến môi trường, nhằm phát biến đổi đối tượng môi trường thiên nhiên hoạt động khai thác khoáng sản gây ra, để kiểm sốt việc hồn ngun mơi trường khu vực ngừng khai thác Như vậy, chất việc giám sát thay đổi môi trường sinh thái khu vực này, thực theo chu kỳ đột xuất theo u cầu Bằng cơng nghệ viễn thám phát thay đổi theo thời gian, cặp ảnh đa thời gian chụp khu vực Kết giám sát lần trước sở đối chiếu, so sánh với phát ảnh thay đổi thời điểm giám sát Giám sát môi trường sinh thái viễn thám việc thu nhận, xử lý, phân tích giải đốn thơng tin ảnh viễn thám đối tượng, tượng có liên quan đến thành phần môi trường đến hệ sinh thái Quy trình giám sát thể sơ đồ 1, cịn quy trình số khâu trình bày Báo cáo chuyên đề đề tài Trước tiến hành công việc giám sát, cần có cơng tác chuẩn bị, bao gồm việc xác định rõ nhiêm vụ, khu vực cần giám sát, đối tượng giám sát, thời gian giám sát, phương pháp tài liệu dùng để giám sát, tổ chức kinh phí thực Cần lưu ý tài liệu cần sử dụng, ảnh viễn thám thu nhận cịn phải có ảnh tài liệu giám sát lần trước, đồ địa hình, liệu GIS, tài liệu khống chế ảnh gốc, mẫu giải đoán ảnh, số liệu đo Trạm quan trắc (nếu có) tài liệu liên quan đến môi trường sinh thái lhu vực cần giám sát 2 QUY TRÌNH CHUNG VỀ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG SINH THÁI BẰNG CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM 2.1 Mơ tả bước thực Quy trình Theo sơ đồ quy trình giám sát có bước thực chính, là: Thu nhận ảnh → Xử lý ảnh → Giải đốn ảnh → Kiểm tra, đánh giá → Tích hợp liệu → Tạo sản phẩm giám sát trung gian (xác định tham số, phân tích, thành lập đồ, xây dựng CSDL) → Lập báo cáo giám sát Để thực bước nêu lại cần phải tiến hành thực khâu thực hỗ trợ sử dụng loại tài liệu có sẵn Dưới xin trình bày tóm tắt bước thực theo quy trình chung dùng để giám sát môi trường sinh thái khu vực khai thác khoáng sản phương pháp viễn thám: 2.1.1 Thu nhận ảnh vệ tinh Theo quy định hành, thực hình thức: a) Thu nhận Trạm thu ảnh vệ tinh Việt Nam Hiện nay, Trạm thu thu nhận loại ảnh, bao gồm loại ảnh chùm vệ tinh SPOT SPOT 2,4,5 loại ảnh vệ tinh ENVISAT ảnh MERIS ảnh ASAR Tuy nhiên, với khả thông tin ảnh phục vụ cho việc giám sát môi trường sinh thái khu vực khai thác khống sản sử dụng ảnh SPOT cho giám sát khu mỏ ảnh SPOT 2,4 cho giám sát phạm vi rộng lớn vùng Ảnh vệ tinh dùng để giám sát phải đáp ứng yêu cầu chất lượng (khơng mây, có đủ ảnh kênh phổ, rõ nét, thu nhận điều kiện khí gần tương đồng) Trong khâu thu nhận ảnh Trạm thu, ngồi việc thu nhận tín hiệu phát từ vệ tinh chuyển đổi liệu ảnh số, phải tiến hành xử lý ban đầu (tiền xử lý) Tiền xử lý ảnh bao gồm việc hiệu chỉnh sai số đầu thu, hiệu chỉnh nhiễu khí hiệu chỉnh ảnh hưởng góc chiếu mặt trời địa hình; b) Thu nhận việc mua, nhận ảnh từ nước ngồi Hình thức thu nhận theo quy định thực hiện, trạm thu ảnh vệ tinh Việt Nam khơng có khả đáp ứng Ngồi ra, sở hữu nhiều ảnh vệ tinh thu nhận từ nhiều năm trước đây, ảnh vệ tinh Landsat, Quickbird Mỹ, ảnh vệ tinh SPOT Pháp loại ảnh vũ trụ Nga Những loại ảnh sử dụng để đánh giá trạng môi trường sinh thái thời điểm trước, để đánh giá biến động so với ghi nhận tài liệu ảnh thu nhận Trong phần thử nghiệm đề tài sử dụng tài liệu ảnh có Trung tâm Viễn thám quốc gia, bao gồm ảnh vệ tinh SPOT thu nhận năm 1998, 2008, ảnh vệ tinh SPOT thu nhận năm 2003; ngồi cịn sử dụng ảnh vệ tinh LANDSAT ETM thu nhận năm 2001 làm tài liệu hỗ trợ 2.1.2 Tạo ảnh chuẩn dùng cho giám sát Về thực chất việc xử lý để tạo ảnh chuẩn phục vụ cho việc giám sát, bao gồm khâu chính, nắn ảnh, tăng cường chất lượng ảnh cắt ghép ảnh theo khu vực cần giám sát a) Tiền xử lý ảnh, gồm việc hiệu chỉnh sai số đầu thu, hiệu chỉnh ảnh hưởng góc chiếu mặt trời địa hình hiệu chỉnh ảnh hưởng nhiễu khí Những cơng việc thường gắn liền sau bước thu nhận tín hiệu liệu ảnh trạm thu ảnh vệ tinh b) Nắn ảnh việc việc hiệu chỉnh biến dạng hình học ảnh trình thu ảnh ảnh hưởng chênh cao địa hình gây ra, đồng thời với việc chuyển tọa độ điểm ảnh từ phép chiếu không gian ảnh sang phép chiếu thẳng góc Để thực công việc cần phải sử dụng điểm khống chế ảnh, mơ hình số độ cao hệ quy chiếu quốc gia có sẵn liệu đầu vào Trước nắn ảnh cần tiến hành nhập liệu ảnh Dữ liệu ảnh vệ tinh số có khn dạng phù hợp với tính kỹ thuật hệ thống xử lý ảnh nhập trực tiếp Nếu không phù hợp phải dùng phần mềm trung gian để chuyển đổi khuôn dạng liệu, nhập vào hệ thống xử lý ảnh Sau việc chuyển gán tọa độ, độ cao điểm khống chế ảnh số Ảnh vệ tinh nắn theo cảnh ảnh Q trình nắn ảnh cần tiến hành: - Mơ hình hóa ảnh vệ tinh mơ hình vật lý trường hợp có đầy đủ thơng số chụp ảnh phần mềm phù hợp mô hình tốn học khác (mơ hình hàm hữu tỷ, mơ hình hàm đa thức, mơ hình Affine, mơ hình chuyển đổi tuyến tính trực tiếp, mơ hình chuyển đổi lưới chiếu) trường hợp khơng có đầy đủ thơng số chụp ảnh phần mềm phù hợp - Sử dụng mơ hình số độ cao (DEM) mặt phẳng trung bình khu vực để nắn ảnh vệ tinh c) Tăng cường chất lượng ảnh việc hiệu chỉnh xạ ảnh (xử lý mức độ xám ảnh toàn sắc- Panchromatic xử lý phổ ảnh đa phổ- XS), nhằm nâng cao khả thông tin ảnh Tăng cường chất lượng ảnh tiến hành cho kênh phổ phương pháp dãn tuyến tính, phương pháp điều chỉnh tương tác phương pháp khác Xử lý phổ bao gồm việc tổ hợp màu ảnh đa phổ theo phương án khác nhau, trộn ảnh đa phổ với ảnh toàn sắc d) Ghép ảnh cắt mảnh trinh bày bình đồ ảnh - Ghép ảnh thực bình đồ ảnh cần thành lập nằm nhiều cảnh ảnh vệ tinh khác - Cắt mảnh bình đồ ảnh theo mảnh đồ - Trình bày khung phần ngồi khung bình đồ ảnh theo quy định đ) Ghi liệu bình đồ ảnh số in bình đồ ảnh giấy - Dữ liệu bình đồ ảnh số ghi đĩa CD-ROM DVD cho khu vực giám sát - Bình đồ ảnh giấy in để làm tài liệu điều vẽ thực địa 2.1.3 Giải đốn ảnh Hiện có phương pháp giải đốn ảnh: phương pháp giải đoán mắt phương pháp giải đốn thơng qua việc phân loại ảnh số a) Phương pháp giải đoán ảnh mắt phương pháp giải đoán ảnh truyền thống, chủ yếu dựa kinh nghiệm chuyên gia phân tích ảnh kết hợp với việc sử dụng mẫu giải đoán ảnh tài liệu khác, quy trình số liệu quan trắc để hỗ trợ cho trình điều vẽ ảnh Bản chất phương pháp giải đoán việc phát hiện, nhận biết mắt khoanh vi đối tượng ảnh Các bước công việc bao gồm: - Khảo sát tổng quan, lập mẫu giải đoán ảnh; - Điều vẽ ảnh nội nghiệp; - Điều vẽ ảnh ngoại nghiệp Khảo sát tổng quan tiến hành thực địa, nhằm xác định đối tượng điển hình cần lập mẫu giải đốn ảnh, như: khu vực bề mặt địa hình có biến động việc bóc dỡ, đào bới, san lấp, đổ thải; khu rừng bị chặt phá trồng mới, khu dân cư/khu đất canh tác bị xâm chiếm, đoạn sông suối bị bồi lấp/ô nhiễm, vùng đất bị suy thoái Điều vẽ ảnh nội nghiệp thực dựa vào dấu hiệu điều vẽ ảnh dựa vào kiến thức kinh nghiệm chuyên gia điều vẽ Các đối tượng điều vẽ khoanh vi ghi trực tiếp ảnh Điều vẽ ảnh ngoại nghiệp thực nhằm điều vẽ bổ sung cho kết điều vẽ nội nghiệp Công việc tiến hành theo tuyến theo điểm Kế hoạch điều vẽ xác định trình điều vẽ nội nghiệp b) Phương pháp giải đoán việc phân loại ảnh số Đây phương pháp thực dựa nguyên tắc phân loại ảnh số tự động Hiện phương pháp cịn sử dụng Việt Nam, với mục đích dùng giám sát, lại theo u cầu giám sát nhanh phương pháp thích hợp Phân loại ảnh số có cách: phân loại có giám định phân loại khơng giám định, với kỹ thuật phân loại hình hộp, phân loại theo khoảng cách ngắn nhất, phân loại theo xác xuất cực đại số kỹ thuật phân loại đặc biệt khác Có thể khái quát bước cơng việc việc phân loại ảnh số sau: - Bước 1: Định nghĩa lớp phân loại mặt tiêu Chỉ tiêu lựa chọn phải có tính đặc thù cho loại tư liệu ảnh viễn thám (độ phân giải ảnh, thời gian chụp ảnh ) - Bước 2: Tuyển chọn đặc trưng, bao gồm đặc trưng phổ đối tượng (ảnh đa phổ), biến động thời gian (ảnh đa thời gian) cấu trúc cụ thể đối tượng, nhằm thiết lập tiêu chuẩn cho phép phân biệt loại đối tượng cần quan tâm - Bước 3: Chọn vùng mẫu ảnh dựa kết bước Các số liệu lấy sở tệp mẫu có ý nghĩa định việc thành lập tiêu phân loại - Bước 4: Ước tính thống kê vùng mẫu nhằm xác định giá trị tương ứng với loại phổ không gian đặc trưng đối tượng, từ xác định phương pháp phân loại khác với vùng mẫu so sánh kết đạt nhằm tìm thuật tốn tối ưu cho kết phân loại - Bước 5: Phân loại dựa luật định tiêu thiết lập, pixel phân loại vào lớp chọn Có nhiều kỹ thuật phân loại khác nhau, cụ thể như: phân loại theo cắt lớp, phân loại theo khoảng cách ngắn nhất, phân loại theo xác xuất cực đại, kỹ thuật phân loại khác dựa lý thuyết tệp mờ, hệ chuyên gia Ảnh sau phân loại cần "làm trơn" thuật tốn lọc, cơng việc hậu xử lý sau phân loại Kết thử nghiệm giải đoán ảnh để thành lập đồ thực phương pháp giải đoán ảnh mắt Cịn phương pháp giải đốn ảnh phân loại ảnh số tiến hành loại ảnh SPOT để trình diễn mặt phương pháp luận Theo sơ đồ quy trình giám sát, để thực giải đốn ảnh cần phải có tài liệu hỗ trợ, có loại tài liệu cần thiết mẫu giải đốn ảnh nghiên cứu, xây dựng trước cho đối tượng cần giải đoán số liêu đo Trạm quan trắc mơi trường Bộ mẫu giải đốn ảnh lập cho đối tượng yếu tố môi trường sinh thái cần giám sát Các mẫu phải mang tính đặc trưng riêng cho đối tượng Mẫu dùng cho việc giải đoán ảnh tương tự mắt bao gồm: mẫu ảnh, mơ tả dấu hiệu giải đốn (kích thước, hình dạng, màu sắc, mật độ màu, cấu trúc hình ảnh, mối tương quan) Mẫu cho việc giải đoán ảnh phương pháp phân loại ảnh số bao gồm: liệu ảnh số mẫu tương ứng với đối tượng chọn thực địa, giá trị đặc trưng phổ đối tượng mẫu Trong phần thử nghiệm tiến hành xây dựng mẫu giải đoán ảnh phục vụ cho giải đoán ảnh mắt 2.1.4 Kiểm tra, đánh giá kết qủa giải đoán - Đối với phương pháp giải đốn ảnh mắt việc kiểm tra, đánh giá tiến hành trực tiếp thực địa, việc đối chiếu kết điều vẽ ảnh với thực địa Kết kiểm tra, đánh giá ghi nhận trực tiếp ảnh để định cho việc sửa chữa, hoàn thiện kết giải đoán ảnh định phải tiến hành điều vẽ lại cho phù hợp - Đối với phương pháp giải đốn phân loại ảnh số việc kiểm tra, đánh giá tiến hành nhằm định chấp nhận đạt hay không chấp nhận kết phân loại độ xác độ tin cậy Nếu tiêu không đạt cần phải tiến hành bước lặp lại từ bước chọn vùng mẫu 2.1.5 Tích hợp kết giải đoán ảnh với kết ảnh giám sát lần trước đồ địa hình chuẩn Được thực việc chồng lớp kết giải đoán ảnh lần trước với giải đoán ảnh lần lên đồ địa hình số tiến hành phân tích biến động yếu tố mơi trường sinh thái, có việc xác định phạm vi, diện tích, tính chất mức độ biến động 2.1.6 Phân tích, xác định tham số, thành lập đồ, xây dựng CSDL Đây loại cơng việc mang tính kỹ thuật, nhằm có kết để lập báo cáo giám sát - Phân tích việc nhận biết phát hiện, khái quát thay đổi môi trường sinh thái lần giám sát, nghiên cứu tác động rút kết luận cần thiết - Xác định tham số biến động định tính định lượng, có thơng tin thời gian (khoảng thời gian lần giám sát) thông tin không gian (chiều dài, diện tích, khối lượng, vị trí phân bố) - Thành lập đồ thực việc số hóa, biên tập sở địa lý thành lập từ đồ địa hình phần mềm Microstation - Xây dựng CSDL GIS thực theo kết giám sát theo tài liệu khác có liên quan phần mềm ArcGis 2.1.7 Lập báo cáo giám sát Đây khâu cuối quy trình giám sát Sản phẩm tập Báo cáo với đầy đủ thông tin liên quan đến nội dung kết giám sát Kèm theo Báo cáo ảnh viễn thám, đồ, sơ đồ, bảng biểu ảnh minh họa Báo cáo giám sát phải thẩm định nghiệm thu theo quy định Lưu ý Thực theo Quy trình cần số tài liệu có sẵn đây: - Ảnh tài liệu giám sát lần trước; - Bản đồ địa hình số tỷ lệ phù hợp; - Dữ liệu đo khống chế ảnh; - Mơ hình số độ cao (DEM) dùng để nắn ảnh để thành lập trực ảnh 3D; - Mẫu giải đoán ảnh; - Số liệu quan trắc môi trường đo Trạm (nếu có); - Các tài liệu khác 2.2 Sơ đồ quy trình giám sát mơi trường sinh thái cơng nghệ viễn thám Ảnh giám sát lần trước Điểm kh.chế ảnh DEM dùng để nắn ảnh Thu nhận ảnh Tiền xử lý Nắn ảnh Nắn ảnh Xử lý ảnh Định nghĩa lớp Tăng cường C.lượng ảnh Tuyển chọn đặc trưng Mẫu giải đoán ảnh Số liệu quan trắc Chọn vùng mẫu Ước tính th kê vùng mẫu Phân loại ảnh số trưng Điểm kh.chế ảnh DEM dùng để nắn ảnh Cắt ghép ảnh Giải đoán phân loại ảnh số Điều vẽ ảnh nội nghiệp Giải đoán mắt Mẫu giải đoán ảnh Số liệu quan trắc Điều vẽ ngoại nghiệp Kiểm tra, đánh giá không đạt Bản đồ địa hình đạt khơng đạt Kết giải đốn Tích hợp liệu X.định tham số Phân tích T.lập đồ Lập báo cáo giám sát X Dựng CSDL Dữ liệu chuyên đề QUY TRÌNH CHI TIẾT CỦA MỘT SỐ KHÂU CHÍNH 3.1 Quy trình xử lý ảnh số Dữ liệu ảnh thu từ vệ tinh Tiền xử lý ảnh Đo khống chế ảnh Nắn chỉnh hình học ảnh Thành lập DEM Tăng cường chất lượng ảnh Cắt, ghép ảnh theo vùng Bình đồ ảnh số 10 3.2 Quy trình phân loại ảnh số Dữ liệu ảnh số Định nghĩa lớp Chọn đặc trưng Chọn vùng mẫu Tính số thống kê Phân loại ảnh số Gộp lớp Đánh giá kết phân loại Kết phân loại ảnh số 11 3.3 Quy trình thành lập mơ hình số độ cao phương pháp khác Đo đạc thực địa Bản đồ giấy Toàn đạc điện tử, GPS Bàn số hóa/ Máy quét đồ Đo vẽ ảnh giải tích Đo vẽ ảnh số Máy đo vẽ ảnh giải tích Trạm đo vẽ ảnh sè Radar giao thoa §o laser Bé xư lý tÝn hiƯu Radar giao thoa Bé xư lý tÝn hiƯu laser Véc-tơ hóa, gán độ cao Độ cao, tọa độ điểm bề mặt (mật độ cao) Độ cao, tọa độ điểm bề mặt (mật độ thấp) Nội suy Nội suy MHSĐC 12 Độ cao, tọa độ điểm bề mặt (mật độ cao) Nội suy, tái lấy mÉu 3.4 Quy trình thành lập đồ trạng biến động lớp phủ mặt đất Bản đồ địa hình Ảnh viến thám ( Đa thời gian) Thành lập đồ địa lý Nắn chỉnh hình học ảnh Tài liệu chuyên đề Đo khống chế ảnh Tăng cường chất lượng ảnh Suy giải ảnh Khảo sát, điều tra bổ sung thực địa Chuyển vẽ, thành lập đồ trạng Bản đồ trạng Bản đồ trạng Tích hợp, thành lập đồ biến động Bản đồ biến động 13 Bản đồ trạng 3.5 Quy trình cơng nghệ xây dựng CSDL chun đề Xây dựng thiết kế mơ hình CSDL Xác định nội dung nhóm lớp lớp thơng tin đồ Xác định tiêu thuộc tính theo số liệu thống kê Xây dựng quy định kỹ thuật hướng dẫn kỹ thuật Chuẩn hoá liệu gốc Chuyển liệu từ khuôn dạng Dgn sang khuôn dạng Shp file, gán thuộc tính cho đối tượng Chuyển đổi liệu vào Geodatabase 14