Đề tài Đánh giá thay đổi lớp phủ, sử dụng đất thành phố huế

Lớp phủ đất đề cập đến lớp phủ bề mặt trên mặt đất như thảm thực vật, cơ sở hạ tầng đô thị, nước, đất trống.... Việc xác định lớp phủ đất giúp thiết lập bản đồ chuyên đề, phân tích, và phát hiện thay đổi. Trong khi đó, sử dụng đất đề cập đến mục đích mà đất phục vụ, như giải trí, môi trường sống của động vật hoang dã hoặc nông nghiệp. Biến động lớp phủ, sử dụng đất thể hiện sự tương tác giữa các hoạt động của con người với môi trường sinh thái như khai thác tài nguyên rừng tự nhiên, chuyển đổi đất rừng sang đất nông nghiệp, đất phi nông nghiệp và các hoạt động khác tác động trực tiếp trên đất.

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất 4

Bảng 1.2 Đặc trưng bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 8 8

Bảng 2.1 Thu thập dữ liệu 16

Bảng 2.2 Khóa giải đoán ảnh cho khu vực nghiên cứu 19

Bảng 2.3 Hệ thống phân loại thực phủ của khu vực nghiên cứu 20

Bảng 2.4 Thống kê số điểm mẫu của từng loại thực phủ 22

Bảng 3.1 Ma trận sai số năm 2013 32

Bảng 3.2 Ma trận sai số năm 2017 32

Bảng 3.3 Ma trận sai số năm 2022 33

Bảng 3.4 Thống kê các loại thực phủ giai đoạn 2013 – 2017 34

Bảng 3.5 Thống kê các loại thực phủ giai đoạn 2017 – 2022 34

Bảng 3.6 Thống kê các loại thực phủ giai đoạn 2013 – 2022 35

Bảng 3.7 Thống kê sự biến động thực phủ trong giai đoạn 2013 – 2017 36

Bảng 3.8 Thống kê sự biến động thực phủ trong giai đoạn 2017 – 2022 36

Bảng 3.9 Thống kê sự biến động thực phủ trong giai đoạn 2013 – 2022 36

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh viễn thám 6

Hình 1.2 Các thành phần chính của hệ thống viễn thám 7

Hình 2.1 Phương pháp nghiên cứu 15

Hình 2.2 Ranh giới thành phố Huế 18

Hình 2.3 Phương pháp phân loại gần đúng nhất 21

Hình 2.4 Các điểm mẫu khảo sát thực địa 22

Hình 3.1 Bản đồ hành chính thành phố Huế 24

Hình 3.2 Bản đồ phân loại thực phủ thành phố Huế năm 2013 29

Hình 3.3 Bản đồ phân loại thực phủ thành phố Huế năm 2017 30

Hình 3.4 Bản đồ phân loại thực phủ thành phố Huế năm 2022 31

Hình 3.5 Bản đồ biến động thực phủ Thành phố Huế giai đoạn 2013 – 2017 38

Hình 3.6 Bản đồ biến động thực phủ Thành phố Huế giai đoạn 2017 – 2022 40

Hình 3.7 Bản đồ biến động thực phủ Thành phố Huế giai đoạn 2013 – 2022 41

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu đề tài 2

3 Ý nghĩa đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1.Cơ sở lý luận của các vấn đề nghiên cứu 4

1.1.1 Khái niệm về thay đổi lớp phủ, sử dụng đất (LULC) 4

1.1.2 Ứng dụng công nghệ viễn thám vào đánh giá LULC 5

1.2.Cơ sở thực tiễn của các vấn đề nghiên cứu 12

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 12

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 12

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

2.1.Đối tượng nghiên cứu 14

2.2.Phạm vi nghiên cứu 14

2.3.Nội dung nghiên cứu 14

2.4.Phương pháp nghiên cứu 14

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu 16

2.4.2 Xử lý ảnh 16

2.4.3 Giải đoán ảnh 18

2.4.4 Phương pháp Maximum Likelihood Classification (MLC) 20

2.4.5 Đánh giá độ chính xác của phương pháp phân loại 21

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 24

3.1.Đánh giá điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội thành phố Huế 24

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 24

3.1.2 Điều kiện xã hội 28

3.2.Xây dựng bản đồ lớp phủ, sử dụng đất 28

3.3.Đánh giá biến động sử dụng đất 32

3.4.Xây dựng bản đồ biến động lớp phủ, sử dụng đất 37

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

4.1 Kết luận 43

4.2 Kiến nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 46

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Lớp phủ đất đề cập đến lớp phủ bề mặt trên mặt đất như thảm thực vật, cơ

sở hạ tầng đô thị, nước, đất trống Việc xác định lớp phủ đất giúp thiết lập bản

đồ chuyên đề, phân tích, và phát hiện thay đổi Trong khi đó, sử dụng đất đề cậpđến mục đích mà đất phục vụ, như giải trí, môi trường sống của động vật hoang

dã hoặc nông nghiệp (Significance of Land Use / Land Cover (LULC) Maps).

Biến động lớp phủ, sử dụng đất thể hiện sự tương tác giữa các hoạt động của conngười với môi trường sinh thái như khai thác tài nguyên rừng tự nhiên, chuyểnđổi đất rừng sang đất nông nghiệp, đất phi nông nghiệp và các hoạt động kháctác động trực tiếp trên đất Bản đồ LULC đóng một vai trò vô cùng quan trọngtrong các chương trình lập kế hoạch, quản lý và giám sát ở cấp địa phương, khuvực và cấp quốc gia Thông tin này, một mặt, giúp hiểu rõ hơn về các khía cạnh

sử dụng đất, mặt khác, nó cung cấp thông tin và hỗ trợ cho việc hình thành cácchính sách và chương trình cần thiết cho quy hoạch phát triển Sự thay đổi lớpphủ, sử dụng đất sẽ tác động thảm thực vật bao phủ trên bề mặt trái đất, kết quả

là tác động đến biến đổi khí hậu toàn cầu Để đảm bảo phát triển bền vững, cầntheo dõi quá trình đang diễn ra về mô hình lớp phủ, sử dụng đất trong mộtkhoảng thời gian dài Sự phát triển kinh tế và sự gia tăng dân số tăng trong suốthai thập kỷ qua và có nhiều bằng chứng cho thấy xu hướng gia tăng này tiếp tụcđược thúc đẩy trong tương lai Sự thay đổi này sẽ là một trong những tác nhânlàm thay đổi khí hậu

Ngày nay, do sự gia tăng dân số, sự phát triển của các đô thị, sự tăngtrưởng kinh tế - xã hội và một số vấn đề khác đã và đang làm thay đổi nhanhchóng lớp phủ bề mặt, tác động rất lớn tới đất đai, đặc biệt là đối với các thànhphố lớn Có nhiều bằng chứng cho thấy xu hướng gia tăng này tiếp tục được

thúc đẩy trong tương lai (Remote Sensing Applications) Trước những áp lực đó,

đất đai và các lớp phủ mặt đất biến động không ngừng cùng với sự phát triển của

xã hội Đây là nguồn tài nguyên đặc biệt có thể khai thác sử dụng nhưng khôngthể làm tăng thêm về mặt số lượng Việc chuyển đổi mục đích sử dụng đấtkhông hợp lý và không được giám sát có thể dẫn đến sự biến đổi khí hậu trongtương lai Do đó việc theo dõi, nghiên cứu, quản lý và sử dụng loại tài nguyênnày một cách hiệu quả và hợp lý là một vấn đề rất quan trọng

Sự ra đời của công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS)đang trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực cho quản lý tài nguyên thiên nhiên và

giám sát môi trường Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành,nhiều lĩnh vực từ khí tượng – thủy văn, địa chất, môi trường cho đến nông – lâm– ngư nghiệp,… Theo dõi biến động các loại lớp phủ mặt đất bằng ảnh vệ tinhcho kết quả với độ chính xác khá cao, tiết kiệm được thời gian, và kinh phí từ đó

có thể giúp các nhà quản lý có thêm nguồn tư liệu để giám sát thường xuyênbiến động sử dụng đất

Thành phố Huế nằm ở vị trí trung tâm của đất nước, trên trục Bắc - Namcủa các tuyến đường bộ, đường sắt, đường hàng không và đường biển, gần tuyếnhành lang Đông - Tây của tuyến đường Xuyên Á Có 265,99 km2 diện tích tự

nhiên và quy mô dân số 652.572 người (Theo Cổng thông tin điện tử Thừa Thiên Huế).

Vì vậy, nghiên cứu này thực hiện đề tài “Đánh giá thay đổi lớp phủ, sử dụng đất thành phố Huế” nhằm xây dựng bản đồ sự thay đổi lớp phủ, sử dụng

*Mục tiêu cụ thể

- Xây dựng được bản đồ lớp phủ, sử dụng đất bằng phương pháp giảiđoán ảnh vệ tinh Landsat 8 cho các năm được đánh giá

- Đánh giá được sai số mô hình lớp phủ, sử dụng đất

- Xây dựng và đánh giá được sự biến động lớp phủ, sử dụng đất chothành phố Huế trong giai đoạn nghiên cứu

3 Ý nghĩa đề tài

*Ý nghĩa khoa học

Kết quả của đề tài góp phần quản lý và phát triển nguồn tài nguyên đấttrên địa bàn thành phố Huế đạt hiệu quả nhất

*Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài giúp cho tỉnh Thừa Thiên Huế nói chung và thành phố Huế nóiriêng đánh giá được sự biến động lớp phủ, sử dụng đất, phân tích những ưuđiểm, hạn chế và các yếu tố ảnh hưởng trong công tác xây dựng bản đồ lớp phủ

Kết quả đề tài giúp tìm ra được những mặt thuận lợi và mặt khó khăn làm

cơ sở đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả công tác xây dựng bản

đồ lớp phủ, khắc phục các hạn chế, khó khăn, vướng mắc để nâng cao hiệu quảcông tác quản lý và phát triển nguồn tài nguyên đất trên địa bàn thành phố

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Cơ sở lý luận của các vấn đề nghiên cứu

1.1.1 Khái niệm về thay đổi lớp phủ, sử dụng đất (LULC)

Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát khi nhìn từ mặt đất hoặcthông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy)

và các cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá,…) bao phủ bề mặt đất

Nước, băng, đá lộ hay dãi cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998).

Sokal (1974) đã định nghĩa phân loại là việc sắp xếp các đối tượng theocác nhóm hoặc các tập hợp khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa chúng Một hệthống phân loại miêu tả tên của các lớp và tiêu chuẩn phân biệt chúng

Các hệ thống phân loại có hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và khôngphân cấp Một hệ thống phân cấp thường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp

nhiều thông tin chi tiết hơn (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998).

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài đã sử dụng hệ thống phân loại phâncấp, có tham khảo theo hệ thống phân loại của FAO, được tổng hợp có chọn lọcphù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam

1.5 Công trình công cộng1.6 Công trình phúc lợi1.7 Khu giải trí thể thao1.8 Khu hỗn hợp

1.9 Đất trồng và các đất khác

2 Lúa – hoa màu 2.1 Mùa màng và đồng cỏ

2.2 Cây ăn quả2.3 Chuồng trại gia súc

Cấp 1 Cấp 2

2.4 Nông nghiệp khác

3 Đất bỏ hoang

3.1 Đất đồng cỏ3.2 Đất cây bụi3.3 Đất hỗn hợp

4 Đất rừng

4.1 Rừng thường xanh4.2 Rừng rụng lá4.3 Rừng hỗn giao4.4 Rừng chặt trụi cây4.5 Vùng rừng bị cháy

5 Mặt nước

5.1 Suối và kênh5.2 Hồ và hố nước5.3 Bồn thu nước5.4 Vịnh và cửa sông5.5 Nước biển

6 Đất ướt

6.1 Đất ướt có thực vật tạo rừng6.2 Đất ướt có thực vật không tạorừng

Hình 1.1 Nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh viễn thám

Nguyên lý hoạt động của viễn thám là sử dụng bức xạ điện từ tới vật thể

và thu lại tín hiệu phản hồi bằng bộ cảm (hình 1.1) Sóng điện từ được phản xạ

hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đốitượng Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với nănglượng bức xạ với từng bước sóng đã xác định Đo lường và phân tích nănglượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám cho phép tách thông tin hữu ích

về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ vàvật thể

Thiết bị dùng để ghi nhận sóng điện từ phản xạ hay phản xạ từ vật thểđược gọi là bộ cảm biến (Sensors) Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnhhoặc máy quét Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang Cácvật mang cơ bản hiện nay bao gồm kinh khí cầu, máy bay, vệ tinh,…

Nguồn năng lượng sử dụng trong viễn thám bị động là bức xạ mặt trời,hoặc năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ thu bởi bộcảm biến đặt trên vật mang Ngược lại, trong viễn thám chủ động, nguồn nănglượng sử dụng được phát ra từ các nguồn phát trên vật mang

Thông tin về năng lượng phản xạ của vật thể được ghi nhận bằng ảnh viễnthám và thông qua xử lý tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp trên ảnh dựatrên kinh nghiệm của chuyên gia Kết quả thu được là các dữ liệu hoặc thông tinliên quan đến vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụngvào nhiều lĩnh vực như lâm nghiệp, nông nghiệp, tài nguyên môi trường, khoángsản, khí tượng, địa chất, thủy sản, môi trường,…

Hệ thống viễn thám thường gồm 7 phần có quan hệ chặt chẽ với nhau

theo trình tự hoạt động của hệ thống (hình 1.2)

Hình 1.2 Các thành phần chính của hệ thống viễn thám

Nguồn năng lượng (A): thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám

là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đốitượng quan tâm Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cungcấp năng lượng tới đối tượng Thông tin viễn thám thu được là dựa vào nănglượng từ đối tượng đến thiết bị nhận, nếu không có nguồn năng lượng chiếusáng hay truyền tới đối tượng sẽ không có năng lượng đi từ đối tượng đến thiết

bị nhận

Những tia phát xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn nănglượng tới đối tượng nên sẽ phải tương tác qua lại với vùng khí quyển nơi nănglượng đi qua Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vìnăng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng tới bộ cảm

Sự tương tác của đối tượng (C): một khi được truyền qua khí quyển tớiđối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc điểm của

cả đối tượng, bị đối tượng hấp thụ, hay bị đối tượng phản xạ trở lại khí quyển

Thu nhận năng lượng bộ cảm (D): sau khi năng lượng được phát ra hay

bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thunhận sóng điện từ Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin củađối tượng

Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): năng lượng được thu nhận từ bộ cảmcần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận – xử

lý nơi dữ liệu được xử lý sang dạng ảnh Ảnh này chính là dữ liệu thô

Giải đoán và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụngđược Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hìnhảnh trên tương ứng với đối tượng nào Công đoạn có thể “nhận biết” này gọi làgiải đoán ảnh Ảnh được giải đoán bằng một hay nhiều phương pháp Cácphương pháp này là giải đoán bằng mắt, giải đoán tự động, giải đoán bằng kỹ

thuật số, hay các công cụ điện từ để lấy thông tin về các đối tượng của khu vực

đã chụp ảnh

Ứng dụng (G): đây là phần cuối cùng của quá trình viễn thám, được thựchiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn vềđối tượng mà ta quan tâm, khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những

thông tin đã có… nhằm giải quyết vấn đề cụ thể (Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi, 2009)

1.1.2.2 Giới thiệu vệ tinh Landsat

Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lênquỹ đạo năm 1972, cho đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinh Landsat đã được phónglên quỹ đạo và dữ liệu được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Hiện nay, ảnh vệtinh Landsat được cung cấp từ 15 trạm thu nhằm phục vụ quản lý tài nguyên vàgiám sát môi trường Landsat được NASA thiết kế đầu tiên như thực nghiệmkiểm tra tính khả thi việc sử dụng bộ cảm biến đa phổ trong thu thập dữ liệuthám sát mặt đất Sự thành công của Landsat có được nhờ vào việc kết hợpnhiều kênh phổ để quan sát mặt đất, ảnh có độ phân giải không gian tốt và phủmột vùng khá rộng với chu kỳ lặp ngắn

Trong nội dung khóa luận đã sử dụng các ảnh của vệ tinh Landsat 8 năm2013,2017,2022 để làm tư liệu chính phục vụ cho việc nghiên cứu và xử lý

Bảng 1.2 Đặc trưng bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 8 (Bộ cảm OLI và TIRs)

Kênh 5 Cận hồng ngoại – Near IR 0.845 –0.885 30

Kênh 6 Hồng ngoại sóng ngắn – SWIR 1 1.560 –1.660 30

Kênh 7 Hồng ngoại sóng ngắn – SWIR 2 2.100 – 30

Độ phân giải không gian: là kích thước nhỏ nhất của một đối tượng hay

khoảng cách tối thiểu giữa hai đối tượng liền kề có khả năng phân biệt được trênảnh Ảnh có độ phân giải không gian càng cao thì kích thước pixel càng nhỏ Độphân giải này phụ thuộc vào kích thước của pixel ảnh, độ tương phản hình ảnh,điều kiện khí quyển và các thông số quỹ đạo của vệ tinh Độ phân giải khônggian cũng được gọi là độ phân giải mặt đất khi hình chiếu của một pixel tươngứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất

Độ phân giải bức xạ: để lưu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy

tính kiểu raster, tùy thuộc vào số bit dung để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ cógiá trị hữu hạn phù hợp với từng cấp độ xám Độ phân giải bức xạ là khả năngnhạy cảm của các thiết bị thu để phát hiện những sự khác nhau rất nhỏ trongnăng lượng sóng điện từ (số bit dùng để ghi nhận thông tin ảnh vệ tinh) Phầnlớn ảnh viễn thám hiện nay được lưu trữ ở dạng 8 bit, một số ảnh vệ tinh có độphân giải cao có thể lưu trữ ở dạng 16 bit Ảnh vệ tinh được lưu trữ ở dạng 8 bit

sẽ có 256 cấp độ xám (0 – 255), 16 bit có 65536 cấp độ xám (0 – 65535)

Độ phân giải thời gian: là chu kỳ lặp lại của thiết bị thu tại một điểm/

vùng nào đó Tùy theo quỹ đạo và độ phân giải không gian mà vệ tinh sẽ có chu

kỳ lặp lại chụp một khu vực địa lý khác nhau (hàng ngày, hàng tuần,…) Chu kỳlặp càng ngắn, độ phân giải thời gian càng cao Ảnh được chia làm 3 loại: độphân giải cao: < 3 ngày, độ phân giải trung bình: 4 – 16 ngày, độ phân giải thấp:

16 ngày Ví dụ: Landsat: 16 ngày, SPOT: 26 ngày, IRS: 22 ngày Nhờ có sự lặplại này mà chúng ta có thể nghiên cứu sự biến động trong khu vực Tùy theomục đích nghiên cứu mà chọn loại ảnh có chu kỳ lặp lại nhanh hay chậm Ví dụ,tăng trưởng của cây trồng thì tùy theo giai đoạn sinh trưởng (8 – 16 ngày), cảnh

báo cháy rừng (theo dõi hàng ngày nếu có nguy cơ), sự phân bố dân cư (theo dõibiến động qua tổng hợp ảnh theo một thời gian dài),…

Độ phân giải phổ: cùng một vùng phủ mặt đất tương ứng, các pixel sẽ có

giá trị riêng biệt theo từng vùng phổ ứng với các bước sóng khác nhau Do đó,thông tin được cung cấp theo từng loại ảnh vệ tinh khác nhau không chỉ phụthuộc vào số bit dùng để ghi nhận, mà còn phụ thuộc vào phạm vi bước sóng

Độ phân giải phổ thể hiện bởi kích thước và số kênh phổ, bề phổ rộng hoặc sựphân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lớn các bước sóng cókích thước tương tự, cũng như tách biệt được các bức xạ từ nhiều vùng phổ khácnhau Độ phân giải phổ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khảnăng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật thể

(Vũ Danh Tuyên, Trịnh Lê Hùng, 2016)

1.1.2.4 Tổng quan về GIS

Theo ESRI, tập đoàn nghiên cứu và phát triển các phần mềm GIS nổi

tiếng, Hệ thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) là một tậphợp có tổ chức, bao gồm hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý

và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điềukhiển, phân tích, và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý

*Chức năng của GIS

- Thu thập dữ liệu: dữ liệu sử dụng trong GIS đến từ nhiều nguồn khác

nhau và GIS cung cấp công cụ để tích hợp dữ liệu thành một định dạng chung để

so sánh và phân tích

- Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được phân tích, GIS cung cấp các chức

năng lưu trữ và duy trì dữ liệu

- Phân tích không gian: là chức năng quan trọng nhất của GIS nó cung

cấp các chức năng như nội suy không gian, tạo vùng đệm, chồng lớp

- Hiển thị kết quả: GIS co nhiều cách hiển thị thông tin khác nhau.

Phương pháp truyền thống bằng bảng biểu và đồ thì được bổ sung với bản đồvới ảnh ba chiều Hiển thị trực quan là một trong những khả năng đáng chú ý

nhất của GIS, cho phép người sử dụng tương tác hữu hiệu với dữ liệu (Nguyễn Kim Lợi, Trần Thống Nhất, 2009)

1.1.2.5 Sự tương thích giữa ảnh viễn thám và GIS

a Dữ liệu viễn thám được xử lý và lưu trữ dưới dạng cấu trúc raster

Hai mô hình vector và raster thường được sử dụng trong GIS để lưu trữ

dữ liệu không gian, do đó việc tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS rất dễ dàngthực hiện

b Ảnh viễn thám chuyển đổi dễ dàng vào loại dữ liệu GIS mong muốn.

Với công nghệ hiện nay, các phần mềm của GIS đều có module chuyểnđổi mô hình dữ liệu từ vector sang raster bảo đảm tính chính xác và không mấtmát thông tin Ngoài ra chức năng chồng ghép các lớp dữ liệu cho phép tích hợp

và hiển thị đồng thời cả hai lớp vector và raster, đều này cho phép cập nhậtnhanh các lớp dữ liệu về giao thông, thủy hệ, trong dữ liệu nền, cũng như lớp dữliệu chuyên đề của GIS (hiện trạng sử dụng đất, biến đổi đường dọc bờ sông ) ởnhiều tỷ lệ khác nhau và cấp độ cập nhật khác nhau

c Dữ liệu viễn thám và dữ liệu GIS có cùng tọa độ tham chiếu.

Sự tương đồng giữa kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám và GIS đó là trong thực

tế cả hai kỹ thuật này đều xử lý dữ liệu không gian và có thể lập bản đồ số hóa.Điều này cho thấy yêu cầu dữ liệu trên cùng một khu vực sẽ có cùng tọa độtham chiếu, nên về khía cạnh cơ sở toán học dữ liệu tương ứng của hai côngnghệ sẽ tham chiếu cùng một hệ tọa độ và độ cao thống nhất Do đó tính hiệuquả trong vận hành, phân tích và hiển thị dữ liệu sẽ được nâng cao đáng kể chongười sử dụng, đồng thời đảm bảo tính thống nhất của dữ liệu

d Dữ liệu tích hợp tạo thuận lợi trong xây dựng và cập nhật dữ liệu.

Công nghệ viễn thám cho phép thành lập bản đồ tự động trong một phạm

vi rộng lớn và cập nhật nhanh dữ liệu Các thông tin chuyên đề tạo ra các dạng

số từ công nghệ viễn thám dễ dàng được tổ chức thành các lớp thông tin hợp lýcho việc lưu trữ, quản lý, phân tích, và hiện thị trong môi trường GIS Ngượclại nguồn dữ liệu có sẵn trong GIS luôn được cập nhật để đảm bảo tính hiệnthời nhằm phản ánh chính xác thế giới thực sẽ là nguồn thông tin bổ trợ rất tốtcho việc nắn chỉnh hình học, tạo dữ liệu mẫu, phân loại và đánh giá chất lượngsau khi xử lý ảnh Do đó giải pháp xử lý tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS làphối hợp ưu thế của hai công nghệ trong việc thu thập, lưu trữ, phân tích và xử

lý dữ liệu địa lý để nâng cao hiệu quả trong việc xây dựng và cập nhật dữ liệukhông gian

Trong quy trình trên cho thấy quy trình xử lý và giải đoán ảnh vệ tinh rất

ít sử dụng dữ liệu dạng vector, do đó các hệ thống xử lý ảnh viễn thám thườngkhông đủ chức năng xử lý dữ liệu vector như GIS Tuy nhiên những dữ liệudạng vector sẵn có trong GIS như điểm khống chế mặt đất rất cần thiết cho nắn

chỉnh hình học tạo bình độ ảnh, lớp polygon về ranh giới hành chính, loại hình

sử dụng đất rất quan trọng cho việc giải đoán ảnh Nói chung, độ chính xác vềkhông gian và thời gian của dữ liệu địa lý phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giảikhông gian và thời gian của ảnh vệ tinh được sử dụng và tùy thuộc vào lĩnh vựcứng dụng, công nghệ tích hợp viễn thám và GIS sẽ cập nhật hay xây dựng cơ sở

dữ liệu GIS có yêu cầu tương ứng với độ chính xác trên diện rộng và tiết kiệmrất nhiều công lao động và thời gian thực hiện

Trên phạm vi thế giới, các đề tài nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám vàGIS được ứng dụng rất cao

1.2 Cơ sở thực tiễn của các vấn đề nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong nghiên cứu “Contribution of Landsat TM Data for the Detection ofUrban Heat Islands Areas Case of Casablanca, Journal of GeographicInformation System” ( Hassan Rhinane, Atika Hilali, Hicham Bahi, AzizaBerrada, 2012) Tác giả thông qua dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 5 TM nhằm mụcđích ước lượng nhiệt độ mặt đất tại Casablanca (Morocco) Bằng cách sử dụngthuật toán cửa sổ đơn (Mono-window), thông qua dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 5

TM để tính ra nhiệt độ bề mặt đất, kết quả nghiên cứu cho thấy mối liên hệ chặtchẽ giữa nhiệt độ bề mặt đô thị và mật độ của các tòa nhà Từ nghiên cứu này,các nhà khoa học đã chỉ ra sự hình thành và gia tăng “đảo nhiệt đô thị” tạiCasablanca và vai trò của thực vật trong việc kiểm soát hiện tượng này

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, các đề tài nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám cũng đã đượcthực hiện và cũng rất thành công trong lĩnh vực này

Trong đề tài “Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong thành lập bản đồ hiệntrạng rừng ngập mặn Cần Giờ, TP.HCM” (Võ Minh Hoàn, 2017) Tác giả sửdụng ảnh vệ tinh Landsat 8 được chụp vào ngày 15/06/2017, kết hợp với số liệuđiều tra 179 ô mẫu thuộc 12 trạng thái rừng Áp dụng phương pháp phân loại tựđộng với phần mềm hỗ trợ là ECognition Developer để phân tách ảnh vệ tinh khuvực nghiên cứu thành 34.200 đối tượng, nghiên cứu đã thành lập bản đồ hiệntrạng với độ chính xác 83% Tổng diện tích rừng của khu vực nghiên cứu là33.672 ha, trong đó rừng trồng ngập mặn có diện tích lớn nhất 18.283 ha chiếm28,4% Rừng có trữ lượng nghèo chiếm diện tích lớn 19.51 ha, tương ứng 54,2%

Trong đề tài “Nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ bề mặt bằng dữ liệu ảnh đaphổ Landsat” (Trịnh Lê Hùng, 2013) Tác giả sử dụng dữ liệu ảnh đa phổLandsat ETM+ với độ phân giải không gian 30m ở các kênh đa phổ và 60m ởkênh hồng ngoại nhiệt Khu vực nghiên cứu được chọn là Hà Nội, nơi đang chịuảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiện tượng đảo nhiệt đô thị do sự phát triển quánóng của quá trình đô thị hóa cũng như sự suy giảm nhanh chóng thảm thực vật.Các ảnh được lựa chọn chụp vào 08/11/2007 và 05/11/2009 là thời gian mùakhô, ít bị ảnh hưởng của mây Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt từ dữ liệuảnh đa phổ Landsat Phân tích kết quả tính nhiệt độ bề mặt khu vực nghiên cứucho thấy, những vùng có nhiệt độ cao phân bố một cách cục bộ ở nội thành HàNội, trong khi các khu vực xung quanh không có sự thay đổi lớn.

Trong đề tài “Ứng dụng viễn thám theo dõi biến động đất đô thị của thànhphố Vinh, tỉnh Nghệ An” (Nguyễn Ngọc Phi, 2009) dung phương pháp phânloại gần đúng để phân ra 5 lớp đối tượng Điểm đáng chú ý của đề tài này là sửdụng kết hợp nhiều loại ảnh viễn thám như Landsat (1992,2000) và SPOT(2005) để tạo ra kết quả giải đoán, đồng thời có sự so sánh về độ chính xác, chitiết giữa các loại ảnh Với chỉ số Kappa – 0.9, dữ liệu SPOT có độ chính xác sauphân loại cao hơn hẳn so với Landsat (Kappa – 0.7)

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội thành phố Huế

- Xây dựng bản đồ lớp phủ, sử dụng đất

- Đánh giá biến động sử dụng đất

- Xây dựng bản đồ biến động lớp phủ, sử dụng đất

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài gồm 3 giai đoạn chính là xác định đề tài, thu thập dữ liệu; phântích, xử lý dữ liệu, tiến hành giải đoán; thành lập các bản đồ thực phủ các năm

2013, 2017, 2022 và bản đồ biến động lớp thực phủ giai đoạn 2013 – 2017, 2017– 2022, 2013 – 2022, tổng kết, thống kê, đánh giá kết quả Toàn bộ phương phápnghiên cứu được thể hiện trong hình 2.2

Hình 2.1 Phương pháp nghiên cứu

THU THẬP DỮ LIỆU

FILE RANH GIỚI HÀNH CHÍNH THÀNH PHỐ

DỮ LIỆU VIỄN THÁM (LANDSAT 8)

LẬP KHÓA GIẢI ĐOÁN

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MLC ĐỂ PHÂN LOẠI ẢNH

KHÔNG ĐẠT

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC

ĐẠT

BẢN ĐỒ THỰC PHỦ CÁC NĂM 2013, 2017,

2022

ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu

Ta cần thu thập các dữ liệu liên quan đến khu vực nghiên cứu

Bảng 2.1 Thu thập dữ liệu

1

ẢnhLandsat 8

năm 2013

LC08_LPTP_125049_20130206_20200

từ trang webhttps://earthexplorer.usgs.gov/

26/03/2013

2

ẢnhLandsat 8

năm 2017

LC08_LPTP_125049_20170214_20200905_02_T1

29/01/2017

3

ẢnhLandsat 8

năm 2022

LC08_LPTP_125049_20220225_20220304_02_T1

25/02/2022

- Bộ cảm nghiên cứu tài nguyên trái đất được thiết kế để thu nhận ảnh có

độ phân giải cao hơn, tách các phổ có độ nét cao hơn, cải thiện được độ chínhxác hình học và độ chính xác bức xạ khí quyển tốt hơn Những bộ cảm này đượcthiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với bộ cảm Landsat trước

(Theo cộng đồng GIS VIỆT) Trong khóa luận ảnh Landsat 8 dùng để thành lập

Để thuận tiện cho quá trình xử lý và phân loại ảnh ta gộp các kênh 5,4,3lại với nhau (độ phân giải 30m).

Tổ hợp màu hồng ngoại phục vụ giải đoán rất tốt cho các yếu tố phủ bềmặt, giao thông và thủy văn Bằng mắt thường có thể giải đoán tối đa các yếu tốmặt nước như ao hồ, kênh mương, sông suối với gam màu xanh lam nước biển

và màu xanh đen, các bãi bồi ven sông, cửa biển có màu xanh nhạt Màu xanhnhạt dạng tuyến là đường giao thông, màu trắng có dạng vùng thường là các khudân cư tập trung, khu đô thị, thành phố, nhà máy công nghiệp hay là các khu đấtnông nghiệp chưa canh tác Màu đỏ rực đặc trưng cho các vùng trồng rừng, màu

đỏ nâu hay đỏ sẫm là cây lâu năm, màu đỏ gạch non, màu đỏ tím, là các vùngtrồng lúa, màu hồng là vùng trồng rau màu Đất trồng có độ ẩm thường có màuxanh rêu Đặc trưng dễ nhận biết của tổ hợp màu hồng ngoại là ảnh có gam màu

đỏ vì lớp phủ thực vật phản xạ mạnh với kênh cận hồng ngoại Phương pháp tổhợp này có nhược điểm là gây ra sự cảm nhận sai về màu sắc so với cách nhậnbiết màu sắc tự nhiên của con người Tổ hợp màu tự nhiên rất dễ dàng nhận biết

ở mức khái quát hệ thống thủy văn có quy mô lớn, các tuyến giao thông quốc lộ,tỉnh lộ, các điểm dân cư đô thị Tuy nhiên khi giải đoán các chi tiết các đốitượng như ao hồ, kênh mương nhỏ, các trục đường giao thông nhánh, các yếu tốthực phủ thì rất khó phân biệt và dễ nhầm lẫn Cách tổ hợp màu hồng ngoại, rấthữu hiệu để có được nhiều thông tin từ ảnh vệ tinh hơn so với phương pháp tổ

hợp màu tự nhiên (Tạp chí khoa học và công nghệ lâm nghiệp số 1 – 2015, trang 78,79).

2.4.2.2 Cắt ảnh theo ranh giới hành chính

Thông thường trong một cảnh ảnh viễn thám thu được thường có diện tíchrất rộng ngoài thực địa, trong khi đối tượng nghiên cứu chỉ sử dụng một phầnhoặc diện tích nhỏ trong cảnh ảnh đó Để thuận tiện cho việc xử lý ảnh nhanh,tránh mất thời gian trong việc xử lý và phân loại ảnh tại những khu vực khôngcần thiết, cần cắt bỏ những phần thừa trong cảnh ảnh Một lớp dữ liệu ranh giớikhu vực nghiên cứu được sử dụng để cắt tách khu vực nghiên cứu của đề tài rakhỏi tờ ảnh

Hình 2.2 Ranh giới thành phố Huế 2.4.3 Giải đoán ảnh

Để thực hiện tốt quá trình giải đoán ảnh, phải xây dựng được khóa giảiđoán cho từng lớp phủ, giúp cho việc thiết lập, lựa chọn mẫu huấn luyện sau nàyđược nhanh chóng và chính xác Trong đề tài này, khóa giải đoán được xâydựng cho 5 loại lớp phủ mặt đất tại khu vực Thành phố Huế dựa trên tổ hợp màuthật được phát triển như bảng 2.2

Bảng 2.2 Khóa giải đoán ảnh cho khu vực nghiên cứu

Loại lớp

Yếu tố nhận dạng

Thảm

thực vật

Màu lục đến lụcđậm, cấu trúclốm đốm

Mặt

nước

Màu lam nhạtđến lam đậm,sông ngòithường có dạngtuyến

Đất

trống

Màu vàng đậmđến nâu, cấutrúc không xácđịnh

Lúa –

hoa màu

Màu lục nhạt,

có cấu trúc lốmđốm

Khu dân

cư

Màu trắng đếnxám, có cấu trúckhông xác định

2.4.4 Phương pháp Maximum Likelihood Classification (MLC)

Hệ thống phân loại thực phủ là một danh sách các lớp phủ mặt đất có mặtbên trong khu vực nghiên cứu mà có thể nhận diện hoàn toàn và đầy đủ từ ảnh

vệ tinh Việc phân loại các lớp phủ mặt đất có thành công hay không phần lớnphụ thuộc vào tính hợp lý của hệ thống phân loại Muốn vậy, hệ thống này cần

dễ hiểu và bao gồm tất cả các lớp phủ mặt đất có bên trong khu vực nghiên cứu.Tất cả các lớp trong hệ thống phân loại cần được định nghĩa rõ ràng để tránhnhầm lẫn và thường được nhóm theo cấp bậc để thuận tiện cho thành lập bản đồ

Có nhiều hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất được sử dụng Một trong số các hệthống phổ biến nhất là Hệ thống Phân loại Thực phủ và Sử dụng đất Hoa Kì(U.S Geological Survey Land Use/ Cover System) được phát minh bởi

Anderson et al (1976), với 4 cấp bậc (I, II, III, IV) Hệ thống này được thiết kế

cho việc sử dụng dữ liệu viễn thám và có thể ứng dụng cho toàn cầu Đối với dữliệu có ĐPGKG trung bình như Landsat, sử dụng hệ thống này có thể lập bản đồthực phủ ở mức độ chi tiết cấp II

Dựa vào đặc điểm khu vực nghiên cứu và mục tiêu của đề tài, một hệthống phân loại lớp phủ mặt đất cho khu vực Thành phố Huế được thành lập,dựa trên hệ thống Phân loại thực phủ và Sử dụng đất Hoa Kỳ, được phát minhbởi Anderson et al (1976), có kèm theo những biến đổi để phù hợp với khu vựcnghiên cứu:

Bảng 2.3 Hệ thống phân loại thực phủ của khu vực nghiên cứu

Khu dân cư

Loại hình sử dụng đất trải dài từ vùng có mật độ cao,đặc trưng bởi các cấu trúc đa đơn vị của vùng lõi đô thị,cho đến nơi có mật độ thấp, vùng ngoại vi đô thị

Lúa – hoa màu Đất sử dụng rộng rãi cho mục đích sản xuất lương thựcvà lấy sợi.

Thảm thực vật

Đất có mật độ che phủ từ 10% trở lên, gồm các cây cókhả năng lấy gỗ hoặc các sản phẩm khác, có ảnh hưởngđến chế độ nước hoặc khí hậu

Mặt nước

Là khu vực liên tục được bao phủ bởi nước, với điềukiện, nếu tuyến tính, có chiều rộng tối thiểu là 200m,nếu được mở rộng có thể bao phủ một diện tích 16ha

Đất trống

Là vùng đất có dưới 1/3 diện tích được bao phủ bởithực vật, bao gồm cả đất trồng trọt trước hoặc sau thuhoạch, đất bỏ hoang, đất cằn cỗi, nghĩa trang, bãi rác,…

Phân loại gần đúng nhất (Maximum Likelihood Classification – MLC)được áp dụng khá phổ biến và được xem như là thuật toán chuẩn để so sánh với

các thuật toán khác được sử dụng trong xử lý ảnh viễn thám (Lê Văn Trung, 2010), phương pháp này được các nhà phân loại sử dụng nhiều nhất trong các

công trình nghiên cứu thảm phủ Mỗi pixel được tính xác suất thuộc vào mộtloại nào đó và nó được chỉ định gán tên loại mà xác suất thuộc vào loại đó là lớn

nhất (Lê Văn Trung, 2010) Minh họa cho phương pháp này được thể hiện trong

hình 2.3

Hình 2.3 Phương pháp phân loại gần đúng nhất

Phương pháp phân loại gần đúng nhất được xây dựng dựa trên cơ sở giả

thiết hàm mật độ xác suất tuân theo luật phân bố chuẩn (Lê Văn Trung, 2010),

do đó hàm phân bố của dữ liệu ảnh phải tuân theo luật phân bố chuẩn Gauss

2.4.5 Đánh giá độ chính xác của phương pháp phân loại

Sử dụng Arcmap so sánh với Google Earth Với tổng cộng 100 điểm mẫu,được chia thành 5 loại thực phủ khác nhau là khu dân cư, mặt nước, đất trống,lúa – hoa màu và thảm thực vật