ứng dụng công nghệ viễn thám và gis trong thành lập bản đồ lớp phủ huyện ba vì, thành phố hà nội

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Chí Thịnh ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ HUYỆN BA VÌ, THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Chí Thịnh ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ HUYỆN BA VÌ, THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Bản đồ Viễn thám và Hệ thống thông tin Địa lý Mã số: 60 44 76 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. PHẠM QUANG TUẤN Hà Nội - 2012 iv MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG………………………………………………………………… vi DANH MỤC HÌNH………………………………………………………………… vii MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1 CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ……… 3 1.1. Tổng quan về bản đồ lớp phủ 3 1.1.1. Khái niệm, mục đích, yêu cầu 3 1.1.2. Cơ sở toán học và độ chính xác của bản đồ lớp phủ 5 1.1.3. Nội dung và nguyên tắc biểu thị các yếu tố nội dung bản đồ lớp phủ 7 1.1.4. Các phương pháp thể hiện nội dung của bản đồ lớp phủ 10 1.1.5. Phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ 11 1.2. Cơ sở khoa học của việc thành lập bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý 13 1.2.1. Hệ thống viễn thám 14 1.2.2. Sai số của ảnh viễn thám và phương pháp xử lý 18 1.2.3. Cấu trúc của GIS 20 1.2.4. Chức năng của GIS 23 1.2.5. Cơ sở dữ liệu trong GIS 23 1.2.6. Xây dựng chìa khóa giải đoán cho các đối tượng trên bề mặt 26 CHƯƠNG 2 - QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG ẢNH VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ……………………………………….………… 27 2.1. Khái quát về các loại ảnh vệ tinh và đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 27 2.1.1. Tính chất và đặc điểm kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh 27 2.1.2 Đặc tính phản xạ phổ của một số nhóm đối tượng tự nhiên 32 2.2. Phương pháp viễn thám trong việc thành lập bản đồ lớp phủ 39 2.2.1. Phương pháp đoán đọc điều vẽ ảnh bằng mắt 40 2.2.2. Phương pháp giải đoán ảnh bằng xử lý số 44 2.3. Quy trình công nghệ ứng dụng ảnh viễn thám và GIS thành lập bản đồ lớp phủ 47 v 2.3.1. Quy trình công nghệ xử lý ảnh vệ tinh, thành lập bình đồ ảnh 49 2.3.2. Quy trình xác định lớp phủ trên mặt đất bằng công nghệ viễn thám và GIS 51 2.3.3. Quy trình biên tập tổng hợp và đóng gói bản đồ lớp phủ 54 CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ HUYỆN BA VÌ, THÀNH PHỐ HÀ NỘI…………………56 3.1. Điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội 56 3.1.1. Vị trí địa lý 56 3.1.2. Điều kiện tự nhiên 56 3.1.3. Điều kiện kinh tế xã hội 68 3.2. Thực nghiệm thành lập bản đồ lớp phủ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội tỷ lê 1: 50.000 73 3.2.1. Thu thập phân tích xử lý số liệu 73 3.2.2. Xử lý ảnh vệ tinh, thành lập bình đồ ảnh 74 3.2.3. Đánh giá, kiểm tra độ chính xác của kết quả phân loại 86 3.2.4. Điều vẽ ảnh, biên tập tổng hợp, hoàn thiện bản đồ 88 3.3. Đặc điểm lớp phủ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội và định hướng phát triển kinh tế xã hội 88 3.3.1. Đặc điểm lớp phủ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội 88 3.3.2. Hiện trạng tổ chức không gian 90 3.3.3. Định hướng phát triển kinh tế xã hội 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………… 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO.……………………………………………………………98 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các khoanh đất phải thể hiện trên bản đồ lớp phủ 10 Bảng 2.1. Phân loại ảnh vệ tinh quang học theo kích thước pixel thực địa 27 Bảng 2.2. Các kênh và độ phân giải của ảnh vệ tinh SPOT 4 29 Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu về dân số huyện Ba Vì 2000-2010 69 Bảng 3.2. Một số chỉ tiêu về lao động giai đoạn 2000-2010 70 Bảng 3.3. Mẫu khóa giải đoán ảnh 84 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hệ thống viễn thám 14 Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống thu nhận ảnh dạng “khung” 16 Hình 1.3. Méo ảnh tổng hợp 19 Hình 1.4. Méo hình do các nguyên tố định hướng ngoài 19 Hình 1.5. Mô hình tổ chức của HTTTĐL 20 Hình 2.1. Vệ tinh SPOT 28 Hình 2.2. Vệ tinh IKONOS 30 Hình 2.3. Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên 34 Hình 2.4. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật…………………………………… 35 Hình 2.5. Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng……………………………… ….36 Hình 2.6. Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước…………………………… ….38 Hình 2.7. Quy trình công nghệ thành lập bản đồ lớp phủ từ ảnh viễn thám và GIS… 47 Hình 2.8. Quy trình công nghệ xử lý ảnh vệ tinh, thành lập bình đồ ảnh 49 Hình 2.9. Quy trình xác định lớp phủ bằng công nghệ viễn thám 51 Hình 2.10. Quy trình công nghệ biên tập tổng hợp và đóng gói bản đồ lớp phủ… 54 Hình 3.1. Biến trình nhiệt độ trung bình năm theo độ cao trên núi Ba Vì 62 Hình 3.2. Biểu đồ lượng mưa trung bình năm tại các trạm đo 63 Hình 3.3. Biểu đồ thể hiện sự tăng lượng mưa theo độ cao trên núi Ba Vì 63 Hình 3.4. Biểu đồ thể hiện lượng mưa trung bình tháng tại trạm đo Ba Vì 64 Hình 3.5. Bản đồ ảnh SPOT4 khu vực huyện Ba Vì 74 Hình 3.6. Giao diện phần mềm xử lý ảnh ENVI 4.5 76 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý nắn ảnh số 77 Hình 3.8. Các thông số trích điểm 79 Hình 3.9. Ảnh kết quả sau khi nắn chỉnh 80 Hình 3.10. Cắt ảnh theo địa giới hành chính……………………………….………81 Hình 3.11. Lấy mẫu trên ảnh 83 Hình 3.12. Độ tách biệt giữa các mẫu phân loại 85 Hình 3.13. Sản phẩm ảnh sau khi được phân loại 86 Hình 3.14. Ma trận sai số tương quan chéo 87 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Công nghệ thông tin đã và đang phát triển mạnh mẽ, thâm nhập hầu hết các ngành khoa học, các hoạt động thực tiễn và nghiên cứu. Các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến của công nghệ điện tử, viễn thông và tin học đã tạo ra những bước đột phá mới trong công nghệ viễn thám và GIS. Ảnh vệ tinh với hàm lượng thông tin lớn, được thu nhận trên nhiều dải sóng đang là nguồn dữ liệu phong phú và trực quan giúp cho các nghiên cứu về bề mặt và các quá trình tự nhiên trên mặt đất một cách hiệu quả. Công nghệ xử lý, phân tích và suy giải các đối tượng địa lý nhất là lớp phủ bề mặt đã có nhiều tiến bộ. Vì thế phương pháp xây dựng thành lập bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám và GIS là một phương pháp hiện đại, có nhiều ưu thế vượt trội so với các phương pháp truyền thống như tiết kiệm kinh phí, thời gian, sức lao động và đảm bảo độ chính xác cao. Nó trở thành một nhu cầu thiết yếu trong công tác nghiên cứu khoa học, đặc biệt là nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên và xã hội. Trong đó, các loại tài nguyên đất, nước và các vấn đề môi trường là một trong những hướng được quan tâm nhiều. Việc xây dựng bản đồ lớp phủ sẽ là cơ sở cho công tác quy hoạch tổng thể kinh tế xã hội của địa phương. Từ các lợi thế nêu trên của ảnh viễn thám và GIS trong công tác thành lập bản đồ nói riêng và giám sát tài nguyên thiên nhiên nói chung, đề tài “Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ lớp phủ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn phục vụ công tác quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế xã hội của huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác lập cơ sở khoa học cho việc thành lập bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám và GIS lấy ví dụ cho việc thành lập bản đồ lớp phủ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về bản đồ lớp phủ, ảnh vệ tinh và hệ thống thông tin địa lý (GIS); - Nghiên cứu về công nghệ viễn thám và GIS trong công tác thành lập bản đồ lớp phủ; - Nghiên cứu về các đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên; - Xây dựng quy trình thành lập bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám và GIS; - Thực nghiệm thành lập bản đồ lớp phủ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp khảo sát, điều tra tổng hợp - Phương pháp bản đồ viễn thám và GIS - Phương pháp chuyên gia - Phương pháp điều tra nhanh 5. Tài liệu để thực hiện luận văn - Bản đồ địa hình huyện Ba Vì, TP Hà Nội tỷ lệ 1: 25.000; - Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2010 huyện Ba Vì; - Ảnh vệ tinh SPOT4 chụp tháng 10 năm 2012. 3 CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1. Tổng quan về bản đồ lớp phủ 1.1.1. Khái niệm, mục đích, yêu cầu Lớp phủ đất là đối tượng nghiên cứu của nhiều ngành như nông nghiệp, lâm nghiệp, môi trường, … nên có rất nhiều định nghĩa về lớp phủ đất. Thư viện Dữ liệu tài nguyên thiên nhiên Australia định nghĩa: Lớp phủ đất là bề mặt vật lý của Trái đất bao gồm các loài thực vật bản địa, đất, đá lộ thiên và nước, cũng như các yếu tố nhân tạo như lâm nghiệp, nông nghiệp và xây dựng. Lớp phủ đất thường được phân biệt bởi các mẫu đặc trưng trong phương pháp viễn thám. Khả năng để đo đạc và báo cáo xu hướng biến động lớp phủ mặt đất qua thời gian là rất quan trọng. (http://adl.brs.gov.au/landuse/index.cfm?fa=main.landcover). Theo cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ (NOAA), các khái niệm lớp phủ đất và sử dụng đất thường được sử dụng thay thế cho nhau nhưng thực tế các khái niệm này là rất khác biệt. Theo đó, lớp phủ đất là cảnh quan được ghi lại gồm những thành phần bề mặt bao gồm: rừng, nước, thực vật, các loại đất, đá và cơ sở hạ tầng đô thị (những công trình kiến trúc bao trùm bề mặt đất) hiện diện và quan sát được. Lớp phủ đất có thể được ghi nhận và được nội suy bằng ảnh vệ tinh và ảnh hàng không. Sử dụng đất được định nghĩa là các hoạt động kinh tế xã hội tại một đơn vị lãnh thổ, nhưng các hoạt động này có hoặc không được thể hiện như các đặc tính của lớp phủ đất. (http://www.csc.noaa.gov/crs/lca/whylca.html) Theo định nghĩa của Cục Lâm nghiệp Canada: Lớp phủ đất là những đối tượng quan sát được, có tính chất vật lý và sinh học bao trùm bề mặt đất như thực vật hoặc các yếu tố nhân tạo. 4 (http://carbon.cfs.nrcan.gc.ca/definition/93?lang=en_CA). Theo Tổ chức Nông lương Thế giới (FAO): Lớp phủ đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc được trồng cấy) và các công trình nhân tạo (nhà cửa, đường giao thông…) bao phủ bề mặt mặt đất. Mặt nước, băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất (FAO, 1997). Các định nghĩa trên về lớp phủ đất đều thống nhất với nhau ở một số điểm sau: - Là sự biểu thị khách quan các đối tượng trên bề mặt Trái đất - Có thông tin định lượng về kích thước đối tượng; - Có thông tin xác định về tính chất đối tượng; - Có thông tin về nguồn gốc đối tượng. Khác với lớp phủ đất, sử dụng đất là khái niệm được xây dựng dựa theo chức năng, mục đích sử dụng đất. Do vậy, một loại hình sử dụng đất có thể được định nghĩa là một tập hợp các hành động được thực hiện nhằm cung cấp một hay nhiều hơn loại hàng hóa hoặc dịch vụ. Một loại hình sử dụng đất có thể có ở nhiều mảnh đất khác nhau hoặc trên một mảnh đất có thể có nhiều loại hình sử dụng đất khác nhau (FAO, 1997). Định nghĩa về sử dụng đất theo cách này cung cấp cơ sở cho việc đánh giá tác động kinh tế và môi trường chính xác, định lượng, cho phép các phân biệt chính xác giữa các loại hình sử dụng đất khác nhau. Thành lập bản đồ lớp phủ đất là quan trọng đối với công tác quy hoạch và quản lý tài nguyên. Thành lập bản đồ lớp phủ là một công cụ cần thiết cho các nhà quản lý tài nguyên thiên nhiên trong việc bảo vệ môi trường sống và kế hoạch chống suy thoái trong tương lai. Xác định độ che phủ đất là cơ sở để thực hiện hoạt động giám sát tài nguyên. Sự thay đổi độ che phủ đất là thước đo trực tiếp đối với chất lượng môi trường sống (Dobson và nnk, 1995). Dữ liệu mô tả các đặc điểm và vị trí của lớp phủ đất có mối liên quan đến việc xác định diện tích đất và tài nguyên nước tương ứng, một nhu cầu quan trọng hiện nay. Lớp phủ đất và biến động lớp phủ đất [...]... đồ bản đồ: Sử dụng để biểu thị sự phân phối của các đối tượng nào đó bằng các biểu đồ được bố trí trên bản đồ trong các đơn vị lãnh thổ và biểu thị một đại lượng tổng số của đối tượng trong phạm vi đơn vị lãnh thổ tương ứng Dùng để thể hiện tổng số cơ cấu đất đai theo tính chất sử dụng trên lãnh thổ thành lập bản đồ 1.1.5 Phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ Có rất nhiều phương pháp thành lập bản đồ. .. thước và loại hình sử dụng đất của từng khoanh đất  Đáp ứng đồng bộ và hiệu quả các yêu cầu cấp bách của công tác kiểm kê đất đai và quy hoạch sử dụng đất 1.1.2 Cơ sở toán học và độ chính xác của bản đồ lớp phủ Hệ quy chiếu Bản đồ lớp phủ sử dụng hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia Việt Nam 2000 5 Tỷ lệ bản đồ Tỷ lệ của bản đồ lớp phủ được lựa chọn dựa vào; kích thước, diện tích, hình dạng của đơn vị hành... được nắn chỉnh thành sản phẩm ảnh trực giao; 1.2 Cơ sở khoa học của việc thành lập bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý Việc lựa chọn các phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ phụ thuộc vào mục đích, yêu cầu, điều kiện từng địa phương, tài liệu thu thập được, chất lượng tài liệu, trang thiết bị, trình độ cán bộ chuyên môn, cấp đơn vị hành chính, tỷ lệ bản đồ Ảnh vệ tinh... điều kiện sử dụng tư liệu ảnh máy bay và ảnh vệ tinh với công nghệ truyền thống hoặc công nghệ hiện đại để lập các bản đồ chuyên đề, trong đó có bản đồ lớp phủ Ảnh hàng không và ảnh vệ tinh phản ánh trung thực, khách quan hiện trạng ở mặt đất tại thời điểm bay chụp, do đó nó rất phù hợp với yêu cầu của bản đồ lớp phủ Phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh kết hợp với điều vẽ thực địa là được sử dụng rộng rãi... trên bản đồ lớp phủ Tỷ lệ bản đồ Diện tích khoanh đất trên bản đồ Từ 1/1000 đến 1/10.000 ≥ 16 mm2 Từ 1/25.000 đến 1/100.000 ≥ 9 mm2 Từ 1/250.000 đến 1/1.000.000 ≥ 4 mm2 Chỉ tiêu phân loại các loại lớp phủ trên bản đồ lớp phủ phụ thuộc vào mục đích, yêu cầu, tỷ lệ của bản đồ cần thành lập Bản đồ lớp phủ tạm chia làm 2 nhóm lớp phủ cơ bản: Nhóm lớp phủ tự nhiên: là các đối tượng có tính chất tự nhiên như:... quy phạm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất 6 1.1.3 Nội dung và nguyên tắc biểu thị các yếu tố nội dung bản đồ lớp phủ a Các yếu tố nội dung cơ sở địa lý Lưới kilômét hoặc lưới kinh, vĩ tuyến: Trên bản đồ lớp phủ phải thể hiện lưới km hoặc lưới kinh vĩ độ Bản đồ tỷ lệ 1/25.000 biểu thị lưới kilômét, với kích thước ô lưới kilômét là 8 cm x 8 cm; Bản đồ tỷ lệ 1/50.000, 1/100.000, 1/250.000 và 1/1.000.000... tinh phản ánh khách quan lớp phủ và cho phép xác định nhiều loại hình sử dụng đất qua các dấu hiệu nhận biết gián tiếp  Là mô hình của bề mặt trái đất có dạng thông tin tương tự và ở dạng số, và chúng đều có bản chất rất gần với bản đồ Như vậy tư liệu ảnh vệ tinh là tài liệu rất tốt để thành lập các loại bản đồ lớp phủ Do đó việc lựa chọn phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ từ ảnh vệ tinh mang tính... bằng, vùng đồi núi) và tỷ lệ bản đồ Đối với bản đồ lớp phủ cấp tỉnh dáng đất được thể hiện bằng đường bình độ và điểm độ cao ở vùng đồng bằng, ở khu vực trung du, miền núi có độ dốc lớn dáng đất thể hiện điểm độ cao đặc trưng và đường bình độ cái tuỳ theo khu vực và tỷ lệ bản đồ Đối với bản đồ lớp phủ vùng địa lý tự nhiên - kinh tế và cả nước dáng đất thể hiện bằng đường bình độ cái theo bản đồ địa hình... nhiên… Nhóm lớp phủ nhân tạo như: rừng trồng, cây xanh trong khu dân cư, vùng canh tác nông nghiệp, vùng nuôi trồng thủy sản, khu công nghiệp, khu dân cư… 1.1.4 Các phương pháp thể hiện nội dung của bản đồ lớp phủ Các phương pháp thể hiện nội dung của bản đồ lớp phủ là ngôn ngữ thể hiện truyền đạt toàn bộ những thông tin chứa đựng trên bản đồ lớp phủ Phương pháp này xác định đối tượng lớp phủ đất và vị trí... phương pháp sử dụng ảnh máy bay và ảnh vệ tinh là cho phép thể hiện đầy đủ, chi tiết các nội dung của bản đồ Ở những vùng điều kiện địa vật, địa hình quá phức tạp như trung du, miền núi, việc tận dụng triệt để các tư liệu ảnh hiện có để thành lập bản đồ là phương pháp được ưu tiên trong việc lựa chọn phương pháp công nghệ để xây dựng bản đồ lớp phủ đem lại hiệu quả cao hơn, giảm chi phí và thời gian . viễn thám và GIS 51 2.3.3. Quy trình biên tập tổng hợp và đóng gói bản đồ lớp phủ 54 CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ HUYỆN BA VÌ, THÀNH PHỐ HÀ NỘI…………………56. ảnh viễn thám và GIS trong công tác thành lập bản đồ nói riêng và giám sát tài nguyên thiên nhiên nói chung, đề tài Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ lớp phủ huyện Ba. Xác lập cơ sở khoa học cho việc thành lập bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám và GIS lấy ví dụ cho việc thành lập bản đồ lớp phủ huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. 2 3. Nhiệm vụ nghiên