Xác định sự thay đổi pớp phủ đất bằng tư liệu viễn thám và hệ thống thông tin địa lý giai đoạn 2003 2010 thành phố vĩnh yên tỉnh vĩnh phúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN KHẮC NĂNG XÁC ðỊNH SỰ THAY ðỔI LỚP PHỦ ðẤT BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ GIAI ðOẠN 2003 – 2010 THÀNH PHỐ VĨNH YÊN, TỈNH VĨNH PHÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN KHẮC NĂNG XÁC ðỊNH SỰ THAY ðỔI LỚP PHỦ ðẤT BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ GIAI ðOẠN 2003 – 2010 THÀNH PHỐ VĨNH YÊN, TỈNH VĨNH PHÚC CHUYÊN NGÀNH : QUẢN LÝ ðẤT ðAI Mà SỐ : 60.85.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. PHẠM VỌNG THÀNH HÀ NỘI - 2013 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn Nguyễn Khắc Năng Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Phạm Vọng Thành – người ñã hướng dẫn, giúp ñỡ rất tận tình trong thời gian tôi thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Trắc ñịa bản ñồ, Bộ môn Hệ thống thông tin ñất ñai, Khoa Quản lý ñất ñai, Khoa Môi trường ñã giảng dạy, ñóng góp ý kiến, tạo ñiều kiện cho tôi học tập và hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn Bố, Mẹ, người thân trong gia ñình và bạn bè ñã làm chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi học tập và công tác. Tác giả luận văn Nguyễn Khắc Năng Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ðẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 3 1.1. Khái quát về lớp phủ mặt ñất 3 1.1.1. Lớp phủ mặt ñất 3 1.1.2. Phân loại lớp phủ mặt ñất 3 1.1.3. Hệ phân loại lớp phủ - FAO Land Cover Classification System 4 1.1.4. Biến ñộng lớp phủ mặt ñất 6 1.1.5. Một số phương pháp nghiên cứu biến ñộng lớp phủ mặt ñất. 9 1.2. Khái quát về viễn thám 12 1.2.1. Khái niệm chung về viễn thám 12 1.2.2. Một số vệ tinh và tư liệu ảnh viễn thám 15 1.2.3. ðặc trưng phản xạ phổ của các ñối tượng tự nhiên 21 1.2.4. Phân loại ảnh viễn thám 25 1.2.5. Một số thuật toán phân loại ảnh số thông dụng 29 1.2.6. Ứng dụng công nghệ viễn thám 32 1.3. Hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) 33 1.3.1. ðịnh nghĩa về GIS 33 1.3.2. Các thành phần chính của GIS 35 1.3.3. Ứng dụng của hệ thống thông tin ñịa lý trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường 36 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về kết hợp viễn thám và hệ thống thông tin ñịa lý 37 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS trên thế giới 37 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp iv 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS ở Việt Nam 39 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43 2.1. ðối tượng và ñịa ñiểm nghiên cứu 43 2.2. Nội dung nghiên cứu 43 2.3. Phương pháp nghiên cứu 43 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu: 43 2.3.2. Phương pháp xử lý ảnh và lập bản ñồ 44 2.3.3. Phương pháp thống kê 44 2.3.4. Phương pháp chuyên gia 44 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 45 3.1. ðiều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc 45 3.1.1. Vị trí ñịa lý 45 3.1.2. ðặc ñiểm ñịa hình 46 3.1.3. Khí hậu 46 3.1.4. Thuỷ văn 46 3.1.5. Các nguồn tài nguyên 47 3.1.6. Thực trạng phát triển kinh tế xã hội 50 3.1.7. Dân số 54 3.2. Mô tả dữ liệu thu thập 54 3.3. Xử lý ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu. 54 3.3.1. Nhập ảnh. 54 3.3.2. Tăng cường chất lượng ảnh, cắt ảnh theo ranh giới 55 3.3.3. Phân loại ảnh vệ tinh thành phố Vĩnh Yên 55 3.3.4. ðánh giá ñộ chính xác kết quả phân loại ảnh 62 3.3.5. Một số kỹ thuật sau phân loại 65 3.4. Thành lập bản ñồ lớp phủ và xác ñịnh biến ñộng lớp phủ giai ñoạn 2003 – 2010 thành phố Vĩnh Yên. 66 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp v 3.4.1. Thành lập bản ñồ lớp phủ thành phố Vĩnh Yên các năm 2003, 2010. 66 3.4.2. Thành lập bản ñồ biến ñộng lớp phủ ñất thành phố Vĩnh Yên giai ñoạn 2003 – 2010. 70 3.4.3. Xác ñịnh biến ñộng lớp phủ mặt ñất thành phố Vĩnh Yên giai ñoạn 2003 - 2010 71 3.5. Nhận xét về kết quả thực nghiệm 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại lớp phủ mặt ñất theo FAO 5 Bảng 1.2: Các thế hệ vệ tinh Landsat 16 Bảng 1.3: Các ñặc trưng chính của bộ cảm vệ tinh IKONOS 20 Bảng 1.4: Một số thông số của ảnh QuickBird 21 Bảng 3.1: Hiện trạng sử dụng ñất năm 2010 thành phố Vĩnh Yên 48 Bảng 3.2: Dân số và cơ cấu dân số của thành phố Vĩnh Yên giai ñoạn 2003 – 2010 54 Bảng 3.3. Mô tả các loại lớp phủ ñất 58 Bảng 3.4: Mẫu giải ñoán ảnh 60 Bảng 3.5: Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2003 63 Bảng 3.6: Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2010 64 Bảng 3.7: Thống kê diện tích lớp phủ ñất của thành phố Vĩnh Yên 66 Bảng 3.8 : Bảng biến ñộng diện tích lớp phủ mặt ñất giai ñoạn 2003 – 2010 thành phố Vĩnh Yên 71 Bảng 3.9: Biến ñộng diện tích từng loại lớp phủ giai ñoạn 2003 – 2010 thành phố Vĩnh Yên 72 Bảng 3.10: Thống kê diện tích biến ñộng trong giai ñoạn 2003 - 2010 73 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Phương pháp so sánh sau phân loại 10 Hình 1.2: Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh ña thời gian 10 Hình 1.3: Phương pháp phân tích vector thay ñổi phổ 11 Hình 1.4: Nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh 13 Hình 1.5: Vệ tinh ñịa tĩnh và vệ tinh quỹ ñạo cực 14 Hình 1.6: Các kênh sử dụng trong viễn thám 15 Hình 1.7: Ảnh Quần ñảo Mergui, Myanmar (Landsat 5 chụp 14/12/2004) 17 Hình 1.8: Ảnh Toulouse, France (Ảnh SPOT 6 chụp 2/11/2012) 19 Hình 1.9: ðặc ñiểm phổ phản xạ của các ñối tượng tự nhiên chính 21 Hình 1.10: Khả năng phản xạ và hấp thụ của thực vật 22 Hình 1.11: Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước 23 Hình 1.12: ðặc trưng phản xạ phổ của thổ nhưỡng 25 Hình 1.13: Thuật toán Maximum Likelihood 30 Hình 1.14: Thuật toán Minimum Distance 31 Hình 1.15: Thuật toán Parallelpiped 32 Hình 1.16: Một bản ñồ GIS là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin 34 Hình 1.17: Thành phần chính của một hệ GIS 35 Hình 3.1 Sơ ñồ hành chính thành phố Vĩnh Yên 45 Hình 3.2: Ảnh năm 2003(a), năm 2010 (b) cắt theo ranh giới 55 thành phố Vĩnh Yên 55 Hình 3.3: Ảnh một số vị trí lấy mẫu ngoài thực ñịa 58 Hình 3.4: Kết quả so sánh sự khác biệt của các mẫu phân loại trên ảnh 2003 59 Hình 3.5: Kết quả so sánh sự khác biệt của các mẫu phân loại trên ảnh 2010 59 Hình 3.6: Ảnh phân loại thành phố Vĩnh Yên năm 2003 61 Hình 3.7: Ảnh phân loại thành phố Vĩnh Yên năm 2010 61 Hình 3.8: Biểu ñồ cơ cấu lớp phủ năm 2003 66 Hình 3.9: Biểu ñồ cơ cấu lớp phủ năm 2010 67 Hình 3.10: Biểu ñồ so sánh diện tích các lớp phủ ñất trong năm 2003, 2010 của thành phố Vĩnh Yên 67 Hình 3.11: Sơ ñồ lớp phủ thành phố Vĩnh Yên năm 2003 68 Hình 3.13: Sơ ñồ biến ñộng lớp phủ thành phố Vĩnh Yên giai ñoạn 2003 – 2010 70 Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp 1 MỞ ðẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Quá trình ñô thị hóa mạnh mẽ cùng với sự gia tăng dân số ñã dẫn tới sự thay ñổi lớn trong hiện trạng sử dụng ñất ở hầu hết các tỉnh thành ở Việt Nam, thành phố Vĩnh Yên cũng không nằm ngoài quá trình ñó. Trong những năm gần ñây, tốc ñộ ñô thị hóa ở thành phố Vĩnh Yên diễn ra rất nhanh. ðất nông nghiệp nhanh chóng bị thu hẹp ñể nhường chỗ cho các loại hình khác như các khu dân cư, các khu công nghiệp, các công trình công cộng khác. Việc nghiên cứu biến ñộng trên diện rộng và thời gian dài là vấn ñề cần thiết cho các cơ quan quản lý của thành phố. Ba thập kỷ gần ñây, công nghệ và phương pháp viễn thám phát triển hết sức nhanh chóng với sự xuất hiện của các ñầu thu phát ñời mới, nhờ ñó ảnh thu ñược có ñộ phủ rộng ở các tỷ lệ và ñộ phân giải ngày càng lớn, góp phần hữu ích phục vụ cho quản lý và giám sát trong công tác quản lý và dự báo lớp phủ mặt ñất. Bằng công nghệ này cho phép chúng ta cập nhật thông tin, tiến hành nghiên cứu một cách nhanh chóng, hiệu quả, tiết kiệm ñược thời gian và công sức, các tư liệu hiện nay ñi ñôi với việc giảm giá thành là tăng ñộ phân giải. Sự phát triển công nghệ viễn thám tạo ra ảnh hưởng tích cực ñến các tổ chức ñiều phối và giám sát mặt ñất bao gồm giám sát sự biến ñộng sử dụng ñất và lớp phủ bề mặt. Công nghệ hiện nay còn cho phép lựa chọn và phân tích dữ liệu bởi hiệu chỉnh tán xạ mặt ñất, khí quyển, quỹ ñạo vệ tinh. Việc kết hợp dữ liệu GPS, GIS, chức năng phân tích không gian trong GIS, và môt số mô hình khác càng tăng thêm tính xác thực của kết quả. Vì vậy, tư liệu viễn thám là một nguồn số liệu rất có giá trị ñể chiết tách các thông tin lớp phủ bề mặt. Mục tiêu sử dụng tư liệu viễn thám và các công cụ khác trong giám sát sự biến ñổi lớp phủ là hết sức cần thiết, ñúng ñắn và hữu ích. Các cơ quan hoạch ñịnh kế hoạch và giám sát lớp phủ có trách nhiệm, nghĩa vụ trong việc này nhưng khả năng của họ bị hạn chế bởi thông tin mới về loại hình và tốc ñộ biến ñổi lớp phủ, thậm chí hạn chế cả thông tin về các cấu thành như nguyên nhân, phân bố, tốc ñộ biến ñộng lớp phủ. [...]... n lý và ho ch ñ nh ñưa ra nh ng chính sách phù h p ñ m b o phát tri n b n v ng Chính vì các lý do trên, tác gi ch n ñ tài: Xác ñ nh s thay ñ i l p ph ñ t b ng tư li u vi n thám và h th ng thông tin ñ a lý giai ño n 2003 – 2010 thành ph Vĩnh Yên t nh Vĩnh Phúc. ” 2 M c ñích c a ñ tài Xác ñ nh s thay ñ i l p ph ñ t trên ñ a bàn thành ph Vĩnh Yên – t nh Vĩnh Phúc trong giai ño n 2003 – 2010 b ng nh v tinh... b ng nh v tinh ña th i gian và h th ng thông tin ñ a lý 3 Yêu c u c a ñ tài - B n ñ l p ph m t ñ t năm 2003, năm 2010 ph i k t h p phương pháp gi i ñoán nh v tinh và phương pháp ñ i soát th c ñ a - Thành l p ñư c b n ñ l p ph m t ñ t năm 2003 và 2010, b n ñ bi n ñ ng l p ph m t ñ t giai ño n 2003 – 2010, t l 1/25000; các b n ñ thành l p trong h t a ñ VN-2000 có ñ chính xác cao Trư ng ð i H c Nông Nghi... sóng nhìn th y ph thu c ch y u vào s ph n x t b m t v t th và b m t Trái ñ t Các thông tin v v t th ñư c xác ñ nh t các ph ph n x Hình 1.6: Các kênh s d ng trong vi n thám 1.2.2 M t s v tinh và tư li u nh vi n thám 1.2.2.1 V tinh Landsat Vào năm 1967, t ch c hàng không và v tinh qu c gia (NASA) ñư c s h tr c a B n i v M ñã ti n hành chương trình nghiên c u thăm dò tài nguyên trái ñ t Earth Resources... ph s ngày càng d dàng và chính xác hơn Thành ph Vĩnh Yên là trung tâm chính tr , kinh t , văn hóa c a t nh Vĩnh Phúc, có di n tích 5081,27 ha, dân s năm 2010 là 95.682 ngư i Trong nh ng năm qua, quá trình ñô th hóa di n ra nhanh, nhi u di n tích ñ t nông nghi p c a thành ph chuy n thành các khu công nghi p, khu ñô th , khu du l ch sinh thái làm thay ñ i ñáng k l p ph m t ñ t c a thành ph Vì v y nhi... cung c p thông tin c a tư li u vi n thám bao g m các lo i nh v tinh như SPOT, Landsat, nh hàng không v.v - Các ñ i tư ng trong h phân lo i ñáp ng ñư c yêu c u phân tách ñư c ñ i tư ng trên các tư li u vi n thám thu th p các th i gian khác nhau; - H th ng phân lo i áp d ng ñư c cho nhi u vùng r ng l n; - H th ng phân lo i phân chia các ñ i tư ng theo các c p b c nên phù h p v i vi c phân tích ñ i tư ng... ñó, s thay ñ i ñó ñư c th hi n b ng s khác bi t v giá tr ph gi a hai th i ñi m Gi s xác ñ nh ñư c giá tr ph trên 2 kênh X, Y t i hai th i ñi m 1 và 2 Vector 1-2 chính là vector thay ñ i ph , ñư c bi u th b i giá tr tuy t ñ i (kho ng cách t 1 ñ n 2) và góc thay ñ i θ Kênh 2 θ 1 Kênh Hình 1.3: Phương pháp phân tích vector thay ñ i ph Thông tin v s thay ñ i s ñư c th hi n b ng màu s c c a các pixel tư ng...Vi n thám k t h p GIS t o ra các b n ñ h tr ñưa ra các quy t ñ nh trên cơ s ñ chính xác cao, nhanh chóng và giá thành r Tuy nhiên, s phát tri n trong nghiên c u, ng d ng vi n thám và GIS cũng r t c n ñ n kinh nghi m, s hi u bi t chuyên sâu các lĩnh v c Trong tư ng lai g n, v i các d án ñ u tư v s lư ng và các lo i hình v tinh, vi c s d ng k t qu d báo xu th hay... không gian là 80m x80m, và g m 4 kênh 4,5,6 và 7, trong ñó kênh 4 và kênh 5 n m trong vùng nhìn th y còn kênh 6 và kênh 7 n m trong vùng c n h ng ngo i - B c m TM, ETM+ (Thematic Mapper, Enhanced Thematic Mapper Plus) T năm 1982 v tinh Landsat-4 ñư c phóng và mang thêm b c m chuyên dùng ñ thành l p b n ñ chuyên ñ g i là b c m TM (Thematic Mapper) V tinh Landsat-7 m i ñư c phóng vào qu ñ o tháng 4/1999... cùng v i các thông tin v th i gian ch p, mùa ch p, t l nh ñ u ph i ñưa vào m u ñoán ñ c M t b m u ñoán ñ c không ch g m ph n nh mà còn mô t b ng l i (Nguy n Kh c Th i và cs, 2012) 1.2.4.2 Gi i ñoán nh b ng x lý s Các tư li u nh trong vi n thám ph n l n ñ u d ng s nên v n ñ gi i ñoán nh b ng x lý s là v n ñ quan tr ng Quá trình gi i ñoán nh b ng x lý s g m các giai ño n: Nh p s li u, khôi ph c và hi u ch... ch nh nh, bi n ñ i nh, phân lo i nh và xu t k t qu - Nh p s li u: có hai ngu n tư li u chính là nh s và nh tư ng t nh tư ng t ñư c chuy n thành d ng s thông qua các máy quét - Khôi ph c và hi u ch nh nh: ñây là giai ño n mà các tín hi u s ñư c hi u ch nh h th ng nh m t o ra m t tư li u nh có th s d ng ñư c Nó bao g m các bư c sau: + Hi u ch nh b c x : t t c các tư li u s h u như bao gi cũng ch u m . NĂNG XÁC ðỊNH SỰ THAY ðỔI LỚP PHỦ ðẤT BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ GIAI ðOẠN 2003 – 2010 THÀNH PHỐ VĨNH YÊN, TỈNH VĨNH PHÚC CHUYÊN NGÀNH : QUẢN LÝ ðẤT ðAI. thông tin ñịa lý giai ñoạn 2003 – 2010 thành phố Vĩnh Yên tỉnh Vĩnh Phúc. ” 2. Mục ñích của ñề tài Xác ñịnh sự thay ñổi lớp phủ ñất trên ñịa bàn thành phố Vĩnh Yên – tỉnh Vĩnh Phúc trong giai. DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN KHẮC NĂNG XÁC ðỊNH SỰ THAY ðỔI LỚP PHỦ ðẤT BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ GIAI ðOẠN 2003 – 2010 THÀNH