tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá biến động đất đai giai đoạn 2007 2013 huyện giao thủy, tỉnh nam định

Tính năng ưu việt của phương pháp kết hợp giữa ảnh chụp Viễn thám và dữ liệu số trong việc chỉnh lý biến động tiếp theo từ ảnh viễn thám kết hợp bộ nền thông tin địa lý chính xác tới từn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

KHƯƠNG THỊ VŨ NHẬT

TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA

LÝ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI GIAI ĐOẠN

2007-2013 HUYỆN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

KHƯƠNG THỊ VŨ NHẬT

TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA

LÝ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI GIAI ĐOẠN 2007 -

2013 HUYỆN GIAO THỦY, TỈNH NAM ĐỊNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ THỊ GIANG

HÀ NỘI – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn đã chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

KHƯƠNG THỊ VŨ NHẬT

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và rèn luyện tại Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa Quản Lý Đất Đai cũng như các thầy cô giáo trong trường đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu

Xuất phát từ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm

ơn các thầy cô giáo Đặc biệt để có thể hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, còn có sự giúp đỡ chu đáo, tận tình của GVC.TS Lê Thị Giang, các thầy cô giáo trong khoa Quản Lý Đất Đai, các cô, các chú, các anh, chị ở UBND huyện, phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định và các phòng ban khác đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này theo đúng nội dung và kế hoạch được giao

Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy, các cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Với tấm lòng biết ơn, tôi xin chân thành cám ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

KHƯƠNG THỊ VŨ NHẬT

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ cái viết tắt vi

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Yêu cầu của đề tài 3

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Những vấn đề chung về sử dụng đất đai và bản đồ biến động đất đai 4

1.2 Tình hình nghiên cứu biến động sử dụng đất trên thế giới và Việt nam 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu biến động sử dụng đất trên thế giới 5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu biến động sử dụng đất ở Việt Nam 6

1.3 Viễn thám và sự phát triển của viễn thám 9

1.3.1 Khái niệm viễn thám 9

1.3.2 Lịch sử phát triển của Khoa học viễn thám 10

1.3.3 Hệ thống viễn thám 12

1.3.4 Vệ tinh viễn thám 19

1.3.5 Tư liệu sử dụng trong viễn thám 28

1.3.6 Các phương pháp giải đoán ảnh viễn thám 31

1.4 Hệ thống thông tin địa lý GIS 34

1.4.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý 34

1.4.2 Thành phần của GIS 35

1.4.3 Ứng dụng của công nghệ GIS tại Việt Nam và trên thế giới 37

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.1 Đối tượng nghiên cứu 40

2.2 Phạm vi nghiên cứu 40

2.3 Nội dung nghiên cứu 40

2.3.1 Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, tình hình quản lý sử dụng đất tại địa bàn huyện Giao Thủy - tỉnh Nam Định 40

2.3.2 Xây dựng bản đồ sử dụng đất năm 2007 và 2013 40

2.3.3 Xây dựng và đánh giá bản đồ biến động đất đai 40

2.4 Phương pháp nghiên cứu 40

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu 40

2.4.2 Phương pháp xử lý số liệu 41

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của huyện Giao Thủy 45

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 45

3.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội của huyện Giao Thủy 47

3.1.3 Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của huyện Giao Thủy 50

3.2 Tình hình quản lý, sử dụng đất huyện Giao Thủy 52

3.2.1 Tình hình quản lý đất đai của huyện Giao Thủy 52

3.2.2 Hiện trạng sử dụng đất của huyện Giao Thủy năm 2013 57

3.3 Giải đoán ảnh viễn thám và thành lập bản đồ sử dụng đất huyện Giao Thủy năm 2007 và năm 2013 59

3.3.1 Dữ liệu nghiên cứu 59

3.3.2 Nhập ảnh 60

3.3.3 Tăng cường chất lượng ảnh 61

3.3.4 Nắn chỉnh tư liệu ảnh 61

3.3.5 Cắt ảnh 61

3.3.6 Xây dựng tệp mẫu ảnh, đánh giá độ chính xác của tệp mẫu 63

3.3.7 Giải đoán ảnh viễn thám và thành lập bản đồ sử dụng đất 68

3.4 Xây dựng và đánh giá bản đồ biến động đất đai giai đoạn 2007 -2013 79

3.5 Nhận xét về phương pháp tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá biến động đất đai 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

Kết luận 84

Kiến nghị 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 88

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

MSS: Máy quét phổ đa kênh

NASA: Cơ quan hàng không vũ trụ Châu Âu

NAOMI: Cảm biến bổ sung

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1 Tăng trưởng kinh tế giai đoạn 2007 – 2013 47

3.2 Hiện trạng sử dụng đất huyện Giao Thủy năm 2013 57

3.3 Dữ liệu vệ tinh thu thập 59

3.4 Các loại hình sử dụng đất huyện Giao Thủy 64

3.5 Thống kê diện tích các loại đất 79

3.6 Biến động các loại hình sử dụng đất giai đoạn 2007 - 2013 80

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Bức xạ điện từ 13

1.2 Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám 14

1.3 Quá trình thu nhận sóng điện từ 18

1.4 Phân bố kênh phổ của một số bộ cảm chính trong phổ điện từ 19

1.5 Hình ảnh vệ tinh Landsat 7 (a) và Landsat 8 (b) 20

1.6 Ảnh vệ tinh Landsat 8 miền đông Kazakhstan ngày 9/9/2013, độ phân giải 15m 23

1.7 Ảnh vệ tinh SPOT 6 - 2012 khu vực Baro – Pháp (a)và SPOT 7 – 2014 khu vực Sydney – Úc (b) 26

1.8 Ảnh vệ tinh QuickBird khu vực Trà Vinh năm 2008 26

1.9 Hình ảnh vệ tinh VNREDSat-1 (a)và ảnh chụp khu vực sông Hồng với độ phân giải 2,5 m (b) 28

1.10 Hệ thống thông tin địa lý GIS 35

1.11 Thiết bị sử dụng trong GIS 35

2.1 Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ biến động đất đai 44

3.1 Sơ đồ vị trí huyện Giao Thủy 45

3.2 Hiện trạng sử dụng đất huyện Giao Thủy năm 2013 58

3.3 Cộng gộp kênh ảnh Landsat 5 – 2007 60

3.4 Cộng gộp kênh ảnh Landsat 8 – 2013 60

3.5 Tăng cường chất lượng ảnh Landsat 8 61

3.6 Ảnh cắt Landsat 5 – 2007 huyện Giao Thủy 62

3.7 Ảnh cắt Landsat 8 – 2013 huyện Giao Thủy 63

3.8 Mẫu giải đoán ảnh vệ tinh Landsat 5 – 2007 (4,3,2) và Landsat 8 – 2013 (5,4,3) 65

3.9 Xây dựng tệp mẫu cho ảnh Landsat 5 – 2007 66

3.10 Xây dựng tệp mẫu cho ảnh Landsat 8 – 2013 66

3.11 Kết quả gộp lớp cho ảnh Landsat 5 – 2007 67

3.12 Kết quả gộp lớp cho ảnh Landsat 8 – 2013 67

3.13 Kết quả đánh giá độ chính xác tệp mẫu ảnh Landsat 5 – 2007 theo phương

pháp Display Mean Plot Window (a)và Feature Space Layers (b) 67

3.14 Kết quả đánh giá độ chính xác tệp mẫu ảnh Landsat 8 – 2013theo phương pháp Display Mean Plot Window (a)và Feature Space Layers (b) 68

3.15 Kết quả phân loại ảnh Landsat 5 – 2007 69

3.16 Kết quả phân loại ảnh Landsat 8 – 2013 69

3.17 Kết quả lọc nhiễu ảnh phân loại Landsat 5 – 2007 69

3.18 Kết quả lọc nhiễu ảnh phân loại Landsat 8 – 2013 70

3.19 File tọa độ đánh giá độ chính xác tệp mẫu (a) và ảnh đi thực địa (b) 71

3.20 Hiển thị điểm thực địa lên ảnh phân loại Landsat 5 – 2007 72

3.21 Hiển thị điểm thực địa lên ảnh phân loại Landsat 8 - 2013 72

3.22 Kết quả đánh giá độ chính xác ảnh phân loại Landsat 5 – 2007 73

3.23 Kết quả đánh giá độ chính xác ảnh phân loại Landsat 8 - 2013 73

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặc biệt, là thành phần quan trọng của môi trường sống, là địa bàn phân bố các khu dân cư, xây dựng các công trình kinh tế, văn hoá xã hội, an ninh, quốc phòng Đất đai là tài nguyên quan trọng trong chiến lược phát triển của mỗi Quốc gia Đất đai là yếu

tố cấu thành của mỗi quốc gia, nó gắn liền với lịch sử mỗi dân tộc và tình cảm mỗi con người trong xã hội, sự phát triển của mỗi quốc gia phụ thuộc lớn vào hiệu quả tổ chức, quản lý và sử dụng đất Một trong những chỉ tiêu đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia đôi khi còn được tính theo mức độ biến động trong quá trình sử dụng đất của Quốc gia đó

Để quản lý và sử dụng hiệu quả, bền vững tài nguyên đất đai thì việc xác định biến động đất đai có vai trò hết sức quan trọng Từ việc xác định được biến động đất đai trong giai đoạn cụ thể chúng ta có thể nắm rõ cơ cấu các loại đất, vị trí, diện tích các loại đất đồng thời xác định được chu chuyển giữa các loại đất

Từ đó giúp các nhà quản lý có căn cứ khoa học để đưa ra các chính sách phù hợp giúp cho việc quản lý đất đai hiệu quả hơn, nâng cao đời sống của người dân, tìm

ra biện pháp giải quyết những vấn đề bất hợp lý trong sử dụng đất, nhằm mục đích sử dụng đất ngày càng đem lại hiệu quả cao hơn về kinh tế, xã hội và môi trường

Việc theo dõi sự thay đổi sử dụng đất đai theo phương pháp truyền thống mất nhiều thời gian và không thể phán ánh kịp thời tình hình thực tế Những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật thu nhận thông tin từ xa và xử lý ảnh đã làm cho công nghệ viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) vào theo dõi thay đổi

sử dụng đất đai là một phương pháp hiện đại đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới như: Trung Quốc, Nhật Bản, Thái Lan Tính năng ưu việt của phương pháp kết hợp giữa ảnh chụp Viễn thám và dữ liệu số trong việc chỉnh lý biến động tiếp theo từ ảnh viễn thám kết hợp bộ nền thông tin địa lý chính xác tới từng thửa đất được lập

Viễn thám (Remote sensing) được xác định là phương pháp nghiên cứu đối tượng, hiện tượng bằng các thiết bị đặt cách đối tượng một khoảng cách nào

đó mà không đòi hỏi tiếp xúc trực tiếp với đối tượng Thuật ngữ viễn thám được

sử dụng đầu tiên tại Mỹ vào những năm 1960 bao hàm cả các lĩnh vực đo ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh Ở Việt Nam, viễn thám mới được quan tâm kể từ năm 1980 khi nước ta tham gia tổ chức vũ trụ quốc tế InterCosmos Đặc điểm quan trọng của tư liệu viễn thám có ưu điểm là giàu thông tin, chu kỳ thu nhận thông tin ngắn, xử lý trên diện rộng vì vậy phương pháp viễn thám ưu điểm hơn hẳn những phương pháp cổ điển khác khi nghiên cứu diễn biến các quá trình xảy

ra trên đất thời gian: sự thay đổi sử dụng đất, diễn biến rừng, quá trình xói mòn đất…

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tổ chức tổng thể của 5 hợp phần: thiết bị, phần mềm, dữ liệu, con người và tổ chức hệ thống thông tin, được thiết

kế hoạt động một cách hiệu quả nhằm thu nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích, và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các bài toán ứng dụng liên quan đến vị trí địa lý trên bề mặt trái đất GIS được sử dụng như một công cụ kỹ thuật để giải quyết những vấn đề cấp thiết của thời đại như tình trạng triệt phá rừng, sự xuống cấp của môi trường, vấn đề đô thị hoá, dự báo những biến động khí hậu GIS cung cấp những công cụ mạnh nhất để có thể xây dựng, tổ chức, xử lý và quản lý các dữ liệu cung cấp thông tin trợ giúp cho chuyên gia về GIS và các nhà quản lý trong việc ra các quyết định đúng đắn, các giải pháp hữu hiệu cho các vấn đề trên

Sự kết hợp giữa viễn thám và kỹ năng xử lý số liệu của hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) giúp chúng ta có một công cụ hoàn chỉnh để tìm hiểu sự thay đổi sử dụng đất, số lượng và vị trí phân bố Đó là phương pháp theo dõi thay đổi sử dụng đất ưu việt hơn hẳn so với phương pháp truyền thống về không gian, thời gian và kinh phí, ta có thể theo dõi diễn biến tự nhiên cũng như tác động của con người trong hàng chục năm trở lại đây Ngoài việc mang lại hiệu quả cao, chính xác thì phương pháp kết hợp ảnh viễn thám và công nghệ GIS còn dễ cập nhật Với những ưu điểm đó, việc sử dụng tư liệu ảnh

viễn thám để thành lập bản đồ thay đổi sử dụng đất đã trở thành phương pháp hiệu quả nghiên cứu thay đổi tài nguyên đất, góp phần tích cực trong công tác quản lý đất đai, giúp Nhà Nước đưa ra các chính sách tầm cỡ vĩ mô hạn chế biến động đất đai

Với mong muốn tìm hiểu và áp dụng phương pháp mới, hiệu quả vào quản

lý nguồn tài nguyên đất, tôi xin tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá biến động đất đai giai đoạn 2007-

2013 huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định”

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bản đồ biến động và đánh giá biến động đất đai giai đoạn 2007 – 2013 của huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định

3 Yêu cầu của đề tài

- Kết quả giải đoán ảnh và các bản đồ được thành lập với độ chính xác cao

- Sản phẩm bản đồ thành lập phải có khả năng ứng dụng trong công tác quản

lý đất đai

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Những vấn đề chung về sử dụng đất đai và bản đồ biến động đất đai

Sử dụng đất đai là hệ thống các biện pháp nhằm điều hòa mối quan hệ người – đất trong tổ hợp các nguồn tài nguyên khác và môi trường Căn cứ vào nhu cầu của thị trường sẽ phát hiện, quyết định phương hướng chung và mục tiêu

sử dụng hợp lý nhất tài nguyên đất đai, phát huy tối đa công dụng của đất đai nhằm đạt tới hiệu ích sinh thái, kinh tế và xã hội cao nhất Xuất phát từ nhu cầu

sử dụng đất mà bản đồ sử dụng đất được xây dựng nhằm thể hiện sự phân bố các loại đất tại một thời điểm xác định, theo từng đơn vị hành chính

Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay thế trạng thái này bằng trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên và xã hội Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạng thái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại các thời điểm

Để nghiên cứu biến động sử dụng đất đai, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau từ số liệu thống kê, các cuộc điều tra Các phương pháp này có

ưu điểm là độ chính xác cao nhưng nhược điểm của chúng là tốn kém thời gian

và kinh phí đồng thời không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất gì sang loại đất gì và diễn ra ở khu vực nào (vị trí không gian của sự thay đổi) Phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất đai từ tư liệu viễn thám đa thời gian sẽ khắc phục được các nhược điểm đó

Bản đồ biến động sử dụng đất đai ngoài các yếu tố nội dung cơ bản của các bản đồ chuyên đề như địa hình, địa vật, giao thông, thủy văn … phải thể hiện được sự biến động về sử dụng các loại đất theo thời gian

Ưu điểm của bản đồ biến động sử dụng đất đai là thể hiện được rõ sự biến động theo không gian và theo thời gian Diện tích biến động được thể hiện rõ ràng trên bản đồ đồng thời cho chúng ta biết có biến động hay không biến động, hay biến động từ loại đất nào sang loại đất nào Nó có thể được kết hợp với nhiều nguồn dữ liệu tham chiếu khác để phục vụ có hiệu quả cho rất nhiều mục đích khác nhau như quản lý tài nguyên, môi trường …

Về cơ bản, bản đồ biến động sử dụng đất đai được thành lập trên cơ sở hai bản đồ sử dụng đất tại hai thời điểm nghiên cứu vì vậy độ chính xác của bản đồ này phụ thuộc vào độ chính xác của các bản đồ hiện trạng sử dụng đất đó

1.2 Tình hình nghiên cứu biến động sử dụng đất trên thế giới và Việt nam

1.2.1 Tình hình nghiên cứu biến động sử dụng đất trên thế giới

Trong những năm qua, dưới áp lực gia tăng dân số tình hình sử dụng đất đai trên thế giới có nhiều thay đổi Quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ đã nảy sinh nhiều vấn đề đặc biệt là sự thay đổi sử dụng đất

1.2.1.1 Ở Trung Quốc

Vào cuối những năm 1970, đầu những năm 1980, Trung Quốc áp dụng chính sách đất đai mới “Hệ thống quản lý hộ gia đình”, chính sách thực thi dẫn đến thay đổi đáng kể về cơ cấu sử dụng đất Để đánh giá được sự thay đổi này, Trung Quốc sử dụng ảnh hàng không ở 2 thời điểm 1975, 1997, kết hợp với bản

đồ địa hình và điều tra thực địa Kết quả giải đoán là hai bản đồ sử dụng đất năm

1975 và 1997 với 8 loại hình sử dụng đất Ở hai thời điểm, người ta phát hiện ra những người nông dân trồng trọt ở cả những vùng đất có độ dốc cao Điều này chủ yếu do tập quán anh tác của một bộ phận người nông dân Tuy nhiên so với năm 1975 thì đất nông nghiệp 1997 giảm đi, đặc biệt là vùng có độ dốc trên 8o(Liding Chen, Jun Wang, 2001)

1.2.1.2 Ở Indonesia

Ở Indonesia, các hiện tượng thay đổi sử dụng đất đã được đánh giá bằng việc sử dụng kỹ thuật viễn thám Các số liệu chỉ ra sự thay đổi được tính bằng cách sử dụng phương pháp chồng ghép ảnh Landsat 1972 và 1984 cùng với bản

đồ sử dụng đất 1990, từ đó có thể thấy sự thay đổi sử dụng đất của từng vùng trong giai đoạn này Kết quả cho thấy, diện tích đất ở tăng nhanh, kéo theo diện tích đất lúa nước và các loại đất nông nghiệp khác giảm Nguyên nhân chính ở đây là sự tăng trưởng dân số Trong vấn đề này cần có sự can thiệp của Chính phủ và sự nhận biết của cộng đồng về việc giảm mất đất sản xuất nông nghiệp (Muh Dimyati, Kei Mizuno Shintaro Kobayashi and Teitaro Kitamura, 1996)

1.2.1.3 Ở Ethiopia

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS), kết hợp với điều tra thực địa bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) để giải đoán ảnh hàng không và ảnh vệ tinh tại thời điểm 1957, 1982, 1995 đông bắc Ethiopia Kết quả cho thấy rừng tự nhiên vùng này bị suy giảm từ 27% năm 1957 xuống 2% năm

1982 và xuống 0,3% năm 1995 Trong khi đó đất canh tác tăng lên tử 39% năm

1957 đến 70% năm 1982 và 77% năm 1995 Các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng, đang có một mối nguy hiểm cho việc sử dụng đất ở vùng này (Robin S.Reid, Russell L Kruska Nyawira Muthui, 2002)

1.2.1.4 Ở Nepan

Kỹ thuật GIS là một công cụ hữu ích cho việc nghiên cứu về sự phá rừng

và sự thay đổi sử dụng đất Ở Nepan giai đoạn 1947- 1990 Ở đây sự phá rừng nặng nề nhất vào những năm 1960, có đến 24% đất rừng bị chuyển sang đất nông nghiệp hoặc cây bụi

Thêm nữa, với kỹ thuật GIS người ta đã chỉ ra rằng 86% rừng trồng hiện nay là cây thông, ở những vùng thấp và có độ dốc vừa phải (Springer – Verlag, 2001)

1.2.2 Tình hình nghiên cứu biến động sử dụng đất ở Việt Nam

Các công trình nghiên cứu biến động sử dụng đất trên thế giới nói chung

và Việt Nam nói riêng thường được công bố thành hai hướng chính

Thứ nhất, hướng nghiên cứu ứng dụng bao gồm các kỹ thuật, thuật toán chiết xuất thông tin từ dữ liệu viễn thám và mô hình hóa quá trình biến động sử dụng đất

Thứ hai là hướng nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất, lớp phủ với các yếu tố kinh tế, xã hội và chính sách

Đối với hướng thứ nhất, các nghiên cứu thường dùng các dữ liệu bản đồ

và trong rất nhiều trường hợp, dữ liệu ảnh vệ tinh là nguồn thông tin chủ yếu Đây là lĩnh vực mà các tác giả trong nước có nhiều nghiên cứu hơn cả như các công trình ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám và công nghệ GIS để xác định biến

động sử dụng đất hoặc biến động lớp phủ do quá trình đô thị hóa, phá rừng để

mở rộng sản xuất nông nghiệp

Đầu tiên có thể kể đến công trình nghiên cứu về biến động lớp phủ bề mặt đất được Nguyen et al (2006) nghiên cứu trên phạm vi cả nước từ năm 2001 -

2003 từ tư liệu ảnh MODIS hay sự thay đổi lớp phủ rừng huyện Tánh Linh tình Bình Thuận 1989 - 1998 bằng ảnh LANDSAT TM (Nguyen et al., 2005) Phạm Văn Cự và cs (2006) với công trình “Sử dụng tư liệu viễn thám đa thời gian để đánh giá biến động chỉ số thực vật của lớp phủ hiện trạng và quan hệ với biến đổi

về quản lý tài nguyên chắc chắn sẽ quyết định các động thái sử dụng đất trong tương lai

Năm 2003, tác giả Muller thuộc chương trình Hỗ trợ Sinh thái Nhiệt đới của Tổ chức Phát triển Cộng hòa Liên bang Đức đã nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố địa vật lý, sinh thái nông nghiệp và kinh tế xã hội biến động sử dụng đất từ năm 1975 đến năm 2000 tại hai huyện của tỉnh Đắc Lắc Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên nhân biến động đất đai ở khu vực Tây Nguyên giai đoạn đầu từ 1975 đến 1992 được đặc trưng bởi sự mở rộng đất nông nghiệp

và chuyển đổi đất rừng sang đất nông nghiệp Trong giai đoạn thứ hai, từ 1992 đến 2000, sự đầu tư vào nguồn lao động và vốn, cải thiện về công nghệ, giao thông nông thôn, thị trường và hệ thống thủy lợi đã thúc đẩy phát triển nông nghiệp Độ che phủ rừng trong giai đoạn thứ hai tăng mà chủ yếu là do sự tái sinh của các khu vực canh tác nương rẫy trước đây

Để nghiên cứu biến động hiện trạng lớp phủ thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc, tác giả Vũ Anh Tuân đã kết hợp phương pháp viễn thám và hệ thông tin địa lý Kết quả nghiên cứu đã xác định được biến động hiện trạng lớp phủ lưu vực sông Trà Khúc từ năm 1989 đến

2001, từ đó mô hình hóa xói mòn bằng GIS và đề xuất sử dụng đất giảm thiểu xói mòn (Vũ Anh Tuân, 2004)

Năm 2011, Ngô Thế Ân đã nghiên cứu ứng dụng mô hình tác tố (Agent – based) nhằm mô phỏng tác động của chính sách đến biến động sử dụng đất tại bản Bình Sơn, xã Tà Cạ, huyện Kỳ Sơn, tỉnh Nghệ An Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, mô hình tác tố phù hợp cho việc mô phỏng tác động của chính sách đến biến động sử dụng đất Các thuật toán về sự phản hồi chính sách của người dân trong mô hình dựa vào lợi ích mong đợi, trách nhiệm chấp hành và mức độ ảnh hưởng của cơ quan triển khai chính sách Mô hình có độ tin cậy cao và có khả năng dùng để dự báo biến động sử dụng đất

Để đánh giá tác động của các yếu tố tự nhiên và kinh tế, xã hội đến biến động sử dụng đất lưu vực Suối Muội, huyện Thuận Châu, tỉnh Sơn La, tác giả Vũ Kim Chi (2009) đã sử dụng dữ liệu ảnh máy bay kết hợp với phân tích thống kê

Kết quả nghiên cứu cho thấy, tại lưu vực Suối Muội yếu tố ảnh hưởng đến biến động sử dụng đất là độ cao, đá gốc, khoảng cách đến quốc lộ 6, khoảng cách đến khu dân cư và dân tộc Một công trình nghiên cứu khác về biến động sử dụng đất

và mối quan hệ với lao động công nghiệp - tiểu thủ công nghiệp huyện Chương

Mỹ, thành phố Hà nội bằng phương pháp thống kê không gian được thực hiện bởi Đinh Thị Bảo Hoa và Phú Thị Hồng (2013)

Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu biến đổi toàn cầu (ICARGC) đã thực hiện chương trình nghiên cứu về biến động sử dụng đất dưới tác động của hoạt động kinh tế - xã hội và biến đổi khí hậu toàn cầu tại điểm nghiên cứu là đồng bằng sông Hồng và vùng núi Tây Bắc Việt Nam Kết quả của đề tài xác định được biến động đất lúa và lượng phát thải khí mê tan từ canh tác lúa khu vực đồng bằng sông Hồng Ở khu vực Tây Bắc, chương trình thực hiện nghiên cứu điểm ở

Sa Pa đã xác định được biến động sử dụng đất giai đoạn 1993 - 2009 và mối quan hệ giữa biến động sử dụng đất với du lịch và các tai biến thiên nhiên ở

Sa Pa (ICARGC, 2013)

1.3 Viễn thám và sự phát triển của viễn thám

1.3.1 Khái niệm viễn thám

Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều từ ngữ khác nhau, nhưng nói chung đều thống nhất theo quan điểm chung là khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể

đó Dữ liệu viễn thám là loại dữ liệu có thể thu được về một diện rộng hàng trăm ngàn km2 trong một khoảng thời gian ngắn bằng các thiết bị ghi nhận các bức xạ hay phản xạ các vùng phổ khác nhau của đối tượng tạo ra các thông tin mà kết quả là hình ảnh chính đối tượng đó Các tư liệu viễn thám có ưu việt là nhanh, kịp thời, tầm bao quát rộng Cốt lõi của của tư liệu viễn thám chính là giá trị phổ phản xạ của các đối tượng trên bề mặt trái đất ở từng khoảng bước sóng Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính mà đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng” Đối tượng ở định

nghĩa trên có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)

Viễn thám điện từ là khoa học và công nghệ sử dụng sóng điện từ để truyền tải thông tin từ vật cần nghiên cứu tới thiết bị thu nhận thông tin cũng như công nghệ xử lý để các thông tin thu nhận có ý nghĩa Viễn thám điện từ bao gồm viễn thám quang học và viễn thám rada

1.3.2 Lịch sử phát triển của Khoa học viễn thám

Trong khoảng 3 thập kỷ gần đây khi công nghệ vũ trụ cho ra đời các ảnh

số thu nhận từ vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất, viễn thám đã thực sự phát triển mạnh mẽ Nhưng thực ra viễn thám đã có lịch sử lâu đời Ảnh chụp (film) sử dụng cho nghiên cứu mặt đất xuất hiện từ thế kỷ XIX Năm 1839, Louis Daguere (1789-1881) đưa ra báo cáo về thí nghiệm hoá ảnh của mình khởi đầu cho ngành chụp ảnh Ảnh chụp từ bề mặt trái đất từ khinh khí cầu bắt đầu sử dụng từ năm

1858 Bức ảnh chụp đầu tiên về trái đất từ khinh khí cầu chụp vùng Bostom vào năm 1860 bởi James Wallace Black, 1860

Giai đoạn phát triển ngành chụp ảnh photo từ xa đánh dấu bằng sự ra đời của ngành hàng không Chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho việc chồng phủ ảnh, chỉnh lý ảnh và chiết suất thông tin từ ảnh nối Ảnh chụp từ máy bay đầu tiên mà lịch sử ghi nhận được thực hiện vào năm 1910 bởi Wilbur Wright bằng việc chụp ảnh di động trên vùng gần Centoceli tại Italia

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914-1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu cho việc chụp ảnh từ máy bay phục vụ mục đích quân sự Những năm sau, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ Đồng thời, kỹ thuật giải đoán ảnh hàng không và đo đạc từ ảnh cũng phát triển mạnh tạo nên sự hình thành ngành khoa học mới tên là đo đạc ảnh

Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1945) ảnh hàng không được sử dụng chủ yếu cho mục đích quân sự Trong thời kỳ này ảnh RADAR đã được sử dụng đồng thời với việc phát triển phổ hồng ngoại Các ảnh chụp trên kênh phổ hồng ngoại cho phép chiết lọc thông tin được nhiều hơn Ảnh màu chụp bằng máy ảnh đã được sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ hai

Việc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằng viễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện đại Các trung tâm nghiên cứu trái đất bằng công nghệ viễn thám đã ra đời, như cơ quan

vũ trụ Châu Âu ESA (European Space Agency), chương trình vũ trụ của Mỹ NASA (National Aeronautics and Space Administration) Ngoài ra, có các chương trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc

Ảnh đầu tiên từ vũ trụ chụp về trái đất được cung cấp bởi Explorrer-6 năm

1959 Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960) cho ra sản phẩm ảnh chụp

từ quỹ đạo chất lượng cao, ảnh màu kích thước 70mm từ máy tự động Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TIOS-1) phóng lên quỹ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960 mở đầu cho việc quan sát dự báo khí tượng trái đất Ảnh chụp từ vệ tinh khí tượng NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) đã được sử dụng sau năm 1972 đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật hàng ngày

Sự phát triển của viễn thám đi liền với sự phát triển của công nghệ vũ trụ phục vụ cho việc nghiên cứu trái đất và vũ trụ Ảnh chụp nổi stereo theo phương đứng và xiên cung cấp bởi GEMINI (1965) đã thể hiện ưu thế của việc nghiên cứu trái đất bằng các bức ảnh của nó Tiếp theo, tàu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ kích thước 70mm Ngành hàng không vũ trụ của Liên Xô cũ

và hiện nay là Nga góp phần tích cực vào việc nghiên cứu trái đất từ vũ trụ Các nghiên cứu được thực hiện trên các con tàu vũ trụ có người như Soynz, tàu Meteor, Cosmos hoặc trên các trạm “chào mừng” (Salyut) Sản phẩm thu được là ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải cao như MSU_E Ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos trên 5 kênh phổ khác nhau với kích thước ảnh 18x18cm Ngoài ra các ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE - 140, MKF - 6m trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra sau kênh ảnh thuộc dải phổ 0,40÷0,89µm với độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20x20m

Tiếp theo với vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS-1 (Earth Reosourcer Technology Satellite) được phóng lên quỹ đạo trái đất vào năm 1972 Sau vệ tinh này đổi tên là Landsat 1, rồi các vệ tinh thế hệ mới hơn là Landsat 2, Landsat 3,

Landsat 4 và Landsat 5 Ngay từ đầu ERTS-1 mang theo bộ cảm MSS (máy quét

đa phổ) với bốn kênh phổ khác nhau và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với

ba kênh phổ khác nhau Ngoài Landsat 2 và Landsat 3 còn có các vệ tinh khác như SKYLAB (1973) và HCMM (1978) Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM 4 và Landsat TM 5 với 7 kênh phổ khác nhau

từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điều này cho phép nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau Đồng thời với việc phát triển của các ảnh vệ tinh Landsat, các ảnh vệ tinh của Pháp là vệ tinh SPOT (1986) đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu ảnh đơn kênh với độ phân giải không gian 10x10 m và ảnh

đa kênh SPOT-XS với ba kênh (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20x20 m Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh nổi Stereo cung cấp một khả năng tạo ảnh nổi ba chiều Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là việc nghiên cứu bề mặt địa hình

Các ảnh vệ tinh của Nhật như MOS-1 phục vụ cho quan sát biển Marine Observation Satellite) và các ảnh chụp từ các vệ tinh của Ấn Độ I-1A tạo ra các ảnh vệ tinh như LISS thuộc nhiều thế hệ khác nhau

Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám được đẩy mạnh do áp dụng kỹ nghệ mới với việc sử dụng ảnh RADAR Viễn thám RADAR tích cực thu nhận ảnh bằng phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi cho phép thực hiện nghiên cứu độc lập không phụ thuộc vào mây

Gần đây nhất là sự ra đời ảnh vệ tinh IKONOS của Mỹ Hiện tại các ảnh IKONOS đạt tới độ phân giải 1m, trong thời gian tới sẽ có các ảnh IKONOS độ phân giải 0.5 m Ảnh IKONOS có thể được sử dụng để cập nhật và hiệu chỉnh các bản đồ tỷ lệ trung bình hay làm bản đồ ảnh về hiện trạng sử dụng đất rất tốt (Nguyễn Khắc Thời và cs, 2012)

1.3.3 Hệ thống viễn thám

1.3.3.1 Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám

a Cơ sở vật lý của viễn thám

Các tính chất của vật thể được xác định qua các năng lượng phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể

Hình 1.1 Bức xạ điện từ

Năng lượng sóng điện từ được xác định: E = h.c / l

Trong đó: E : Năng lượng điện từ

b Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám

Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám bao gồm:

- Nguồn năng lượng: Thường là năng lượng mặt trời với các hệ viễn thám

bị động, và máy quét sóng với hệ viễn thám chủ động Nguồn năng lượng mặt trời phát tới đối tượng nghiên cứu được xác định bằng thành phần phổ và phân

bố năng lượng ở dải phổ đó

Hình 1.2 Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám

- Môi trường truyền năng lượng: Môi trường truyền năng lượng là khí

quyển Năng lượng truyền qua khí quyển bị khí hấp thụ, tán xạ và phân bố lại năng lượng trong dải phổ chiếu tới đối tượng

- Đối tượng tự nhiên: (Bề mặt trái đất) Năng lượng phát ra từ nguồn đi

qua tầng khí quyển chiếu tới vật sẽ xảy ra hiện tượng:

+ Phản xạ một phần năng lượng chiếu tới (hiện tượng tán xạ phổ)

+ Hấp thụ một phần năng lượng chiếu tới

+ Bức xạ: Sau khi hấp thụ năng lượng trong một dải phổ nào đó ánh sáng chiếu tới tùy theo tính chất và cấu tạo vật chất của vật mà sau một thời gian tích

tụ năng lượng hoặc ngay lập tức vật phát ra năng lượng ở một dải phổ nào khác vào khí quyển gọi là hiện tượng bức xạ phổ

- Máy ghi nhận thông tin: Gồm máy chụp ảnh, máy quét ảnh hoặc máy thu

vô tuyến … Năng lượng chiếu tới vật sau khi phản xạ trở lại khí quyển nên nó sẽ thay đổi thành phần phổ Năng lượng này chiếu vào ống kính máy thu được đo đạc và biến thành tín hiệu điện ghi trên băng từ hoặc chụp lên phim ảnh

c Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Đặc trưng phản xạ phổ hay đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên là hàm của nhiều yếu tố Các đặc tính này phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển, bề mặt đối tượng và bản thân đối tượng

- Đặc tính phản xạ phổ thực vật

Bức xạ mặt trời khi tới bề mặt lá cây, phần trong vùng sóng đỏ (red) và chàm (blue) bị chất diệp lục hấp thụ phục vụ quá trình quang hợp, vùng sóng lục (green) và vùng sóng hồng ngoại sẽ phản xạ khi gặp chất diệp lục của lá Sự khác nhau về đặc trưng phản xạ của thực vật phụ thuộc vào các yếu tố cấu tạo trong và ngoài của cây (hàm lượng sắc tố diệp lục, cấu tạo mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái lá…), thời kỳ sinh trưởng (tuổi cây, giai đoạn sinh trưởng…) và các tác động ngoại cảnh (điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý…) Tuy vậy, đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật vẫn mang những đặc điểm chung:

Phản xạ ở vùng sóng hồng ngoại gần (λ>0,720µm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ (λ=0,680-0,720µm)

Thực vật khoẻ mạnh chứa nhiều diệp lục phản xạ mạnh ánh sáng có bước sóng từ 0,45 - 0,67µm (tương ứng với dải sóng màu lục) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục Khi diệp lục tố giảm đi thực vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn dẫn đến lá có màu vàng đỏ (do tổ hợp màu lục và đỏ) hoặc màu đỏ

Ở vùng hồng ngoại, thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh Khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng một số điện cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm

đi rõ rệt và ngược lại khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên

Khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật khác nhau không như nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:

+ Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt

+ Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng lượng hấp thụ bởi diệp lục tố trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá phần còn lại phản xạ

+ Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ là hàm lượng nước Độ ẩm trong lá cao thì năng lượng hấp thụ cực đại

Thực vật nói chung khả năng phản xạ của chúng phụ thuộc vào giống loại, giai đoạn sinh trưởng và trạng thái phát triển của cây

- Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng

Thổ nhưỡng chỉ có khả năng hấp thụ và năng lượng phản xạ mà không có năng lượng thấu quang Các loại đất có thành phần cấu tạo, các chất hữu cơ và vô

cơ khác nhau thì khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau

Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất và cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, hợp chất vô cơ

Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ vì chúng ở sít nhau hơn Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn do vậy khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn Khi ẩm ướt trên mỗi hạt cát sẽ bọc một màng

mỏng nước do vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ cao hơn và do đó

sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của chúng

Độ ẩm tăng phản xạ phổ bị giảm do vậy khi hạt nước rơi vào cát khô thì cát bị sẫm hơn Tuy nhiên cát đã ẩm thì hạt nước rơi vào không có khác biệt lớn

Một yếu tố nữa ảnh hưởng tới khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ trong đất Với hàm lượng hữu cơ từ 0,5-5,0 % đất có màu nâu sẫm Nếu hàm lượng hữu cơ thấp hơn đất sẽ có màu nâu sáng

Các vùng phản xạ và bức xạ phổ có thể sử dụng ghi nhận thông tin về đất, còn hình ảnh ở hai vùng này là dấu hiệu để đoán đọc đặc tính của đất

- Đặc tính phản xạ phổ nước

Đặc tính chung nhất của nước là khả năng phản xạ phổ của nước giảm theo chiều dài bước sóng Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất trong nước Khả năng phản xạ phổ còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái nước Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ nước được phát hiện ra dễ dàng, còn một số đặc tính của nước phải dùng dải sóng nhìn thấy để nhận biết

Trong điều kiện tự nhiên mặt nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do vậy năng lượng phản xạ sẽ rất ít

Vì khả năng phản xạ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ, nên việc sử dụng các kênh sóng dài để chụp cho ta khả năng đoán đọc thuỷ văn ao hồ…

Ở dải sóng nhìn thấy, khả năng phản xạ phổ của nước khá phức tạp

Tuy nhiên, nước trong điều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như nước cất Thông thường nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ, vì vậy khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Các nghiên cứu cho thấy nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là những dải sóng dài Với độ sâu tối thiểu là 30m, nồng độ tạp chất gây đục là 10mg/l thì khả năng phản xạ phổ lúc đó là hàm số của thành phần nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất đáy

Người ta đã chứng minh được rằng khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất nhiều vào độ đục của nước, ở dải sóng 0,6-0,7 µm thì độ đục của nước

và khả năng phản xạ phổ có mối liên hệ tuyến tính

Hàm lượng diệp lục tố trong nước cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước ở bước sóng ngắn và làm tăng khả năng phản xạ phổ của nước có màu xanh lá cây

Ngoài ra, một số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của nước nhưng cũng có nhiều đặc tính quan trọng khác của nước không thể hiện

rõ được qua sự khác biệt về phổ như độ mặn của nước biển, hàm lượng khí metan, ôxi, nitơ, cácbonic…

d Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ

- Yếu tố thời gian: Lớp thực phủ mặt đất thường thay đổi theo thời gian

Do vậy, khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian Ví dụ, cây rụng lá vào mùa đông và xanh tốt vào mùa xuân, hè hoặc ruộng lúa có màu biểu hiện bề mặt khác nhau theo thời vụ Vì vậy, khi đoán đọc ảnh cần biết rõ thời điểm ghi nhận ảnh và đặc điểm của đối tượng cần điều vẽ

- Yếu tố không gian: Yếu tố không gian cục bộ và yếu tố không gian địa

lý Yếu tố cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đối tượng Yếu tố địa lý thể hiện khi cùng loại thực vật nhưng điều kiện sinh trưởng khác nhau theo vùng địa lý thì khả năng sinh trưởng khác nhau

- Ảnh hưởng của khí quyển: Khi xem xét hệ thống ghi nhận số liệu thông tin viễn thám ta thấy năng lượng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống đối tượng trên mặt đất phải qua tầng khí quyển, sau đó phản xạ lại từ bề mặt trái đất, năng lượng lại được truyền qua khí quyển đến máy ghi thông tin trên vệ tinh Do vậy khí quyển ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của đối tượng tự nhiên (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)

1.3.3.2 Hệ thống viễn thám

Bức xạ mặt trời một phần bị khuyếch tán trong khí quyển, khi xuống đến mặt đất, một phần bị hấp thụ, một phần truyền qua, một phần phản xạ Bộ cảm trên vệ tinh thu những sóng phản xạ này - sóng điện từ mang thông tin Tín hiệu

thu được từ vệ tinh truyền xuống trạm thu trên mặt đất Sau khi được sử lý bằng công nghệ sử lý ảnh số hay giải đoán bằng mắt thường, những thông tin này sẽ được chuyển đến cho người dùng

Hình 1.3 minh họa quá trình thu nhận sóng điện từ mang thông tin của viễn thám quang học (bộ cảm thụ động), viễn thám radar (bộ cảm tích cực)

Hình 1.3 Quá trình thu nhận sóng điện từ

1.3.3.3 Sóng điện từ mang thông tin

Tất cả vật chất phát một dải của năng lượng điện từ với cực trị truyền dần theo hướng các bước sóng ngắn hơn, khi nhiệt độ của vật chất tăng lên

Sóng điện từ kéo dài từ các bước sóng rất ngắn của vùng tia gamma - được đo bằng phần mười của nanomet (10-9 m) - đến sóng dài của vùng sóng radio (được đo bằng met) Lưu ý, dải nhìn thấy (bước sóng từ 0,4 – 0,7 mm chỉ chiếm một đoạn ngắn trong quang phổ điện từ Năng lượng phản xạ từ trái đất vào ban ngày có thể ghi lại như một hàm số của các bước sóng Cực đại của năng lượng được phản xạ ở bước sóng 0,5 mm, nó tương đương với band dải màu xanh lá cây (green) của dải nhìn thấy Cực đại năng lượng bức xạ xuất hiện ở band nhiệt vùng hồng ngoại (Infrared-IR) bước sóng 0,7 m

Khí quyển hấp thụ năng lượng ở vùng tia gamma, tia X và phần lớn ở tia cực tím (UV), do đó những sóng điện từ vùng này không sử dụng trong viễn

thám Viễn thám ghi lại năng lượng ở vùng sóng cực ngắn, hồng ngoại nhìn thấy, phần bước sóng dài ở vùng cực tím - sóng điện từ mang thông tin

Các hệ thống viễn thám bị động ghi lại năng lượng mà được bức xạ tự nhiên hay phản xạ từ một số đối tượng, còn hệ thống viễn thám chủ động được cung cấp một năng lượng riêng cho nó và chiếu trực tiếp vào đối tượng nhằm mục đích đo đạc phần năng lượng đi trở về Việc chụp bằng đèn Flash là ví dụ cho viễn thám chủ động Trái lại, việc ghi lại nguồn sáng có thể có của địa hình đó là viễn thám bị động Dạng khác phổ biến của viễn thám chủ động là radar Nó được cấp nguồn năng lượng riêng của năng lượng điện từ ở bước sóng radar (Nguyễn Khắc Thời và

cs, 2012)

1.3.4 Vệ tinh viễn thám

Có rất nhiều vệ tinh với các bộ cảm khác nhau thực hiện công việc thu thập số liệu về trái đất Trong đó, các bộ cảm có độ phân giải cao và thông dụng

ở Việt Nam như: Landsat TM, Spot HRV, MOSS – 1 MESSR

Hình 1.4 Phân bố kênh phổ của một số bộ cảm chính trong phổ điện từ

1.3.4.1 Vệ tinh LANDSAT

Landsat là vệ tinh thí nghiệm của Mỹ do cơ quan hàng không vũ trụ

NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Là hệ thống vệ

tinh quỹ đạo cận cực (góc mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 98,20), lúc đầu có tên là ERST (Earth Remote Sensing Satellite), sau 2 năm kể từ

lúc phóng ERST - 1 đổi thành Landsat, sau đó là Landsat - TM và Landsat –

Landsat 7 15/04/1999 Đang hoạt động ETM +

Landsat 8 11/02/2013 Đang hoạt động OLI – TIRS

(a) (b)

Hình 1.5 Hình ảnh vệ tinh Landsat 7 (a) và Landsat 8 (b)

Các loại bộ cảm:

- Bộ cảm MSS (Multi Spectral Scanner): Bộ cảm này được đặt trên các vệ

tinh Landsat 1, 2, 3 ở độ cao 919 km và Landsat 4, 5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp

là 18 ngày Độ phân giải của Landsat MSS là 79 x 79 m gồm 4 kênh 1, 2, 3, 4,

trong đó kênh 1, 2 nằm trong vùng nhìn thấy, kênh 3, 4 nằm trong vùng cận hồng ngoại

- Bộ cảm TM/ETM (Thematic Mapper/ Enhanced Thematic Mapper): Từ

năm 1982 vệ tinh Landsat 4 được phóng và mang thêm bộ cảm chuyên dùng để thành lập bản đồ chuyên đề là bộ cảm TM Tháng 4/1999 vệ tinh Landsat 7 phóng vào quỹ đạo với bộ cảm TM cải tiến là ETM Landsat TM/ETM có độ phân giải không gian là 30x30 m cho 6 kênh 1, 2, 3, 4, 5, 7 và kênh 6 hồng ngoại nhiệt có độ phân giải không gian là 120x120 m, độ cao bay là 705km, độ phủ là 185x170 km, chu kỳ lặp là 16 ngày Đây là bộ cảm quan trọng nhất trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường

- ETM + (Enhanced Thematic Mapper +): Landsat ETM + có độ phân

giải không gian là 15x15m đối với kênh 8, 30x30m với các kênh 1, 2, 3, 4, 5, 7

và 60x60m với kênh 6, độ cao bay chụp là 900 km, chu kỳ lặp lại là 16 ngày

- Bộ cảm OLI (Operational Land Imager – Bộ cảm thu nhận ảnh mặt đất)

và bộ cảm TIRS (Thermal Infrared Sensor - Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt): gồm

11 kênh, độ phân giải từ 15 – 100m, chu kỳ lặp lại 16 ngày

Bảng 1.2 Các thông số kỹ thuật của các loại bộ cảm

Loại bộ cảm Kênh phổ Bước sóng

Độ phân giải (m)

(Landsat 1-5)

Kênh 6 0,7 – 0,8 Cận hồng ngoại 80

Hình 1.6 Ảnh vệ tinh Landsat 8 miền đông Kazakhstan

ngày 9/9/2013, độ phân giải 15m

Mặc dù có 8 thế hệ vệ tinh Landsat đã bay vào quỹ đạo nhưng hiện tại chỉ

còn 2 vệ tinh đang hoạt động đó là Landsat 7 và LDCM (Landsat Data Continuity Mission) hay còn gọi là Landsat 8

So với Landsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại (16 ngày) Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat 7,

bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sát mây ti

và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển cũng như sol khí Bộ cảm TIRS thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tiêu thụ nước, đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền tây nước Mỹ Điều đặc biệt là tần số quét của Landsat 8 sẽ tăng lên, nhiều hơn 150 cảnh so với Landsat 7

Ảnh Landsat được ứng dụng trong nghiên cứu của nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu hiện trạng đến giám sát biến động và được sử dụng phổ biến nhất, với giá thành thấp

1.3.4.2 Vệ tinh SPOT

SPOT là hệ thống vệ tinh thương mại của Pháp, hiện nay đã có 7 thế hệ vệ tinh bao gồm vệ tinh SPOT 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Vệ tinh SPOT 6 phóng lên quỹ đạo ngày 09/09/2012, vệ tinh SPOT 7 phóng lên quỹ đạo ngày 30/06/2014 đây là hai

vệ tinh sinh đôi đầu tiên trong gia đình vệ tinh SPOT với độ phân giải không gian

đã được nâng lên 1,5m so với 2,5m của SPOT 5, là thế hệ mới của loạt vệ tinh quang học SPOT với nhiều cải tiến về kỹ thuật và khả năng thu nhận ảnh cũng như đơn giản hoá việc truy cập thông tin Trên mỗi vệ tinh SPOT được trang bị

một hệ thống quét đa phổ HRV( High Resolution Visible) – SPOT 1, 2, 3; HRVIR (High Resolution Visible Infrared) và VMI (Vegetation Monitoring Instrument) – SPOT 4; HRG (High Resolution Geometric) và HRS (High Resolution Stereo) – SPOT 5; Optical Sensor Assembly - bộ cảm biến quang học

hội với SPOT 6 và SPOT 7 Vệ tinh SPOT 1 - 5 bay ở độ cao 832km, nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo 9807’, bay qua xích đạo lúc 10h30p sáng với chu kỳ lặp lại là 23 ngày SPOT 6, 7 bay ở độ cao 694 km, thời gian 98,79’, độ nghiêng quỹ đạo 98,20 Ảnh SPOT có nhiều ứng dụng không chỉ trong tài nguyên môi trường

mà còn sử dụng cho công tác nghiên cứu xây dựng, hiệu chỉnh bản đồ và quy hoạch sử dụng đất

SPOT 5 04/05/2002 Đang hoạt động

SPOT 6 09/09/2012 Đang hoạt động

SPOT 7 30/06/2014 Đang hoạt động

Bảng 1.4 Các thông số kỹ thuật của bộ cảm vệ tinh SPOT

giải (m)

Bước sóng (µm)

(a) (b)

Hình 1.7 Ảnh vệ tinh SPOT 6 - 2012 khu vực Baro – Pháp (a)

và SPOT 7 – 2014 khu vực Sydney – Úc (b)

1.3.4.3 Vệ tinh Quickbird

Ảnh QuickBird là ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian cao nhất hiện nay cho ra các kênh toàn sắc có độ phân giải là 0.61m và độ phân giải của các kênh đa phổ là 2,44m, trường phủ mặt đất của ảnh là 16,5x16,5km QuickBird cho ảnh độ phân giải 0,7m ghép kênh toàn sắc tổ hợp với kênh hồng ngoại Với

độ phân giải cao ảnh QuickBird được sử dụng trong nhiều lĩnh vực cần độ chính xác lớn như quy hoạch sử dụng đất, xác định chính xác các đối tượng, thành lập bản đồ giao thông

Hình 1.8 Ảnh vệ tinh QuickBird khu vực Trà Vinh năm 2008

Hiện nay ảnh QuickBird được sử dụng phổ biến vào các lĩnh vực dân sự,

an ninh, quản lý môi trường QuickBird được phóng lên ngày 18/10/2001, có độ cao bay 450m, trọng lượng vệ tinh là 950kg Dự kiến nhiên liệu đủ bay trong 7

năm

1.3.4.4 Vệ tinh VNREDSAT-1

VNREDSat-1 (Vietnam Natural Resources, Environment and monitoring Satellite-1) là vệ tinh quang học quan sát Trái Đất đầu tiên của Việt

Disaster-Nam, do Công ty EADS Astrium (Pháp) thiết kế, chế tạo

Vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 được dự kiến được phóng vào lúc 09 giờ

06 phút ngày 3/5/2013 (theo giờ Hà Nội) từ bãi phóng Kourou, Guyana thuộc Pháp Tuy nhiên, việc phóng bị hoãn do thời tiết xấu Sau đó vệ tinh được phóng thành công vào vũ trụ ngày 7/5/2013 bằng tên lửa đẩy VEGA

Hệ thống VNREDSat-1 là hệ thống viễn thám bao gồm vệ tinh quan sát trái đất VNREDSat-1, trung tâm điều khiển vệ tinh, trạm thu phát tín hiệu vệ tinh băng tần S, trạm lưu trữ dữ liệu dự phòng và trạm thu ảnh vệ tinh VNREDSat-1

có nhiệm vụ chính là chụp ảnh bề mặt Trái đất, cung cấp một số lượng lớn ảnh quang học có phân giải cao một cách chủ động và kịp thời cho việc giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, thiên tai, biến đổi khí hậu phục vụ phát triển kinh tế xã hội và đảm bảo an ninh quốc phòng

Thông số kỹ thuật của vệ tinh VNREDSat-1:

- Vệ tinh có kích thước 600 mm x 570 mm x 500 mm, có trọng lượng gần

120 kg Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 5 năm;

- Vệ tinh có quỹ đạo đồng bộ mặt trời;

- Độ cao quỹ đạo trên xích đạo: 680 km;

- Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo: 98,130;

- Độ tròn quỹ đạo: 0,001193;

- Chu kỳ quỹ đạo: 5909,6 giây;

- Bộ cảm đặt trên vệ tinh VNREDSat-1 là cảm biến bổ sung, được gọi là

NAOMI (New AstroSat Optical Modular Instrument);

- Thời gian chụp lặp lại (vệ tinh nghiêng ±35o): 3 ngày;

- Thời gian chụp lặp lại (vệ tinh nghiêng ±15o): 7 ngày ;

- Chụp ảnh ở kênh toàn sắc và 4 kênh đa phổ;

- Độ phân giải mặt đất 2,5m đối với kênh toàn sắc (Panchromatic) và 10m đối ảnh đa phổ (Monospectral)

Bảng 1.5 Đặc điểm ảnh vệ tinh VNREDSat-1

Hình 1.9 Hình ảnh vệ tinh VNREDSat-1 (a)

và ảnh chụp khu vực sông Hồng với độ phân giải 2,5 m (b)

Tiếp nối sự phát triển và thành công của VNREDSat-1, Việt Nam dự tính phóng VNREDSat-1B vào năm 2017 do Bỉ chế tạo

1.3.5 Tư liệu sử dụng trong viễn thám

1.3.5.1 Ảnh tương tự

Ảnh tương tự là ảnh chụp trên cơ sở của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh tương tự thu được từ các bộ cảm tương tự dùng phim chứ không sử dụng hệ

thống quang điện từ Những tư liệu này có độ phân giải không gian cao nhưng độ phân giải phổ kém Vệ tinh Cosmos của Nga thường dùng bộ cảm tương tự