Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS

Mặc dù hàng nămđều có các báo cáo về hiện trạng và tình hình biến động lớp phủ mặt đất nhưng cácbáo cáo này chủ yếu dựa trên các phương pháp truyền thống là đo vẽ, thành lập bản đồ, tính

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Đinh Thị Bảo Hoa, người đã tận tình chỉ bảo, động viên, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này.

Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Địa

lý cùng gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2010

Tác giả luận văn

Vũ Ngọc Thủy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

1 Tính cấp thiết của đề tài 6

2 Mục tiêu và nhiệm vụ 7

3 Cấu trúc đồ án 8

CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 9

1.1 Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất 9

1.1.1 Khái niệm 9

1.1.2 Phân loại lớp phủ mặt đất 11

1.2 Khái niệm về biến động 13

1.3 Các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động 15

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô 18

CHƯƠNG 2 - KHẢ NĂNG KHAI THÁC THÔNG TIN VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 20

2.1 Công nghệ viễn thám trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất 20

2.1.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám 22

2.1.2 Cơ sở viễn thám ứng dụng trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất 25

2.2 Cơ sở GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 31

2.3 Phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 33

2.3.1 Chọn tư liệu ảnh viễn thám 34

2.3.2 Nắn chỉnh hình học 34

2.3.3 Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu 35

2.3.4 Phân loại ảnh viễn thám 35

2.4.5 Kiểm chứng 42

2.4.6 Kết quả phân loại 42

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN TỪ LIÊM 43

3.1 Đặc điểm chung về địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội huyện Từ Liêm 43

3.2 Nguồn tư liệu sử dụng 46

3.3 Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu 47

3.3.1 Nắn chỉnh hình học 47

3.3.2 Cắt ảnh 47

3.3.3 Giải đoán ảnh 47

3.3.4 Phân loại 48

3.3.3 Đánh giá kết quả phân loại 57

3.3.4 Phân tích dữ liệu trong GIS 61

3.3.2 Phân tích biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm 63

3.4 Kết quả và đánh giá 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

1 Kết luận 70

2 Kiến nghị 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ

Hình 1.1 - Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất 10

Bảng 1.1 - Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực huyện Từ Liêm 13

Hình 1.2 - Phương pháp phân tích sau phân loại 16

Hình 1.3 - Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 16

Hình 1.4 - Phương pháp nhận biết thay đổi phổ 17

Hình 1.5 - Phương pháp kết hợp 18

Hình 2.1 - Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường Trái Đất 21

Hình 2.2 - Khái niệm chung về viễn thám 22

Hình 2.3 - Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin 23

Hình 2.4 - Cửa sổ khí quyển 24

Hình 2.5 - Phân loại sóng điện từ 24

Hình 2.6 - Đường cong phổ phản xạ 25

Hình 2.7 - Đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính 26

Bảng 2.1 - Một số dấu hiệu giải đoán trên ảnh tổ hợp màu giả của ảnh vệ tinh SPOT 30

Sơ đồ 2.1- Quy trình phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 33

Hình 3.1 - Bản đồ quy hoạch sử dụng đất huyện Từ Liêm đến năm 2020 45

Bảng 3.1 - Dữ liệu ảnh vệ tinh sử dụng trong đề tài 46

Bảng 3.2 - Một số mẫu giải đoán dùng trong đề tài 49

Hình 3.2 - Chọn vùng mẫu 51

Hình 3.3 - Kiểm tra sự khác biệt giữa các mẫu 51

Hình 3.4 - Tạo project 54

Hình 3.5 - Nhập dữ liệu đầu vào 54

Hình 3.6 - Hiển thị ảnh 55

Hình 3.7 - Kết quả của quá trình segment 55

Hình 3.8 - Hình ảnh phân biệt hai quá trình segment 57

Hình 3.9 - Hình minh hoạ các đối tượng của phân loại theo pixel bị mất thông tin.59 Bảng 3.3 - Ma trận sai lẫn trong phương pháp phân loại thống kê 59

Bảng 3.4 -Bảng so sánh diện tích một số lớp của phương pháp phân loại theo pixel và định hướng đối tượng với số liệu thống kê huyện 60

Hình 3.10 - Hình ảnh minh hoạ quá trình tính toán diện tích biến động 62

Biểu đồ 3.1 - Cơ cấu sử dụng đất năm 2003 và 2008 63

Hình 3.11 - Kết quả tính biến động hai ảnh phân loại năm 2003 - 2008 64

Bảng 3.5 - Diện tích biến động các loại hình sử dụng năm 2003-2008 64

Biểu đồ 3.2 - So sánh diện tích của các loại hình đất có biến động 65Hình 3.12 - Tại Từ Liêm nhiều khu đất xen kẹt giữa các khu đô thị khó canh tác 67

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ Liêm là một huyện nằm ở phía Tây cửa ngõ thủ đô Hà Nội Theo quyhoạch phát triển kinh tế - xã hội của thủ đô đến năm 2020, quá nửa huyện Từ Liêmnằm trong vành đai phát triển của đô thị Với tốc độ đô thị hóa nhanh như vậy, diệntích đất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp và chia cắt, các khu công nghiệp, khu đôthị mới từng bước hình thành Sự biến động này có những thuận lợi song cũng cónhững khó khăn hết sức phức tạp vì nó tác động đến tất cả các lĩnh vực kinh tế - vănhoá, xã hội, tập quán của nhân dân Những mặt tiêu cực do quá trình đô thị hoámang lại như sự giảm dần của các hoạt động nông nghiệp và sự phát triển của cáchoạt động phi nông nghiệp khác, sự gia tăng các vấn đề xã hội, môi trường và cảnhững vấn đề về cơ sở hạ tầng chưa kịp đáp ứng các đòi hỏi mới sẽ xuất hiện Do

đó, cần phải có sự định hướng, theo dõi, đánh giá, kiểm kê, quản lý sự biến độnglớp phủ mặt đất

Đất đai là một loại tư liệu sản xuất đặc biệt và nhà nước nắm quyền quản lýviệc sử dụng Khi xảy ra quá trình đô thị hoá, đất đai bị thay đổi mục đích sử dụngcho phù hợp với các nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng ở đô thị Mặc dù hàng nămđều có các báo cáo về hiện trạng và tình hình biến động lớp phủ mặt đất nhưng cácbáo cáo này chủ yếu dựa trên các phương pháp truyền thống là đo vẽ, thành lập bản

đồ, tính toán diện tích đất, đó là một công việc phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian.Hơn nữa, khi sử dụng các tài liệu thống kê và tài liệu bản đồ không phải bao giờcũng có thể khai thác những thông tin hiện thời nhất vì sử dụng đất luôn biến động.Phương pháp viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) đang dần khắc phục đượcnhững nhược điểm này Kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tượng ởcác độ phân giải phổ và không gian từ trung bình đến siêu cao và chu kì chụp lặp lại

từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh chóng lượngcũng như vị trí của thông tin biến động lớp phủ mặt đất và đặc biệt là xu hướng củabiến động Đối với các nhà quản lý, thông tin ở tầm vĩ mô là rất cần thiết, vì vậy các

kết quả quan sát biến động lớp phủ mặt đất từ viễn thám sẽ trợ giúp họ về mặt khoahọc trong quản lý vĩ mô, quy hoạch sử dụng đất…

Các kết quả phân loại từ viễn thám được tích hợp với các dữ liệu thống kêkinh tế xã hội trong môi trường GIS, thực hiện các chức năng phân tích không gian

và tìm kiếm dữ liệu sẽ giúp ta đưa ra được những phân tích và nhận định về nguyênnhân, ảnh hưởng và xu hướng của biến động lớp phủ mặt đất Chính vì vậy, phươngpháp viễn thám và GIS đang và sẽ là một phương pháp quan trọng trong cấu trúc hệthống quan trắc biến động lớp phủ mặt đất ở các vùng ven đô nói chung và khu vực

Từ Liêm nói riêng

Trong khoá luận này, tác giả đưa ra đề tài “Nghiên cứu biến động lớp phủ

mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS”

Dựa trên mục tiêu đề ra, cần thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Thu thập các tài liệu và các dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian có liên quan

- Nghiên cứu tổng quan phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến độnglớp phủ mặt đất

- Nghiên cứu cơ sở phản xạ của các đối tượng

- Xử lý dữ liệu trong phòng kết hợp điều tra thực địa

- Tiến hành phân loại ảnh theo 2 phương pháp: phương pháp phân loại thống

kê và phương pháp phân loại hướng đối tượng

- Giải thích kết quả, so sánh kết quả phân loại được với số liệu thống kê sửdụng đất huyện Từ Liêm và so sánh các phương pháp phân loại ảnh

- Phân tích biến động lớp phủ mặt đất khu vực Từ Liêm và so sánh, đánh giábiến động qua 2 thời kỳ (2003 - 2008)

3 Cấu trúc đồ án

Toàn bộ đồ án ngoài phần mở đầu và kết luận được trình bày trong 3chương:

CHƯƠNG 1: Cơ sở khoa học nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất

CHƯƠNG 2: Khả năng khai thác thông tin viễn thám trong nghiên cứu biếnđộng lớp phủ mặt đất

CHƯƠNG 3: Ứng dụng phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứubiến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm

CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG

đã tạo nên sự phong phú của loại hình lớp phủ mặt đất như thực phủ gồm cỏ, câybụi, rừng, đất canh tác đang có cây sinh trưởng….; dân cư đô thị, nông thôn; mạnglưới giao thông; khu công nghiệp, thương mại và các đối tượng đất chuyên dùngkhác; các vùng đất trống, đồi núi trọc, cồn cát, bãi cát…

Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng củachúng lại có sự tương quan mật thiết Sử dụng đất mô tả cách thức con người sửdụng đất và các hoạt động kinh tế - xã hội xảy ra trên mặt đất, những hoạt động này

là sự tác động trực tiếp lên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụng đấtcũng là đối tượng của lớp phủ mặt đất, ví dụ như đất đô thị và đất nông nghiệp Một

số loại hình sử dụng đất khác như công viên theo góc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ,rừng cây hay các công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ phân loại lớp phủmặt đất hiện hành đều phải xét đến khía cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hình lớpphủ nhân tạo có thực phủ

Hình 1.1 - Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất

(nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE)Trên thực tế mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớpphủ mặt đất đặc trưng và mỗi một đối tượng đều chịu sự tác động theo hai hướngcủa tự nhiên và con người với mức độ mạnh, yếu khác nhau Sự tác động này đãlàm cho lớp phủ mặt đất luôn biến đổi Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngược lạicũng có những ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của con người, như diện tíchrừng suy giảm đã gây ra lũ lụt ở một số nơi; sự gia tăng của các khu công nghiệp vàcác hoạt động nông nghiệp như tăng vụ lúa, nuôi trồng thuỷ sản không hợp lý làmột trong những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu Như vậy có thể nói lớp phủ mặtđất có quan hệ mật thiết với các hoạt động kinh tế xã hội, tài nguyên thiên nhiên vàmôi trường sống của con người Do đó, để trái đất có thể phát triển bền vững là mụctiêu lớn đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia và mỗi châu lục Trong những năm qua,trên thế giới đã xảy ra rất nhiều những hiện tượng làm ảnh hưởng lớn đến tàinguyên thiên nhiên và môi trường, như:

- Sa mạc hóa diễn ra với tốc độ nhanh hơn

- Diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp

- Đất ngập nước đang bị mất dần

- Quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ rất cao

- Thiên tai như hạn hán, lũ lụt, động đất, sóng thần thường xuyên xảy ra tạinhiều khu vực trên thế giới.

Ở nước ta trong những năm vừa qua, nhất là từ khi thực hiện chính sách đổimới đã đạt được những thành tựu to lớn về phát triển kinh tế xã hội Tuy nhiên, tốc

độ phát triển kinh tế quá cao đã dẫn tới việc khai thác tài nguyên thiên nhiên không

có quy hoạch, mà hậu quả là sự suy giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên và suy thoáimôi trường nghiêm trọng trên diện rộng Rừng tự nhiên bị chặt phá bừa bãi để lấy

gỗ, củi, khai thác khoáng sản, những diện tích rừng ngập mặn rất lớn bị chặt phá đểnuôi tôm, nguồn nước bị ô nhiễm, thiên tai hạn hán, lũ lụt xảy ra thường xuyên.Trước tình hình đó, nhu cầu bức xúc đặt ra là phải có những thông tin chính xác, kịpthời về diễn biến lớp phủ mặt đất để phục vụ một cách hiệu quả cho công tác điềutra, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường

Các thông tin về lớp phủ mặt đất được thu thập bằng hai phương pháp cơ bản

là khảo sát thực địa và phân tích tư liệu viễn thám Khảo sát thực địa là phươngpháp thu thập thông tin truyền thống thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian.Phân tích tư liệu viễn thám là phương pháp hiện đại, cho phép chiết tách các thôngtin lớp phủ mặt đất một cách nhanh chóng, hiệu quả và ít tốn kém

1.1.2 Phân loại lớp phủ mặt đất

Để thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các thông tin lớp phủ mặt đất vàđảm bảo tính thống nhất về nội dung thông tin, người ta đó xây dựng các hệ phânloại lớp phủ mặt đất Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựatrên nguyên tắc sau:

- Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tượng bề mặt thành cácnhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tượng như mặt nước, mặt đất, lớpphủ thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo

- Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm cácloại ảnh vệ tinh như SPOT, LANDSAT, ảnh hàng không…

- Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đốitượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau

- Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn

- Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợpvới việc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêucầu thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau

Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp vớiđiều kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực

Hệ phân loại FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land CoverClassification) vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừachi tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảosát ngoại nghiệp

Hệ phân loại CORINE (Coordination of information on the environment)dựa vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của

Mỹ và Châu Âu

Cụ thể là:

* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính:

Cấp 1 (Level1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ

thực vật của bề mặt đất

Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1

theo đặc điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất

Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2

theo tính chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất Từ cấp 3 trở đi các đối tượngđược phân chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vựcnghiên cứu và mức độ chi tiết của bản đồ cần thành lập

* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp:

Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của trái

đất là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt,mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu

Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối

tượng cũng như khu vực nghiên cứu

Ở nước ta trong những năm gần đây đã quan tâm đến việc thành lập bản đồlớp phủ mặt đất, nhưng chưa có một công trình nào chuyên nghiên cứu về hệ phânloại của bản đồ để đưa ra một hệ phân loại chung áp dụng cho cả nước như hệ phânloại của bản đồ hiện trạng sử dụng đất Các bản đồ lớp phủ mặt đất đã thành lập đềuphục vụ một mục đích cụ thể hoặc chỉ là một lớp thông tin của lớp phủ mặt đất nhưlớp phủ rừng

Thông qua việc nghiên cứu, tham khảo các hệ phân loại “Lớp phủ mặt đất ”, đồng thời phân tích đặc điểm của các đối tượng trong vùng thử nghiệm kết hợp với khả năng thông tin của các tư liệu sử dụng, tác giả đã xây dựng hệ phân loại một số đối tượng lớp phủ mặt đất phục vụ nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được trình bày trong bảng dưới đây :

Lớp phủ mặt nước 1 Hồ ao, sông suối, kênh mương

Lớp phủ đất nông

nghiệp

2 Vùng chuyên canh lúa, lúa màu

3 Vùng chuyên canh rau màu, cây ngắn ngày khác

4 Đất trồng cây lâu nămLớp phủ dân cư 5 Khu dân cư đô thị

6 Khu dân cư nông thônLớp phủ mặt đất

khác

7 Đất chưa sử dụng

Bảng 1.1 - Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực huyện Từ Liêm

1.2 Khái niệm về biến động

Cụm từ biến động được nhắc đến ở mọi nơi, mọi lúc ví như: biến động thị

trường, biến động giá cả, biến động không gian, biến động dân số, biến động tâmlí… Như vậy, biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái nàybằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tựnhiên cũng như môi trường xã hội

* Biến động về chất và về lượng

Theo triết học duy vật biện chứng: Chất là tính quy định vốn có của các sựvật và hiện tượng, là sự thống nhất hữu cơ của các thuộc tính, các yếu tố cấu thành

sự vật, nói lên sự vật đó là gì, phân biệt nó với các sự vật, hiện tượng khác Lượng

là tính quy định vốn có của sự vật hiện tượng về quy mô, trình độ phát triển, biểu thịcon số các thuộc tính, các yếu tố cấu thành nó

Như vậy, những thay đổi đơn thuần về lượng đến một mức độ nhất định sẽchuyển thành sự thay đổi khác nhau về chất Chiều ngược lại, có nghĩa là khi chấtmới ra đời, nó lại tạo ra một lượng mới phù hợp với nó để có một sự thống nhất mớigiữa chất và lượng Sự quy định này có thể được biểu hiện ở quy mô mức độ vànhịp độ phát triển mới của lượng Từ đó ta thấy rằng: quy luật lượng chất là quy luật

về sự tác động biện chứng giữa lượng và chất, những thay đổi về lượng chuyểnthành những thay đổi về chất và ngược lại Chất là mặt tương đối ổn định, lượng làmặt biến đổi mâu thuẫn với chất cũ, chất mới được hình thành với lượng mới.Nhưng lượng mới lại tiếp tục biến đổi, đến một mức độ nào đó lại phá vỡ chất cũđang kìm hãm nó Quá trình tác động lẫn nhau giữa hai mặt chất, lượng tạo nên mộtcon đường vận động liên tục, từ biến đổi dần dần dẫn tới nhảy vọt, rồi lại biến đổidần dần chuẩn bị cho những bước nhảy tiếp theo, cứ thế làm cho sự vật khôngngừng biến đổi, phát triển

* Biến động về diện tích đối tượng (biến động về số lượng)

Giả sử cùng đối tượng A ở thời điểm T1 có diện tích S1, ở thời điểm T2 códiện tích là S2 (đối tượng A thu nhận được từ hai ảnh vệ tinh có thời điểm chụpkhác nhau), như vậy ta nói rằng A bị biến đổi diện tích ở thời điểm T1 so với T2 (sựbiến đổi này có thể bằng nhau, nhỏ hơn hoặc lớn hơn) nếu ta dùng kỹ thuật đểchồng xếp hai lớp thông tin này thì phần diện tích của phần trùng nhau sẽ được gángiá trị cũ của đối tượng A, còn giá trị khác sẽ là giá trị của phần biến động Giá trịbiến động này là bao nhiêu, tăng hay giảm phụ thuộc vào thuật toán được sử dụng

* Biến động về bản chất đối tượng

Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác nhau,

diện tích A ở thời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2 (M1, M2 làcác giá trị phổ), ta sử dụng thuật toán chồng ghép hai lớp thông tin tại hai thời điểmT1, T2 sẽ xuất hiện giá trị M khác M1, M2 Giả sử diện tích A không đổi ta nói rằng

có sự thay đổi về chất của A, trên thực tế đây là sự thay đổi loại hình lớp phủ mặtđất

* Phân tích vector biến động

Các đối tượng địa lý đơn giản hay phức tạp đều được qui thành 3 dạng: điểm(point), đường (line), vùng (polygon) Trong đó: điểm (point): thể hiện một phần tử

dữ liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều Phương phápphân tích vector cho phép xác định và nghiên cứu xu thế biến động về chất củatừng điểm trong không gian 2 hoặc n chiều

Biến động vùng đất được thể hiện qua hai hình thức chính sau:

- Biến động về diện tích: biến động về diện tích thể hiện qua các thời giankhác nhau

- Biến động về loại hình đất đai: biến động về hiện trạng lớp phủ mặt đấtthể hiện qua hai thời điểm khác nhau

Từ các tư liệu ảnh, tiến hành so sánh để có thông tin về sự biến động của đấtđai theo nguyên tắc phân tích vector

1.3 Các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động

Theo dõi biến động tài nguyên và môi trường đã trở thành một ứng dụngquan trọng được nghiên cứu nhiều trong kỹ thuật viễn thám Với việc sử dụng vệtinh quang học, có thể tóm tắt lại thành 4 phương pháp đánh giá biến động chínhsau:

* Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại

Hình 1.2 - Phương pháp phân tích sau phân loại

Việc tiến hành phân loại độc lập các ảnh viễn thám làm cho phương phápnày có độ chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép phân loại

và đó thường là độ chính xác không cao, đặc biệt là chuỗi ảnh có số lượng lớn.Nhận xét về độ chính xác của phương pháp này, người ta đã đưa ra: Nếu độ chínhxác của hai phép phân loại đạt lần lượt là 80% và 70%, độ chính xác của phần biếnđộng nhận biết được sẽ đạt là 56% Do vậy, cần phải hết sức thận trọng khi sử dụngmặc dù phải thừa nhận rằng đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện

* Phương pháp 2: Phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Ảnh 1

Ảnh 2

Hình 1.3 - Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Phương pháp này thực chất là ghép hai ảnh vào nhau tạo thành ảnh đa thờigian trước khi phân loại Hai ảnh có n kênh phổ được chồng phủ lên nhau để tạo nênmột ảnh có 2n kênh Kết quả phân loại của ảnh chồng phủ gồm 2n kênh này là tậphợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi Hạn chế lớn nhất củaphương pháp này là tuy chỉ phân loại một lần, một ảnh (đa thời gian) nhưng lại rất

phức tạp trong lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu không biến động cũng như các mẫubiến động Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (trong các mùa trongnăm) và ảnh hưởng của khí quyển cũng không dễ được loại trừ và do đó ảnh hưởngtới độ chính xác của phương pháp.

* Phương pháp 3: nhận biết thay đổi phổ

Ảnh 1

Ảnh 2

Đánh giá

Hình 1.4 - Phương pháp nhận biết thay đổi phổ

Về bản chất, nhóm phương pháp này sử dụng các kỹ thuật khác nhau để từhai ảnh ban đầu tạo nên một kênh hay nhiều kênh ảnh mới thể hiện sự thay đổi phổ

Sự khác biệt hoặc tương tự phổ giữa các pixel có thể được tính cho từng pixel hoặctính trên toàn cảnh cùng với tính trên từng pixel Vì thế, phương pháp này đòi hỏinắn chỉnh hình học phải có sai số nhỏ hơn 1 pixel

Kết quả của việc so sánh là một ảnh chỉ rõ những khu vực có thay đổi vàkhông thay đổi cũng như mức độ thay đổi (ảnh này được gọi là ảnh thay đổi) Khiảnh này được tạo ra, để có thể phân định được rõ các pixel thay đổi cũng như mức

độ thay đổi cần phải có một số bước xử lý tiếp theo, trong đó quan trọng nhất là kỹthuật phân ngưỡng Phân ngưỡng thực chất là việc định nghĩa mức độ mà tại đóchúng ta coi là sự thay đổi Phương pháp xác định ngưỡng được sử dụng nhiều nhất

là phân tích hàm phân bố của ảnh thay đổi

* Phương pháp 4: Kết hợp

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô

Hiện nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về biến động lớp phủ mặtđất với các góc nhìn khác nhau, có công trình tập trung vào phân tích nghiên cứu lýluận, có công trình tập trung vào các phương pháp tìm ra biến động và có nhữngcông trình kết hợp cả hai: kỹ thuật phát hiện biến động, đánh giá kết quả và bổ sung

GIS” của tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng đã giải quyết những vấn đề như chiết xuấtcác thông tin về biến động sử dụng đất từ dữ liệu viễn thám đa phổ và đa thời gianthông qua một số phương pháp phân tích và xử lý ảnh số, tích hợp các kết quả phântích dữ liệu viễn thám với các dữ liệu khác để đánh giá mối tương quan giữa biếnđộng sử dụng đất và các hiện tượng kinh tế xã hội.

Nhóm tác giả Nhữ Thị Xuân, Đinh Thị Bảo Hoa, Nguyễn Thị Thuý Hằng vớibài báo “Đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội giaiđoạn 1994 - 2003 trên cơ sở phương pháp viễn thám kết hợp GIS” đã phân tích,đánh giá biến động sử dụng đất khu vực Thanh Trì Đây cũng là một trong nhữngkhu vực có sự ảnh hưởng lớn do quá trình đô thị hóa

Ngoài việc sử dụng các tư liệu viễn thám trong nghiên cứu biến động, tác giảHoàng Thị Thanh Hương trong đề tài “Nghiên cứu biến động sử dụng đất quậnLong Biên, thành phố Hà Nội trong quá trình đô thị hoá” đã kết hợp tư liệu viễnthám với khả năng phân tích không gian của hệ thông tin địa lý Đề tài thử nghiệmphương pháp phân loại mới là phân loại theo đối tượng, phương pháp thực hiện trên

tư liệu viễn thám có độ phân giải cao (VHR) Đồng thời sử dụng phân tích khônggian trong GIS để đối sánh các kết quả phân loại với các dữ liệu kinh tế xã hội đượcmối tác động qua lại giữa chúng Kết quả cho thấy rằng, ảnh viễn thám với độ phângiải không gian cao có thể đáp ứng được yêu cầu độ chính xác của các vùng đô thị

có tính chất manh mún như ở Việt Nam

Việc ứng dụng viễn thám trong theo dõi hiện trạng sử dụng đất mặc dù đãphổ biến trên thế giới nhưng ở Việt Nam vẫn chưa được áp dụng rộng rãi Điều này

có thể thấy rằng, khả năng của viễn thám trong theo dõi hiện trạng là rất tốt nhưngviệc thực hiện công việc này còn rất khó khăn, nhất là với khu vực có diện tích nhỏ

CHƯƠNG 2 - KHẢ NĂNG KHAI THÁC THÔNG TIN VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT

2.1 Công nghệ viễn thám trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất

Ngày nay ai cũng nhận thức được rằng hậu quả tất yếu của việc tăng dân số

và phát triển kinh tế dẫn đến những đòi hỏi ngày càng bức bách hơn đối với các tàinguyên trên trái đất và dẫn đến những tác động sâu sắc tới môi trường toàn cầu như:các tài nguyên thiên nhiên bị cạn kiệt, ô nhiễm môi trường, các loại hình sử dụngđất bị thay đối dưới tác động của quá trình đô thị hóa, phá rừng, khả năng biến đổikhí hậu toàn cầu do các tác động của con người trong quá trình sản xuất và tiêu thụcác loại khí nhà kính

Trong khi đó con nguời cũng ý thức được tính không ổn định của hệ thốngTrái đất với những hiện tượng thiên tai cực đoan ngày càng xuất hiện nhiều hơnnhư lũ lụt, hạn hán, động đất Bất chấp sự gia tăng cũng như tính nghiêm trọngcủa các hiện tượng đó, chúng ta vẫn phải phát triển nhưng cần phát triển sao chobền vững và không gây các tác động nghiêm trọng đến môi trường Để có thể kịpthời đánh giá được các trạng thái phát triển chúng ta cần thu thập được dữ liệu vềmôi trường trái đất trên quy mô toàn cầu Các dữ liệu này bao gồm các tham số địavật lý, thông tin về khí quyển, thảm thực vật, hiện trạng sử dụng đất Chúng có thể

là các chuỗi dữ liệu đa thời gian cho một điểm hoặc khu vực

Trong những năm gần đây các hệ thống quan trắc trái đất từ vệ tinh đã nângtầm hiểu biết về trái đất ngày càng đầy đủ hơn Các chuyến bay dự tính cùng vớicác vệ tinh đã phóng sẽ tăng cường kho thông tin về trái đất Các thông tin thu thậpđược sử dụng vào các mục đích chính sau:

 Nghiên cứu về biến đổi khí hậu

 Nghiên cứu sự biến động tầng ôzôn

 Dự báo thời tiết

 Ứng dụng trong nông nghiệp và lâm nghiệp

 Điều tra tài nguyên khoáng sản

 Theo dõi giảm nhẹ thiên tai

 Ứng dụng trong quản lý đới bờ

 Các ứng dụng trong hải dương học

Các vệ tinh quan trắc trái đất có khả năng được sử dụng để hỗ trợ công tácquy hoạch phát triển, ví dụ cung cấp thông tin nhằm tăng hiệu quả việc khai thác tàinguyên hoặc các công nghệ hoàn nguyên môi trường Trong nhiều trường hợp còncung cấp nhiều thông tin hữu ích đánh giá tính bền vững của một kế hoạch pháttriển Hiện nay có nhiều quốc gia tham gia vào mạng lưới quan trắc trái đất từ vũtrụ Trước tiên phải kể đến Mỹ với Cơ quan quản lý vũ trụ (NASA), các nước thuộccộng đồng Châu Âu với Cơ quan vũ trụ Châu Âu (ESA), Nhật Bản với Cơ quanphát triển vũ trụ Nhật Bản (NASDA) Ngoài ra nhiều quốc gia khác nữa như ấn Độ,Trung Quốc, Canada…cũng có những chương trình nghiên cứu vũ trụ riêng củamình và đã đạt được rất nhiều thành tựu trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.Các hoạt động nghiên cứu Trái đất từ vũ trụ được điều phối trên quy mô toàn cầubởi ủy ban quan trắc trái đất bằng vệ tinh (Committee on Earth Observation –CEOS) thành lập năm 1984 trong cuộc họp thượng đỉnh về kinh tế các nước G7

Hình 2.1 - Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường Trái Đất

Hệ thống vệ tinh này nhằm quan trắc, tìm hiểu và theo dõi những ảnh huởngcủa các hiện tượng tự nhiên và tác động của con người đối với môi trường Trái đất

Các hệ thống vệ tinh quan trắc trái đất có thể được phân thành nhiều loại khác nhautùy theo các chỉ tiêu phân loại: vệ tinh khí tượng thời tiết hay vệ tinh tài nguyên môitrường

2.1.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám

Viễn thám là phương pháp xử lý và phân tích các thông tin của những đối tượng phân bố trên bề mặt Trái Đất và được thu thập từ ba tầng không gian: Vũ trụ (ngoài khí quyển), Tầng trung (tầng khí quyển), Mặt đất nhằm xác định một cách tổng hợp những thuộc tính cơ bản của đối tượng nghiên cứu

Hình 2.2 - Khái niệm chung về viễn thám

Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lí trong tựnhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản

xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng Từ đó, nguồn tư liệuviễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạcác sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm(remote sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh

Sóng điện từ được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tưliệu chủ yếu trong viễn thám Các tính chất của vật thể có thể được xác định thôngqua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể Viễn thám là một công nghệ

nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông quanhững đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ

Hình 2.3 - Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin

Bức xạ điện từ có 4 thông số cơ bản đó là tần số, hướng lan truyền, biên độ

và mặt phẳng phân cực Các thông số này có thể sử dụng trong việc khai thác thôngtin ảnh Ví dụ: tần số có thể được dùng để xác định vận tốc chuyển động của vật thểdựa trên hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phát hiện các cấu trúccủa đối tượng Biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể và được sử dụng nhưnhững phần tử giải đoán ảnh cơ bản, mặt phân cực được sử dụng để xác định hìnhdạng của vật thể - ánh sáng phản xạ trên các bề mặt tương tự nhau sẽ cho các chùmtia có mặt phẳng phân cực giống nhau

Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO2

mà độ truyền dẫn của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng Tại những vùng

đó bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất - đồng nghĩavới việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin Ở những vùng còn lạitrong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám bức xạ sẽ đạt tới bộ cảm.Những vùng bước sóng đó được gọi là cửa sổ khí quyển, chỉ trong các vùng bướcsóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho bộ cảm

Hình 2.4 - Cửa sổ khí quyển

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từbằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưngphổ Đặc trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng rađối tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặctrưng phổ và sắc, tông mầu trên ảnh tổ hợp mầu để giải đoán đối tượng

Hình 2.5 - Phân loại sóng điện từ

Về nguyên tắc, vệ tinh “nhìn” được tất cả các đối tượng trên bề mặt Trái Đấtbao gồm: đất, nước và thực vật Đặc trưng phổ của các đối tượng này có thể đượcbiểu diễn như trên hình 2.6

Hång ngo¹i gÇn Hång ngo¹i trung

d¶I sãng

§Êt kh«

§Êt ít Thùc vËt

số dải phổ nhất định hay còn gọi là các kênh phổ

Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0.3-0.4 m), vùngánh sáng nhìn thấy (0.4-0.7 m), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt.Trong tất cả tài liệu cơ sở về viễn thám, theo buớc sóng sử dụng, công nghệ viễnthám có thể chia làm ba nhóm chính:

1 Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

2 Viễn thám hồng ngoại nhiệt

3 Viễn thám siêu cao tần

Các loại sóng điện từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: TiaGamma - Y tế và hạt nhân; Vùng nhìn thấy - Cho các phân tích bằng mắt; Hồngngoại - Phân biệt thảm thực vật; Sóng ngắn - Mặt đất, mặt nước

2.1.2 Cơ sở viễn thám ứng dụng trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất

Viễn thám là một khoa học công nghệ giúp xác định, đo đạc hoặc phân tíchcác tính chất của các đối tượng hoặc hiện tượng từ một khoảng cách xa mà khôngcần tiếp xúc trực tiếp tới đối tượng

Các đối tượng tự nhiên này hấp thụ, phản xạ sóng điện từ với cường độ vàtheo những cách khác nhau, được gọi là các đặc trưng phổ Các đặc trưng này chứađựng các thông tin quan trọng cho phép nhóm các thành tạo tự nhiên đó thành cácloại đối tượng có đặc trưng phản xạ phổ giống nhau Điều này rất có ích cho quátrình giải đoán ảnh vệ tinh vì thế mà các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tựnhiên đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệuquả các thông tin thu được.

Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhư điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển và bề mặt đối tượng, đặc biệt là bảnthân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền - bề mặt nhám, thực vật, chất mùn, cấu trúc

bề mặt, ) Đối với các đối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau,với mỗi đối tượng sự phản xạ, hấp thụ lại thay đổi theo bước sóng Phương phápviễn thám dựa chủ yếu trên nguyên lý này để nhận biết, phát hiện các đối tượng,hiện tượng trong tự nhiên Các thông tin về đặc trưng phổ phản xạ của các đốitượng tự nhiên sẽ giúp các nhà chuyên môn lựa chọn các phép xử lý ảnh để có đượckênh tối ưu, chứa nhiều thông tin về đối tượng nghiên cứu, đây chính là cơ sở đểphân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng và tiến tới phân loại chúng

Sau đây là đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính

Hình 2.7 - Đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính

Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật

Bức xạ Mặt trời khi tới bề mặt lá cây, phần trong vùng sóng đỏ (red) và xanh

lơ (blue) bị chất diệp lục hấp thụ phục vụ cho quá trình quang hợp, vùng sóng lục(green) và vùng hồng ngoại sẽ phản xạ khi gặp nhiều chất diệp lục của lá (khi thựcvật khoẻ mạnh) Khi thực vật yếu, diệp lục tố giảm đi thì khả năng phản xạ vùngsóng đỏ trội hơn nên lá cây có màu vàng (tổ hợp màu green – red ) hoặc đỏ hẳntrong điều kiện khí hậu lạnh

Sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ 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, thànhphần và cấu tạo biểu bì, hình thái lá…), thời kỳ sinh trưởng (tuổi cây, giai đoạn sinhtrưởng…) và tác động ngoại cảnh (điều kiện sinh trưởng, điều kiện chiếu sáng, thờitiết, vị trí địa lý…) Tuy vậy, đặc trưng phổ phản xạ của lớp phủ thực vật vẫn mangnhững đặc điểm chung: Phản xạ ở vùng sóng hông ngoại gần (λ > 0,720µm), hấpm), hấpthụ mạnh vở vùng sóng đỏ (λ = 0,680 – 0,270 µm), hấpm)

Đặc trưng phản xạ phổ của nước

Khả năng phản xạ phổ của nước cũng thay đổi theo bước sóng của bức xạchiếu tới và thành phần vật chất có trong nước Nước chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóngcủa tia xanh lơ (blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (green), triệt tiêu ở cuốidải sóng đỏ Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào bề mặt và trạng thái của nước

Phần lớn năng lượng bức xạ Mặt trời chiếu tới bị nước hấp thụ cho quá trìnhlàm tăng nhiệt độ nước Năng lượng phản xạ của nước bao gồm năng lượng phản xạtrên bề mặt và phần năng lượng phản xạ sau khi tán xạ với các vật chất lơ lửngtrong nước Vì vậy, năng lượng phản xạ của các loại nước khác nhau là rất khácnhau, đặc biệt là nước trong và nước đục Nhìn chung khả năng phản xạ của nước làthấp và giảm dần theo chiều tăng của bước sóng Bức xạ Mặt trời hầu như bị hấpthụ hoàn toàn ở sóng hồng ngoại và cận hồng ngoại Nước đục phản xạ mạnh hơnnước trong, đặc biệt ở vùng sóng đỏ do ảnh hưởng tán xạ của các vật chất lơ lửng.Việc sử dụng các ảnh chụp trong kênh sóng dài cho ta giải đoán các đối tượng nước

Ví dụ, các đường bờ nước sẽ được giải đoán dễ dàng trên kênh hồng ngoại và cậnhồng ngoại.

Đặc trưng phản xạ phổ của đất

Đường biểu diễn đặc trưng các phản xạ phổ của lớp phủ thổ nhưỡng có dạngtăng dần từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại một cách đơn điệu, ít có những cực đại vàcực tiểu một cách rõ ràng Lý do chính là các yếu tố của đất phức tạp và không rõràng như ở thực vật Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc chủ yếu vào bản chất lý hoácủa đất, hàm lượng hữu cơ, độ ẩm, cấu trúc (tỷ lệ cát, bột và sét), trạng thái, bề mặt,thành phần cơ giới của đất Điều này làm cho đường cong biến động nhiều quanhmột giá trị trung bình Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ của đất tăng dần vềphía có bước sóng dài

Đặc trưng phổ phản xạ của đá

Đá có cấu tạo khối, khô có dạng đường cong phổ phản xạ tương tự như củađất song giá trị tuyệt đối thường cao hơn Tuy nhiên, cũng như đối với đất, sự biếnđộng của giá trị phổ phản xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố của đá: Mức độ chứa nước,cấu trúc, cấu tạo, thành phần khoáng vật, tình trạng bề mặt,…

Tóm lại, phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được vềcác đối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở cácdải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bềmặt Thông tin về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phântích ảnh trong viễn thám, đặc biệt là xử lý số

Các đối tượng khác nhau trong cùng một nhóm đối tượng sẽ có dạng đườngcong phổ phản xạ chung, tương đối giống nhau, song sẽ khác nhau về các chi tiếtnhỏ trên đường cong hoặc khác nhau về độ lớn giá trị cường độ phản xạ Khi tínhchất của đối tượng thay đổi thì đường cong phổ phản xạ cũng bị biến đổi theo Dựatrên các đặc điểm này mà có các dấu hiệu giải đoán cho các đối tượng trên ảnh vệtinh như sau:

- Các yếu tố ảnh:

+ Độ sáng (tone ảnh): Là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ bởi bề mặtđối tượng, là dấu hiệu giải đoán hết sức quan trọng để xác định đối tượng

+ Kiến trúc ảnh (texture): Kiến trúc ảnh được hiểu là số lần lặp lại của sựthay đổi tone ảnh gây ra bởi tập hợp của nhiều đặc tính rõ ràng của các cá thể riêngbiệt Ví dụ, cấu trúc mịn đặc trưng cho trầm tích bở rời, cấu trúc thô đặc trưng cho

đá magma, cấu trúc dạng dải đặc trưng cho các đá trầm tích biến chất Từ đó có thểphân biệt được các loại đá khác nhau và độ cao tương đối của chúng

+ Kiểu mẫu (pattern): Là nhân tố rất quan trọng thể hiện sự sắp xếp của đốitượng theo một quy luật nhất định trong không gian Một dạng địa hình đặc trưng sẽbao gồm sự sắp xếp theo một quy luật đặc trưng của các đối tượng tự nhiên, là hợpphần của các dạng địa hình đó Ví dụ, khu đô thị là tập trung của nhà xây, đườngphố, cây xanh tạo nên một mẫu đặc trưng của cấu trúc đô thị Ruộng trồng lúa cóhình mẫu đặc trưng khác với vườn cây ăn quả

+ Hình dạng (shape): Là những đặc trưng bên ngoài tiều biểu cho từng đốitượng, là hình ảnh bên ngoài của đối tượng Hình dáng là yếu tố đầu tiên giúp chongười phân tích có thể phân biệt các đối tượng khác nhau Ví dụ, hồ móng ngựa làkhúc sông cụt, dạng chổi sáng màu là các cồn cát ven biển

+ Kích thước ( size): Kích thước của một đối tượng được xác định theo tỷ lệảnh và kích thước đo được trên ảnh Dựa vào thông tin này cũng có thể phân biệtđược các đối tượng trên ảnh

+ Bóng ( shadow): Là phần bị che lấp, không có ánh sáng mặt trời chiếu tớihoặc từ nguồn chủ động, do đó không có ánh sáng phản hồi tới thiết bị thu Bóngthường thể hiện bằng tone ảnh đen trên ảnh đen trắng và màu sẫm đến đen trên ảnhmàu Bóng có thể phản ánh lên độ cao của đối tượng Bóng là yếu tố quan trọng tạonên cấu trúc đặc trưng cho các đối tượng Tuy nhiên bóng cũng là phần mà thôngtin về đối tượng không có hoặc rất ít vì vậy cần phải bổ sung lượng thông tin ở vùngnày

+ Vị trí ( site): Vị trí cũng là một yếu tố rất quan trọng để phân biệt các đốitượng Cùng một dấu hiệu, song ở các vị trí khác nhau có thể là các đối tượng khác

nhau Ví dụ, bãi bồi không thể có ở sườn núi mặc dù vài đặc điểm trên ảnh trông rấtgiống dấu hiệu của nó Các bãi bồi chỉ phân bố ở hai bên bờ sông suối và có màusáng còn ở sườn núi các mảng màu sáng lại là các nón phóng vật, các đới trượt lởhoặc vùng canh tác nương rẫy.

+ Màu (color): Màu của đối tượng trên ảnh tổ hợp màu giả ( FCC) giúp chongười giải đoán có thể phân biệt nhiều đối tượng có đặc điểm tone ảnh tương tựnhau trên ảnh đen trắng Tổ hợp màu giả thông dụng trong ảnh LANDSAT vàSPOT là xanh lơ (blue), xanh lục (green) và (red) thể hiện các nhóm yếu tố cơ bản

là thực vật có màu hồng đến đỏ, nước có màu xanh lơ nhạt đến sẫm, rừng ngập mặn

có màu đỏ sẫm đến nâu sẫm, đất trống có cây màu vụ đông thì có màu hồng đếnvàng,…

Ngoài 3 tổ hợp màu giả trên người ta có thể tạo ra rất nhiều tổ hợp màu giảkhác bằng phương pháp quang học ( dùng các tấm lọc màu) hoặc bằng kỹ thuật xử

lý ảnh số Vì vậy khi giải đoán các đối tượng trên ảnh màu giả phải có những địnhhướng ngay từ đầu về các tổ hợp màu giả, từ đó tránh được sự nhầm lẫn

- Các yếu tố địa kỹ thuật

Các yếu tố địa hình, thực vật, hiện trạng sử dụng đất, mạng lưới sông suối, hệthống các khe nứt và các yếu tố dạng tuyến, tổ hợp các yếu tố giải đoán Sau đây làmột số dấu hiệu giải đoán:

Bảng 2.1 - Một số dấu hiệu giải đoán trên ảnh tổ hợp màu giả của ảnh vệ tinh

SPOT

mật độ công trình)

2 Giao thông (đường

bộ, đường sắt)

Xanh lam thẫm hoặc xám

3 Cây hàng năm Đỏ (cây đang trồng), hồng xám (cây đã thu hoạch)

và xanh lam - trắng (đất cày)

4 Vật thể nước Đen, xanh lá cây lẫn xanh lam (tối hoặc sáng theo

độ sâu và độ sạch)

Nguồn: Nghiên cứu sử dụng hợp lý đất vùng ven đô huyện Thanh Trì, Hà Nội với sự hỗ trợ của công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý – Đinh Thị Bảo Hoa, 2007.

Như vậy trong giải đoán bằng mắt phải nắm bắt và phân biệt được các dấuhiệu giải đoán, công việc đó đòi hỏi người giải đoán phải có kiến thức chuyên mônvững để có thể kết hợp tốt các kiến thức trong quá trình giải đoán ảnh và chỉ có vậymới có thể đưa ra kết quả chính xác

2.2 Cơ sở GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất

Có rất nhiều quan niệm về GIS nhưng nói chung là đều tập chung theo haihướng:

- Quan niệm về GIS như một cơ sở dữ liệu bản đồ được điều khiển bằng các

kỹ thuật đồ hoạ máy tính với các chức năng nhập, tổ chức, hiển thị, hỏi đáp cácthông tin bản đồ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu

- Quan niệm về GIS như một hệ thông tin địa lý gồm các chức năng nhập,phân tích hiển thị và có khả năng mô hình hoá các lớp thông tin được tổ chức trongmột cơ sở dữ liệu để thành lập bản đồ chuyên đề

Cho dù GIS được hiểu theo quan niệm nào thì nó cũng phải đáp ứng đượcyêu cầu là một hệ thông tin gồm có 4 phần:

1 Máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng vào,

ra và xử lý thông tin của phần mềm

2 Một phần mềm có khả năng như nhập, lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổchức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính, phân tích, biến đổi thông tintrong cơ sở dữ liệu, hiển thị và trình bày thông tin dưới dạng khác nhau, với cácbiện pháp khác nhau;

3 Có cơ sở dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý) và cácthông tin thuộc tính, được tổ chức theo ý đồ chuyên ngành nhất định

4 Người sử dụng với các kiến thức chuyên gia chuyên ngành

Trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất, GIS đóng vai trò quan trọngtrong việc tập hợp và phân tích cơ sở dữ liệu Mục đích là tổng hợp, hệ thống hoá vàthống nhất nguồn dữ liệu phục vụ việc theo dõi đánh giá và dự báo biến động lớpphủ mặt đất.

Mặt mạnh của một GIS thể hiện qua chức năng phân tích không gian Phântích không gian thường để tạo thêm các thông tin địa lý bằng cách sử dụng cácthông tin đã có hay phát triển các cấu trúc không gian hoặc mối liên hệ giữa cácthông tin địa lý Trong phân tích biến động lớp phủ mặt đất, ta thường dùng một số

kỹ thuật sau:

Tạo thêm thông tin địa lý qua chồng lớp dữ liệu hoặc tạo vùng đệm: Chồnglớp dữ liệu (Overlay) là một kỹ thuật phổ biến trong phân tích không gian Nhiềulớp dữ liệu được chồng lên nhau theo một phép toán đại số hoặc logic nào đó để cómột dữ liệu mới Tạo vùng đệm là xác định khu vực nằm trong một bán kính nhấtđịnh so đối tượng với một điểm hoặc đường nào đó Thông thường, độ dài của bánkính vùng đệm được xác định do ảnh hưởng của điểm hoặc đường tới xung quanh

Kỹ thuật liên kết: Là liên kết nhiều kỹ thuật phân tích không gian với nhau

để ta có được kết quả cần thiết

Ngoài ra, để tìm kiếm dữ liệu thoả mãn một điều kiện đặt ra ta còn sử dụngchức năng truy vấn không gian của GIS Có hai loại truy vấn không gian là truy vấn

dữ liệu thuộc tính (tức là tìm một phân bố không gian hay một vùng thoả mãn một

số điều kiện thuộc tính) và truy vấn dữ liệu địa lý (tìm kiếm tất cả các dữ liệu thoảmãn một điều kiện địa lý đã cho như vị trí, hình dạng hay điểm giao cắt, )

Việc tìm kiếm và phân tích dữ liệu phụ thuộc vào khả năng liên kết hai kiểu

dữ liệu này Khả năng liên kết càng lớn thì việc tìm kiếm và phân tích dữ liệu sẽcàng hiệu quả Người sử dụng có thể truy nhập dữ liệu bảng thông qua bản đồ hoặc

có thể tạo ra bản đồ thông qua các dữ liệu bảng Để truy cập và hiển thị dữ liệu này,máy tính cần phải lưu trữ cả dữ liệu dạng bảng và dữ liệu đồ hoạ theo khuôn dạng

có tổ chức và có thể tìm kiếm được

2.3 Phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất

Cơ sở lý thuyết

Lập bảng chú giải

Chọn tư liệu viễn thám

Nắn chỉnh hình học

Đồng nhất độ phân giải

Phân loại ảnh viễn thám

Bản đồ kết quả 1

Bản đồ kết quả 2 Bản đồ biến

động

Đánh giá biến động Kiểm chứng

Sơ đồ 2.1- Quy trình phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất

Quy trình xử lý ảnh bằng viễn thám bao gồm:

2.3.1 Chọn tư liệu ảnh viễn thám

Chọn tư liệu viễn thám của khu vực nghiên cứu ở các thời điểm trên cơ sở lýthuyết đề tài đã đưa ra Kỹ thuật điều tra biến động liên quan đến việc sử dụng mộtdãy dữ liệu đa thời gian để xác định vùng biến động lớp phủ giữa hai thời gianchụp Để nghiên cứu biến động ta cần có ít nhất 2 ảnh chụp ở cùng khu vực và ở haithời điểm khác nhau Sau đó, ta chuyển đổi hai ảnh về cùng một hệ quy chiếu vàcùng độ phân giải Đây là phương pháp quan trọng trong kỹ thuật điều tra biến độngbởi nó liên quan đến kết quả và độ chính xác khi so sánh hai kết quả phân loại Nóichung khi sai số nắn chỉnh lớn hơn 1 pixel (tức là lớn hơn độ phân giải không gian)thì việc xác định thông tin biến động sẽ thất bại bởi có nhiều pixel bị lẫn

2.3.2 Nắn chỉnh hình học

Bản chất của quá trình là xây dựng được mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnh

đo và hệ toạ độ quy chiếu chuẩn Lý do là trong quá trình thu nhận ảnh luôn có sựsai lệch về vị trí giữa toạ độ ảnh đo được và toạ độ ảnh lý tưởng được tham chiếuvới hệ toạ độ biết trước dùng cho Trái đất Vì thế cần phải thực hiện hiệu chỉnh hìnhhọc (nắn chỉnh hình học)

Trong cả hai phương pháp, nắn ảnh với bản đồ ( hoặc với dữ liệu đo được từGPS) và ảnh với ảnh phải đảm bảo độ chính xác cho phép Thông thường việc kiểm

tra độ chính xác dựa trên sai số trung phương trên các điểm kiểm tra Nếu các sai sốkhông nhỏ hơn giá trị cho phép thì cần phải tìm nguyên nhân hoặc tăng thêm cácđiểm kiểm tra.

2.3.3 Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu

Do các ảnh có độ phân giải không gian và độ phân giải phổ khác nhau nênchúng cần được đồng nhất hoá về mặt hình học Đây là bước quan trọng khi đem sosánh hai ảnh phân loại có độ phân giải không gian khác nhau

2.3.4 Phân loại ảnh viễn thám

Phân loại ảnh viễn thám :

- Là chuyển các giá trị đo sang các giá trị mang tính chuyên đề

- Chuyển dữ liệu thành thông tin bản đồ và thông tin thống kê

- Tập hợp các Pixel có cùng một số thông số thống kê phổ thành một lớp có

ý nghĩa chuyên đề

- Tập hợp một số đối tượng có chung một số thuộc tính vào một lớp có ýnghĩa chuyên đề

Các phương pháp phân loại trong viễn thám:

2.3.4.1 Phương pháp phân loại thống kê

Phương pháp phân loại thống kê là phương pháp phân loại dựa vào các đặctrưng phổ của từng pixel trên ảnh

Các đặc trưng về thống kê giá trị phổ cụ thể như sau :