Cơ sở viễn thám GIS ứng dụng

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TIỂU LUẬN TIỂU LUẬN MÔN HỌC - HỌC PHẦN BỔ SUNG: Cơ sở viễn thám GIS ứng dụng Nghiên cứu sinh: Nguyễn Hải Đông Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Doãn Hà Phong 2016 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TIỂU LUẬN TIỂU LUẬN MÔN HỌC - HỌC PHẦN BỔ SUNG: Cơ sở viễn thám GIS ứng dụng Giáo viên chấm điểm Giáo viên chấm điểm 2016 MỤC LỤC CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỄN THÁM 1.1 Định nghĩa 1.2 Lịch sử phát triển viễn thám 1.3 Nguyên lý viễn thám 1.4 Hệ định vị toàn cầu (GPS) viễn thám 1.5 Phân loại viễn thám 10 CHƯƠNG II: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM .12 2.1 Các nguồn lượng nguyên lý xạ 12 2.1.1 Tính chất sóng ánh sáng 12 2.1.2 Quang phổ điện từ 13 2.2 Tính chất hạt truyền lượng ánh sáng 14 2.3 Tương tác lượng khí 16 2.3.1 Sự tán xạ (Scattering) 17 2.3.2 Sự hấp thụ (Absorption) 18 2.3.3 Sự truyền qua (Transmition) 18 2.4 Các cửa sổ khí 18 2.5 Sự tương tác lượng với đối tượng mặt đất 20 2.6 Phổ phản xạ số đối tượng tự nhiên .21 CHƯƠNG III: ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN TƯ LIỆU VIỄN THÁM 24 3.1 Cấu trúc phương pháp lưu trữ liệu viễn thám ảnh số .24 3.1.1 Cấu trúc hình ảnh quét (Image - ảnh số) .24 3.1.2 Phương thức lưu trữ tệp ảnh số .26 3.2 Phương pháp thu nhận đặc điểm ảnh viễn thám 28 3.2.1 Cấu trúc hệ thống quét tạo ảnh .28 3.2.2 Các thiết bị thu phổ phương pháp quét viễn thám 29 3.3 Độ phân giải tư liệu viễn thám 33 CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA VIỄN THÁM .36 4.1 Viễn thám nghiên cứu tai biến tự nhiên .36 4.1.1 Nghiên cứu động đất 36 4.1.2 Nghiên cứu trượt lở đất 37 4.1.3 Nghiên cứu sụt lún đất 37 4.1.4 Nghiên cứu địa chất .37 4.2 Viễn thám nghiên cứu tài nguyên môi trường .38 4.2.1 Sử dụng ảnh viễn thám để điều tra, giám sát tài nguyên đất 38 4.2.2 Sử dụng ảnh viễn thám để điều tra, giám sát tài nguyên nước .39 4.2.3 Sử dụng ảnh viễn thám để điều tra, giám sát môi trường .40 4.3 Nghiên cứu khí hậu khí 42 4.4 Nghiên cứu thực vật, rừng 42 4.5 Nghiên cứu hành tinh khác 42 CHƯƠNG V: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ GIS VÀ ỨNG DỤNG .43 5.1 Khái niệm .43 5.2 Các thành phần GIS .44 5.2.1 Phần cứng 44 5.2.2 Phần mềm .44 5.2.3 Cơ sở liệu 46 5.2.4 Con người tổ chức hệ thống 47 5.3 Ứng dụng GIS môi trường 48 5.3.1 Quản lý tài nguyên thiên nhiên 48 5.3.2 Quản lý tài nguyên thiên nhiên (Dầu mỏ - khí đốt) .51 5.3.3 Quản lý tài nguyên nước 52 5.3.4 Quản lý tài nguyên đất 53 5.3.5 Quản lý tài nguyên rừng 53 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VIỄN THÁM Viễn thám ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin vật tượng thông qua việc phân tích liệu ảnh hàng không, ảnh viễn thám, ảnh hồng ngoại nhiệt ảnh radar Sự phát triển khoa học viễn thám mục đích quân với việc nghiên cứu phim ảnh, chụp lúc đầu từ khinh khí cầu sau máy bay độ cao khác Ngày nay, viễn thám việc tách lọc thông tin từ ảnh máy bay, áp dụng công nghệ đại thu nhận xử lý thông tin ảnh số, thu từ cảm có độ phân giải khác nhau, đặt viễn thám thuộc quỹ đạo trái đất Viễn thám ứng dụng nhiều ngành khoa học khác quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp nhiều ngành khoa học khác Các liệu viễn thám, có ảnh viễn thám đa phổ, siêu phổ ảnh nhiệt dùng nghiên cứu khác như: sử dụng đất, lớp phủ mặt đất, rừng, thực vật, khí hậu khí tượng, nhiệt độ mặt đất mặt biển, đặc điểm khí tầng ozon, tai biến môi trường Dữ liệu ảnh radar sử dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nghiên cứu mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay độ cao sóng biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt ra, ứng dụng nghiên cứu bề mặt hành tinh khác 1.1 Định nghĩa Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) hiểu khoa học nghệ thuật để thu nhận thông tin đối tượng, khu vực tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận phương tiện Những phương tiện tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực với tượng nghiên cứu Thực công việc thực viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám thăm dò từ xa đối tượng tượng mà tiếp xúc trực tiếp với đối tượng tượng Mặc dù có nhiều định nghĩa khác viễn thám, định nghĩa có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám khoa học thu nhận từ xa thông tin đối tượng, tượng trái đất" Dưới định nghĩa viễn thám theo quan niệm tác giả khác ~1~ Viễn thám nghệ thuật, khoa học, nói nhiều vật không cần phải chạm vào vật (Ficher nnk, 1976) Viễn thám quan sát đối tượng phương tiện cách xa vật khoảng cách định (Barret Curtis, 1976) Viễn thám khoa học lấy thông tin từ đối tượng, đo từ khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với Năng lượng đo hệ viễn thám lượng điện từ phát từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978) Viễn thám ứng dụng vào việc lấy thông tin mặt đất mặt nước trái đất, việc sử dụng ảnh thu từ đầu chụp ảnh sử dụng xạ phổ điện từ, đơn kênh đa phổ, xạ phản xạ từ bề mặt trái đất (Janes B Capbell, 1996) Viễn thám "khoa học nghệ thuật thu nhận thông tin vật thể, vùng, tượng, qua phân tích liệu thu phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, tượng khảo sát " (Lillesand Kiefer, 1986) Phương pháp viễn thám phương pháp sử dụng lượng điện từ ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn phương tiện để điều tra đo đạc đặc tính đối tượng (Theo Floy Sabin 1987) Định nghĩa loại trừ quan trắc điện, từ trọng lực quan trắc thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo trường lực nhiều đo xạ điện từ 1.2 Lịch sử phát triển viễn thám Sự phát triển ngành viễn thám qua thời gian tóm tắt bảng 1.1 Viễn thám khoa học, thực phát triển mạnh mẽ qua ba thập kỷ gần đây, mà công nghệ vũ trụ cho ảnh số, bắt đầu thu nhận từ viễn thám quĩ đạo trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu việc chụp ảnh sử dụng phim giấy ảnh Từ thể kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đưa báo cáo công trình nghiên cứu hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh Bức ảnh chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, thực vào năm 1858 Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp Tác giả sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp Một ảnh chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu ảnh vùng Bostom tác giả James Wallace Black, 1860 Việc đời ngành hàng không thúc đẩy nhanh phát triển mạnh mẽ ~2~ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim giấy ảnh, nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo) Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất ảnh chụp chồng phủ cho khả nhìn ảnh (stereo) Khả giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu cao Một ngành chụp ảnh, thực phương tiện hàng không máy bay, kinh khí cầu tàu lượn phương tiện không khác, gọi ngành chụp ảnh hàng không Các ảnh thu từ ngành chụp ảnh hàng không gọi không ảnh Bức ảnh chụp từ máy bay, thực vào năm 1910, Wilbur Wright, nhà nhiếp ảnh người ý, việc thu nhận ảnh di động vùng gần Centoceli thuộc nước ý (bảng 1.1) Bảng 1.1: Tóm tắt phát triển viễn thám qua kiện Thời gian (Năm) 1800 1839 1847 1850-1860 1873 1909 1910-1920 1920-1930 1930-1940 1940 1950 1950-1960 12-4-1961 1960-1970 1972 1970-1980 1980-1990 1986 1990 đến Sự kiện Phát tia hồng ngoại Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng Phát dải phổ hồng ngoại phổ nhìn thấy Chụp ảnh từ kinh khí cầu Xây dựng học thuyết phổ điện từ Chụp ảnh từ máy bay Giải đoán từ không trung Phát triển ngành chụp đo ảnh hàng không Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) Phân tích ứng dụng ảnh chụp từ máy bay Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy Nghiên cứu sâu ảnh cho mục đích quân Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có người lái chụp ảnh trái đất từ vũ trụ Lần sử dụng thuật ngữ viễn thám Mỹ phóng viễn thám Landsat-1 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số Mỹ phát triển hệ viễn thám Landsat Pháp phóng viễn thám SPOT vào quĩ đạo Phát triển cảm thu đo phổ, tăng dải phổ số lượng kênh phổ, tăng độ phân giải cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý ~3~ Bức ảnh đầu tiên, chụp trái đất từ vũ trụ, cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959 Tiếp theo chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, chụp từ máy tự động Viễn thám khí tượng (TIR0S-1), phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng năm 1960, mở đầu cho việc quan sát dự báo khí tượng Viễn thám khí tượng NOAA, hoạt động từ sau năm 1972, cho liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng trái đất từ vũ trụ cách tổng thể cập nhật ngày Sự phát triển viễn thám, liền với phát triển công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu trái đất hành tinh khí Các ảnh chụp (stereo), thực theo phương đứng xiên, cung cấp từ viễn thám Gemini (1965), thể ưu công việc nghiên cứu trái đất Tiếp theo, tầu Apolo cho sản phẩm ảnh chụp đa phổ, có kích thước ảnh 70mm, chụp trái đất, cho thông tin vô hữu ích nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Nga đóng vai trò tiên phong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ Việc nghiên cứu trái đất thực tàu vũ trụ có người Soyuz, tàu Meteor Cosmos (từ năm 1961), trạm chào mừng Salyut Sản phẩm thu ảnh chụp thiết bị quét đa phổ phân giải cao, MSU-E (trên Meteor - priroda) Các ảnh chụp từ viễn thám Cosmos có dải phổ nằm kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm Ngoài ra, ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trạm quỹ đạo Salyut, cho kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89μm Độ phân giải mặt đất tâm ảnh đạt 20 x 20m Tiếp theo viễn thám nghiên cứu trái đất ERTS (sau đổi tên Landsat-1), viễn thám hệ Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 Landsat-5 Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác Ngoài viễn thám Landsat-2, Landsat-3, có viễn thám khác SKYLAB (1973) HCMM (1978) Từ 1982, ảnh chuyên đề thực viễn thám Landsat TM-4 Landsat TM-5 với kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điều tạo nên ưu nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác Ngày nay, ảnh viễn thám chuyên đề từ Landsat-7 phổ biến với giá rẻ ảnh viễn thám Landsat TM-5, cho phép người sử dụng ngày có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua liệu viễn thám (hình 1.1) ~4~ Hình 1.1: Viễn thám từ việc thu nhận thông tin đến người sử dụng (Theo Ravi Gupta, 1991) Dữ liệu ảnh viễn thám SPOT Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 SPOT-5, đưa sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, đa kênh SPOT- XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m Đặc tính ảnh viễn thám SPOT cho cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tượng (stereo) không gian ba chiều Điều giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết cao, việc phân tích yếu tố địa hình Các ảnh viễn thám Nhật, MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite) Công nghệ thu ảnh viễn thám thực viễn thám ấn độ IRS-1A, tạo ảnh viễn thám LISS thuộc nhiều hệ khác Trong nghiên cứu môi trường khí hậu trái đất, ảnh viễn thám NOAA có độ phủ lớn có lặp lại hàng ngày, cho phép nghiên cứu tượng khí hậu xảy khí nhiệt độ, áp suất nhiệt đới dự báo bão Sự phát triển lĩnh vực nghiên cứu trái đất viễn thám đẩy mạnh áp dụng tiến khoa học kỹ thuật với việc sử dụng ảnh radar Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh việc phát sóng dài siêu tần thu tia phản hồi, cho phép thực nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng thực vật nguồn sóng nhân tạo, nên có khả hoạt động ngày đêm, không phụ thuộc vào ~5~ nguồn lượng mặt trời Các ảnh tạo nên hệ radar kiểu SLAR ghi nhận cảm Seasat Đặc tính sóng radar thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên đa dạng Sóng nhạy cảm với độ ghồ ghề bề mặt vật, chùm tia radar phát tới, ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc khu vực Công nghệ máy tính ngày phát triển mạnh mẽ với sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh viễn thám dạng số ảnh radar Thời đại bùng nổ Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả nghiên cứu trái đất viễn thám ngày thuận lợi đạt hiệu cao 1.3 Nguyên lý viễn thám Viễn thám nghiên cứu đối tượng giải đoán tách lọc thông tin từ liệu ảnh chụp hàng không, việc giải đoán ảnh viễn thám dạng số Các liệu dạng ảnh chụp ảnh số thu nhận dựa việc ghi nhận lượng xạ (không ảnh ảnh viễn thám) sóng phản hồi (ảnh radar) phát từ vật thể khảo sát Năng lượng phổ dạng sóng điện từ, nằm dải phổ khác nhau, cho thông tin vật thể từ nhiều góc độ góp phần giải đoán đối tượng cách xác (hình 1.2) Hình 1.2: Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm (Theo Lillesand Kiefer) Nếu biết trước phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn vật thể phòng thí nghiệm, xác định máy đo phổ, ta giải đoán vật thể ~6~ CHƯƠNG V HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ GIS VÀ ỨNG DỤNG 5.1 Khái niệm Hệ thống thông tin tập tiến trình xử lý liệu thô để sản sinh thông tin có ích cho công tác đưa định Chúng bao gồm thao tác dẫn từ lập kế hoạch quan sát thu thập liệu tới lưu trữ phân tích liệu, tới sử dụng thông tin suy diễn công việc lập định Hệ thông tin địa lý hệ thông tin thiết kế để làm việc với liệu quy chiếu không gian hay tọa độ địa lý Khái niệm hệ thông tin địa lý hình thành từ ba khái niệm: địa lý, thông tin hệ thống Được viết tắt GIS: - Geographic Information Systems (Mỹ); - Geographical Information Systems (Anh, Oxtraylia, Canada); - Geographic Information Science (nghiên cứu lý thuyết quan niệm hệ thông tin địa lý công nghệ thông tin địa lý); - Geographic Information Studies (nghiên cứu ngữ cảnh xã hội thông tin địa lý ngữ cảnh pháp lý, khía cạnh kinh tế) Khái niệm “địa lý” (geographic) sử dụng GIS trước hết liên quan đến đặc trưng “địa lý” hay “không gian” Các đặc trưng ánh xạ hay liên quan đến đối tượng không gian Chúng đối tượng vật lý, văn hóa hay kinh tế tự nhiên Khái niệm “thông tin” (information) đề cập đến khối lượng liệu khổng lồ GIS quản lý Các đối tượng giới thực có tập riêng liệu chữ - số thuộc tính hay đặc tính (còn gọi liệu phi hình học, liệu thống kê) thông tin vị trí cần cho lưu trữ, quản lý đặc trưng không gian Khái niệm “hệ thống” (system) đề cập đến cách tiếp cận hệ thống GIS Môi trường hệ thống GIS chia nhỏ thành Modul để dễ hiểu, dễ quản lý chúng tích hợp thành hệ thống thống nhất, toàn vẹn Khái niệm “công nghệ thông tin địa lý” (geographic information technology hay gọi công nghệ 3S) công nghệ thu thập xử lý thông tin địa lý Chúng bao gồm ba loại sau: - Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS): đo đạc vị trí mặt đất sở hệ thống vệ tinh; - Viễn thám (Remote Sensing): sử dụng vệ tinh để thu thập thông tin Trái đất; ~ 43 ~ - Hệ thông tin địa lý GIS Hệ GIS điển hình thiết lập số khái niệm sau: Các đặc điểm giới thực bề mặt Trái đất mô tả lại hệ quy chiếu đồ lưu lại máy tính Đồng thời, máy tính lưu lại lưới chiếu thuộc tính đặc điểm đồ để trả lời câu hỏi “chúng đâu?” “chúng gì?” Các đặc điểm đồ hiển thị vẽ ta kết hợp hai hay nhiều đối tượng tỷ lệ đồ Tin học hóa liệu đồ phải sử dụng cách linh hoạt so với đồ giấy truyền thống GIS có khả phân tích mối quan hệ không gian đặc điểm đồ 5.2 Các thành phần GIS Hệ thống thông tin địa lý bao gồm thành phần sau (Hình 5.1): Hình 5.1: Các thành phần GIS 5.2.1 Phần cứng Phần cứng GIS bao gồm hệ thống máy tính thiết bị ngoại vi có khả thực chức nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) xử lý thông tin phần mềm Hệ thống gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer) liên kết với mạng LAN hay Internet (Hình 4.2) 5.2.2 Phần mềm Có khả nhập, lưu trữ, xử lý, phân tích, tính toán, hiển thị liệu theo yêu cầu người sử dụng Đi kèm với hệ thống thiết bị GIS hệ phần mềm có tối thiểu nhóm chức sau đây: - Nhập thông tin không gian thông tin thuộc tính từ nguồn khác nhau; - Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật tổ chức thông tin không gian thông tin thuộc tính ~ 44 ~ Hình 5.2: Sơ đồ tổ chức hệ “phần cứng GIS” - Phân tích biến đổi thông tin sở liệu nhằm giải toán tối ưu mô hình mô không gian - thời gian - Hiển thị trình bày thông tin dạng khác nhau, với biện pháp khác Phần mềm phân thành ba lớp: hệ điều hành, chương trình tiện ích đặc biệt chương trình ứng dụng Thu thập liệu Chuyển đổi liệu Quản trị sở liệu địa lý Hiển thị làm báo cáo Giao diện người dùng Phân tích không gian Hình 5.3: Phần mềm GIS ~ 45 ~ 5.2.3 Cơ sở liệu Khái niệm liệu địa lý: Đặc điểm liệu hệ thống thông tin địa lý khác biệt với liệu hệ thống thông tin khác (ngân hàng, thư viện, quản lý khách hàng hàng không, y tế…) chỗ chúng bao gồm thông tin vị trí không gian (dữ liệu không gian), chí mối liên hệ topo không gian thông tin mô tả tính chất (dữ liệu thuộc tính) vật thể hệ thống liệu Đặc điểm quan trọng tổ chức liệu GIS là: liệu không gian (bản đồ) liệu thuộc tính lưu trữ sở liệu có quan hệ chặt chẽ với Hình 5.4: Minh họa cấu trúc liệu không gian liệu thuộc tính Dữ liệu địa lý nhằm phản ảnh giới thực, đó, đối tượng liệu địa lý coi xác định trả lời đầy đủ thông tin các câu hỏi sau: - Cái gì? (dữ liệu thuộc tính) - Ở đâu? (dữ liệu không gian) - Khi nào? (thời gian) - Tương tác với đối tượng khác sao? (quan hệ) ~ 46 ~ 5.2.4 Con người tổ chức hệ thống Các kỹ thuật viên am hiểu máy tính phần mềm GIS có nhiệm vụ sử dụng thiết bị, nhập xử lý liệu Các nhà phân tích điều hành hệ thống Các nhà lãnh đạo sử dụng hệ thống làm công cụ trợ giúp để hoạch định chủ trương, kế hoạch quản lý phát triển Tùy theo tính chất quản lý, hệ thông tin địa lý mở rộng thêm số thành phần liên quan khác - Phần chuyên gia: Trong GIS, phần người biết đến tên gọi khác phần não hay phần sống hệ thống Con người tham gia vào việc thiết lập, khai thác bảo trì hệ thống cách gián tiếp hay trực tiếp Có hai nhóm người quan trọng trực tiếp định tồn phát triển GIS người sử dụng người quản lý sử dụng GIS Đội ngũ người sử dụng GIS bao gồm thao tác viên, kỹ thuật viên hỗ trợ kỹ thuật chuyên gia lĩnh vực khác có sử dụng thông tin địa lý Người sử dụng trở thành thành phần GIS tiến hành phép phân tích phức tạp, thao tác phân tích không gian mô hình hóa - Người sử dụng hệ thống: người sử dụng GIS để giải vấn đề không gian Họ thường người đào tạo tốt lĩnh vực GIS hay GIS chuyên dụng Nhiệm vụ chủ yếu họ số hóa đồ, kiểm tra lỗi, soạn thảo, phân tích liệu thô đưa giải pháp cuối để truy vấn liệu địa lý - Thao tác viên hệ thống: Có trách nhiệm vận hành hệ thống hàng ngày để người sử dụng hệ thống làm việc hiệu Công việc họ sửa chữa chương trình bị nghẽn công việc trợ giúp nhân viên thực phân tích có độ phức tạp cao Đôi họ có trách nhiệm huấn luyện người dùng, họ người có kinh nghiệm người sử dụng hệ thống Họ hiểu biết cấu hình phần mềm phần cứng để yêu cầu nâng cấp Họ làm việc người quản trị hệ thống, quản trị sở liệu, an toàn, toàn vẹn sở liệu để tránh hư hỏng, mát liệu - Nhà cung cấp GIS: Có trách nhiệm cung cấp phần mềm, cập nhật phần mềm, phương pháp nâng cấp cho hệ thống Đôi tham gia huấn luyện người dùng GIS thông qua hợp đồng với quản trị hệ thống - Nhà cung cấp liệu: Có thể tổ chức Nhà nước hay tư nhân Thông thường, công ty tư nhân cung cấp liệu sửa đổi từ liệu quan Nhà nước phù hợp với ứng dụng cụ thể Thường quan Nhà nước cung ~ 47 ~ cấp liệu xây dựng cho nhu cầu họ, liệu sử dụng tổ chức, quan khác Một số liệu bán với giá rẻ hay cho không dự án GIS phi lợi nhuận - Người phát triển ứng dụng: người lập trình viên đào tạo Họ xây dựng giao diện người dùng, làm giảm khó khăn thực thao tác cụ thể hệ thống GIS chuyên nghiệp - Chuyên viên phân tích hệ thống GIS: nhóm người chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống Phần lớn họ đội ngũ chuyên nghiệp, có trách nhiệm xác định mục tiêu hệ GIS quan, hiệu chỉnh hệ thống, đề xuất kỹ thuật, phân tích đắn, đảm bảo tích hợp tốt hệ thống quan Như vậy, dự án GIS thành công quản lý tốt người công đoạn phải có kỹ tốt Dưới ví dụ cấu trúc quản lý dự án GIS độc lập Tuy nhiên, nhiều trường hợp kết hợp quản lý dự án GIS với cấu trúc quản lý có sẵn quan Người lãnh đạo Người quản lý Người phân tích không gian Người quản lý hệ thống GIS Người lập trình GIS Người quản trị sở liệu Hình 5.5: Sơ đồ quản lý dự án GIS 5.3 Ứng dụng GIS môi trường 5.3.1 Quản lý tài nguyên thiên nhiên GIS công cụ đắc lực quản lý tài nguyên thiên nhiên GIS dùng để tạo đồ phân bố tài nguyên, kiểm kê, đánh giá trữ lượng tài nguyên, Những ứng dụng GIS lĩnh vực môi trường không giới hạn Phân tích quần thể động vật hoang dã Có thể sử dụng GIS để hiển thị phân tích liệu thuộc tính Chẳng hạn, sử dụng GIS liệu thu thập từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS) để dẫn phân bố mật độ quần thể rùa biển ~ 48 ~ Hình 5.6: Một rùa biển đeo thiết bị định vị trước thả biển GIS để quản lý liệu địa lý loài cá nước mở (open water) Sự kết hợp GIS công nghệ định vị cho thông tin đánh giá loài chi tiết so với phương pháp trước Sau thu thập liệu, GIS sử dụng để mô phân tích tính đa dạng theo không gian, phân bố theo độ sâu kích cỡ loài cá Phân tích phân bố loài Hiện ô nhiễm môi trường đe doạ tồn nhiều loài sinh vật, có nhiều loài cá GIS hỗ trợ tích cực công việc bảo tồn loài cá bị đe doạ Các liệu bao gồm thông tin độ rộng độ sâu dòng chảy, chất lượng nhiệt độ nước, phân bố loài cá Phần mềm ARC/INFO sử dụng để nhập liệu vào sở liệu gồm 250 lớp thông tin bao phủ toàn vùng châu thổ sông Columbia Những thông tin xuất CD-ROM cung cấp cho nhà quản lý tài nguyên Hình 5.7: Phân tích phân bố di cư cá hồi Chinook GIS dùng để phân tích di chuyển loài sói lông xám yếu tố xác định vùng phân bố Bản đồ cho thấy hướng di chuyển ổn định loài sói phục vụ cho công tác quản lý, khoanh vùng bảo tồn ~ 49 ~ Kiểm soát khu bảo tồn Tổ chức Bảo tồn quốc tế Chính phủ Malagasy sử dụng GIS để kiểm soát phân bố loài thực vật Madagascar Bản đồ biểu diễn loài thực vật miền nam Madagascar màu khác biểu diễn khu bảo tồn chéo Với thông tin này, dễ dàng xác định vùng cần bảo vệ vùng bảo vệ có khả bị xâm hại Hình 5.8: Kiểm soát phân bố loài sói lông xám Kiểm soát đa dạng sinh học Một số tổ chức sử dụng GIS để phân tích phân bố mức độ bảo tồn số thành phần đa dạng sinh học GIS giúp nhà nghiên cứu xác định loài có khả diện vùng quản lý hay không (vùng gián đoạn) Những loài dùng làm thị cho đa dạng sinh học cho vắng mặt, vùng cụ thể Hình 5.9: Đa dạng sinh học ~ 50 ~ 5.3.2 Quản lý tài nguyên thiên nhiên (Dầu mỏ - khí đốt) Dầu mỏ khí đốt nguồn tài nguyên khai thác rộng khắp toàn giới phải đảm bảo hạn chế cố môi trường Bởi lẽ quản lý chặt chẽ nguồn tài nguyên vấn đề quan tâm Với công nghệ GIS, công việc hỗ trợ nhiều, nâng cao hiệu quản lý khai thác Thăm dò khu vực nhạy cảm Sử dụng GIS công nghệ khoan thăm dò đại, người ta định vị tiến hành xử lý liệu bề mặt cách dễ dàng, cách xa vùng nhạy cảm mà đảm bảo đạt yêu cầu chuyên môn có giá trị vùng mặt đất Các công ty khai thác khoáng sản quốc tế, sử dụng phần mềm ArcView GIS để định vị dầu mỏ vùng GIS cho phép thăm dò quản lý nguồn dầu mỏ mà hạn chế tối thiểu ảnh hưởng có hại hệ động, thực vật Các số liệu thu từ quan trắc địa chấn thu thập để tạo nên đồ chiều mặt đất Các chuyên gia sử dụng ảnh chiều để đưa định vị trí túi dầu mà không cần tiến hành khoan nhiều lần Các nhà khoa học nhập ảnh vệ tinh liệu quan trắc không gian vào hệ thống ArcView GIS để tạo đồ sở vùng Họ kiểm tra hiệu đính vị trí đối tượng cố định giếng dầu đường giao thông so với số liệu nhận từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Những liệu khác, chẳng hạn vị trí vùng đất ngập nước, loài bị đe doạ, dân cư, thêm vào đồ số Tất liệu GIS với số liệu thăm dò giúp xác định vị trí thích hợp để tạo giếng khoan, đồng thời hỗ trợ tích cực cho nhà quản lý tài nguyên Quản lý an toàn khai thác GIS sử dụng để tạo đồ vùng nước ngầm nhạy cảm, với chồng lớp liệu vị trí dàn khoan, độ sâu nước Những đồ giúp thiết kế tuyến đường ống dẫn dầu GIS sử dụng có cố tràn dầu Những liệu tràn dầu phủ công ty dầu mỏ lưu giữ nhập vào hệ GIS mã hoá với thông số số lượng dầu tràn, thời gian, người có liên quan Những liệu hỗ trợ nhà quản lý nhiều Khi cố xảy ra, GIS xác định nhanh chóng vị trí đường ống ưu tiên nơi cư trú cần bảo vệ ~ 51 ~ 5.3.3 Quản lý tài nguyên nước GIS hỗ trợ đánh giá mức nước ngầm, mô hệ thống sông hồ nhiều ứng dụng liên quan đến quản lý tài nguyên nước khác Những ví dụ vài ứng dụng GIS lĩnh vực Kiểm soát mức nước ngầm Duy trì mực nước ngầm thích hợp vùng khai khoáng vấn đề lớn Tại Đức, nhà khoa học sử dụng GIS để kiểm soát mực nước ngầm cho vùng khai thác than, tạo đồ mực nước ngầm, kết hợp với liệu khác thổ nhưỡng, địa hình, quy mô khai thác mỏ, công nghệ kỹ thuật sử dụng, cung cấp công cụ đắc lực cho nhà phân tích Kiểm soát phục hồi mực nước ngầm Đánh giá phục hồi mực nước ngầm khó khăn, với công nghệ GIS công việc trở nên dễ dàng Tại Đức, người ta dùng GIS để xây dựng lớp đồ cho tính toán phục hồi mực nước ngầm Những lớp sau kết hợp lại để tạo nên đồ cuối biểu diễn phục hồi vùng GIS giúp cho nhà nghiên cứu dễ dàng tính toán mô đồng thời tốc độ phục hồi mực nước ngầm vùng khác Phân tích hệ thống sông ngòi Với công nghệ GIS xây dựng mô mạng lưới sông ngòi khu vực thông số đặc trưng cho dòng chảy phân tích ảnh hưởng mà chúng chịu tác động Quản lý lưu vực sông Lưu vực sông hệ thống nhạy cảm phức tạp Quản lý lưu vực sông đòi hỏi lưu lượng nước đầy đủ, trì ổn định hệ sinh thái, kiểm soát lũ GIS sử dụng để mô hình hoá cân nước, trình xói mòn, kiểm soát lũ cho khu vực Mô hình không gian ba chiều xây dựng nhờ công nghệ GIS, giúp nhà nghiên cứu tiếp cận xác địa hình thổ nhưỡng khu vực, từ xây dựng quy luật diễn biến quan trọng cho toàn vùng lưu vực sông Kiểm soát nguồn nước Tại Mỹ, GIS dùng để quản lý phân bố nguồn nước, nhờ nhà khoa học dễ dàng xác định vị trí nguồn nước toàn hệ thống ~ 52 ~ 5.3.4 Quản lý tài nguyên đất GIS dùng để mô quy hoạch sử dụng tài nguyên đất thành phố, quốc gia hay vùng Các ví dụ cho thấy cách sử dụng GIS quản lý sử dụng tài nguyên đất Quản lý phân vùng dạng đất GIS dùng để lập đồ phân loại đất vùng Mỗi loại đất biểu diễn màu khác theo quy định Kèm theo polygon biểu diễn phân bố loại đất thông tin thuộc tính địa điểm, diện tích, Những thông tin dạng đồ giúp cho nhà quản lý phân tích dễ dàng xu hướng biến đổi tác động thiên nhiên người Qui hoạch sử dụng tài nguyên đất Công nghệ GIS hỗ trợ nhiều công việc quy hoạch sử dụng đất Những liệu trạng sử dụng đất thu thập từ quan trắc không gian xử lý hệ GIS, lập đồ trạng, kèm số liệu phân tích Dựa vào nhà quy hoạch dễ dàng quản lý phát triển kế hoạch sử dụng đất hợp lý GIS để hỗ trợ kế hoạch quy hoạch, đánh giá mô loại tài nguyên đất: đất nông nghiệp, đất nông nghiệp, đất tự nhiên Viện Địa lý "Agustin Codazzi" (IGAC) Colombia dùng công nghệ GIS để hiển thị kiểm soát trạng sử dụng đất tương lai thành phố Ibague Phân tích xu hướng xây dựng Australia sử dụng GIS để phân tích xu hướng xây dựng thành phố, từ mở rộng thành phố ảnh hưởng sở hạ tầng Kiểm soát tài nguyên đất Các dự án phát triển đề xuất dọc theo biên giới Mexico Mỹ hỗ trợ thông tin GIS, chẳng hạn để kiểm kê, lập đồ nguồn tài nguyên, chế độ thuỷ văn, tác động người, sở hạ tầng dọc theo biên giới 5.3.5 Quản lý tài nguyên rừng Ngày nay, công việc quản lý tài nguyên rừng thách thức lớn Với GIS nhà quản lý thực nhiệm vụ dễ dàng Kiểm kê trạng thái rừng Với GIS bạn kiểm kê trạng thái gỗ, thủy hệ, đường giao thông, đường ~ 53 ~ tàu hỏa hệ sinh thái sử dụng thông tin để đánh giá mùa vụ, chi phí vận chuyển, điều kiện sống động vật hoang dã bị đe doạ Hỗ trợ phát triển chiến lược quản lý GIS đánh giá đặc điểm khu rừng dựa điều kiện quản lý khác Trên sở dự báo này, bạn quan sát tương tai khu rừng dạng đồ số liệu phân tích, từ vạch chiến lược quản lý phát triển nguồn tài nguyên rừng cho đạt hiệu qủa cao Mô hình hóa hệ sinh thái rừng: GIS dùng thành phần hệ thống hỗ trợ định (DSS) quản lý lâm nghiệp, chẳng hạn, dùng để mô hình hóa thành phần không gian Hình 5.10: Mô hình hóa tài nguyên rừng Sở Bảo vệ môi trường Alberta, Trung tâm Đào tạo môi trường Alberta (Canada) dùng GIS để mô hình hóa quần hợp hệ sinh thái, điều kiện sống, làm sở cho việc dự báo Dùng mô hình GIS phần DSS cho phép nâng cao chất lượng quản lý tài nguyên rừng Sử dụng GIS để mô khu rừng mô hình chiều Hiển thị liệu theo không gian giúp nhà quản lý nắm bắt cụ thể đối tượng ~ 54 ~ CHƯƠNG VI KẾT LUẬN Đảng Nhà nước ta khẳng định phát triển khoa học công nghệ quốc sách hàng đầu, tảng động lực đẩy mạnh công nghiệp hóa, đại hóa đất nước Đẩy mạnh công nghiệp hóa đất nước nội dung trình phát triển đất nước ta giai đoạn 2005 - 2020 với mục tiêu cụ thể nước ta trở thành nước công nghiệp vào năm 2020 Để thực mục tiêu trên, vấn đề có tính chất định đẩy mạnh ứng dụng phát triển khoa học công nghệ, đưa khoa học công nghệ thực trở thành tảng động lực đẩy mạnh công nghiệp hóa, đại hóa đất nước Phát triển khoa học công nghệ nói chung khoa học công nghệ viễn thám GIS nói riêng phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường đóng vai trò quan trọng cho nghiệp phát triển đất nước ta Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám GIS để quản lý tài nguyên thiên nhiên trước hết tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, giám sát môi trường ngày trở nên xúc trở thành nhiệm vụ chủ đạo ứng dụng phát triển công nghệ Bộ Tài nguyên Môi trường Trong đó, việc ứng dụng công nghệ viễn thám GIS để giám sát tài nguyên môi trường nước ta thời gian qua thu số kết song ít, tản mạn thực tế chưa đáp ứng nhu cầu Các ứng dụng công nghệ viễn thám GIS chủ yếu tập trung vào lĩnh vực chỉnh đồ địa hình, thành lập số đồ chuyên đề, bước đầu đề cập đến ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ GIS quản lý đất đai số khía cạnh môi trường Thực tế đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám GIS phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên giám sát môi trường Để đạt nhiệm vụ việc đầu tư công nghệ nhằm xây dựng đồng hệ thống thu nhận, xử lý liệu áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ yêu cầu cần thiết xúc với nước ta Năm 2003 Thủ tướng Chính phủ đồng ý cho sử dụng nguồn vốn ODA Cộng hòa Pháp để xây dựng Dự án Xây dựng Hệ thống Giám sát Tài nguyên thiên nhiên Môi trường Việt Nam giao cho Bộ Tài nguyên Môi trường tổ chức thực Hệ thống giám sát Tài nguyên thiên nhiên Môi trường bao gồm thành phần: - Trạm thu mặt đất cho phép thu trực tiếp từ vệ tinh ảnh Spot 2, (các ảnh có độ phân giải từ 2,5m, 5m, 10m 20m), ảnh Envisat ASAR (radar) độ phân ~ 55 ~ giải 30m ảnh MERIS độ phân giải thấp 300m phục vụ cho nghiên cứu nhiệt độ độ mặn nước biển; - Trung tâm Dữ liệu Quốc gia có khả xử lý, phân tích, lưu trữ phân phối liệu thu nhận được; - Hệ thống ứng dụng liệu (gồm 15 đơn vị) cho phép sử dụng liệu xử lý Trung tâm liệu vào mục đích riêng quan, tổ chức Hiện trạng ứng dụng công nghệ viễn thám GIS Việt Nam điều kiện thuận lợi để thực mục tiêu Đảng Nhà nước, cụ thể: - Có thể ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS phục vụ giám sát biến động số thành phần môi trường Việt Nam - Hiện Việt nam nguồn liệu có, với vệ tinh viễn thám Việt Nam (SPOT, Landsat, Modis, VNREDSat 1a, 1b, LOTU Sat1…) nguồn tư liệu nghiên cứu lớn phong phú - Cần tăng cường công tác đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao ứng dụng công nghệ viễn thám GIS, công tác nghiên cứu để thực thi hiệu công tác giám sát môi trường./ ~ 56 ~ TÀI LIỆU THAM KHẢO Doãn Hà Phong (2015) Bài giảng Cơ sở Viễn thám Ứng dụng Viện Khoa học Khí tưởng Thủy văn Biến đổi khí hậu Bùi Nguyễn Lâm Hà (2005) Bài giảng Bản đồ hệ thống thông tin địa lý GIS quản lý môi trường Đại học Đà Lạt Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám GIS xây dựng đồ trạng tài nguyên thiên nhiên phục vụ công tác quy hoạch bảo vệ môi trường cấp tỉnh” TS Nguyễn Quốc Khánh - 2008 Dự án Quản lý đô thị Việt Nam, TS Phạm Hữu Đức (2006), Cơ sở liệu hệ thống thông tin địa lý GIS, Nhà xuất Xây dựng Lê Văn Trung, 2010, Viễn Thám, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP.HCM Đặng Văn Đức (2001), Hệ thống thông tin địa lý, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Kim Lợi, Lê Cảnh Định, Trần Thống Nhất, 2009, Hệ thống thông tin địa lý nâng cao, Nhà xuất Nông Nghiệp Bảo Huy (2009), GIS viễn thám quản lý tài nguyên rừng môi trường, Nhà xuất tổng hợp Thành phố Hồ Chí Minh, tr 59-61 Robert A., Schowengerdt, 2007, Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing, 3rd Edition, Oxford University, UK 10 Mohamed Abdelrahim (2001), Remote sensing and GIS integation: Towards intelligent imagery within a spatial data infrastructure 11 Fundamentals of Remote sensing - A Canada Centre for Remote Sensing Tutorial Trang web: Trang chủ Cục Viễn thám quốc gia: http://www.rsc.gov.vn https://www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/ http://www.gis.com/ http://maps.google.com/ ~ 57 ~