Ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu và đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội

Sơ lược về tình hình nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây xanh đô thị .... Quy trình nghiên cứu, đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội dựa trên d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN NGỌC THẠCH

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch, người thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm khoa học quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn

Với tình cảm chân thành, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt và nâng cao những kiến thức về chuyên ngành trong thời gian học tập tại khoa Địa lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội Đặc biệt là sự giúp đỡ của các thầy cô tại bộ môn Bản đồ - Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý

Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị của lớp cao học K14 - Địa lý, đặc biệt là nhóm Bản đồ Viễn thám và GIS đã luôn ủng hộ và tạo không khí vui vẻ, thoải mái trong quá trình học tập cũng như trong quá trình tôi làm luận văn

Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH 3

DANH MỤC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU CÂY XANH ĐÔ THỊ 10

1.1 Khái quát về viễn thám và hệ thông tin địa lý 10

1.1.1 Viễn thám 10

1.1.2 Hệ thông tin địa lý 13

1.2 Khái quát về cây xanh đô thị 18

1.2.1 Vai trò của hệ thống cây xanh đô thị 18

1.2.2 Phân loại cây xanh đô thị 23

1.2.3 Tiêu chuẩn cây xanh đô thị 28

1.2.3.1 Cây xanh sử dụng công cộng 28

1.2.3.2 Cây xanh sử dụng hạn chế và chuyên dụng 33

1.3 Sơ lược về tình hình nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây xanh đô thị 41

1.3.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới 41

1.3.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước 42

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU CÂY XANH ĐÔ THỊ 46

2.1 Kỹ thuật chiết tách thông tin lớp phủ bề mặt từ ảnh viễn thám 46

2.1.1 Phân loại dựa trên điểm ảnh (pixel-based classification) 46

2.1.2 Phân loại định hướng đối tượng (object-oriented classification) 52

2.2 Các chỉ số thực vật phổ biến trong viễn thám 54

CHƯƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CÂY XANH QUẬN CẦU GIẤY, HÀ NỘI 57

3.1 Sơ lược về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội quận Cầu Giấy 57

3.1.1 Vị trí địa lý 57

3.1.2 Địa hình 57

3.1.3 Khí hậu 57

3.1.4 Đất đai 58

3.1.5 Thủy văn 58

3.1.6 Kinh tế - xã hội 59

3.2 Chiết xuất thông tin cây xanh từ ảnh vệ tinh 60

3.2.1 Quy trình nghiên cứu 60

3.2.2 Dữ liệu ảnh vệ tinh sử dụng 60

3.2.3 Phân mảnh ảnh 63

3.2.4 Thiết lập bộ quy tắc và phân loại ảnh 65

3.2.5 Thành lập bản đồ hiện trạng cây xanh 72

3.2.6 Tạo lớp khu vực cây xanh đô thị năm 2013 74

3.2.7 Thành lập bản đồ biến động khu vực cây xanh đô thị giai đoạn 2013-2016 75

3.3 Nhận xét 77

3.3.1 Thống kê hiện trạng cây xanh phân loại theo đặc điểm thực vật 77

3.3.2 Thống kê hiện trạng cây xanh phân loại theo vị trí và chức năng của mảng xanh 78

3.3.3 Thống kê biến động khu vực cây xanh theo vị trí và chức năng của mảng xanh 79

3.3.4 Ðánh giá mức độ đáp ứng tiêu chuẩn và độ ổn định của hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội 79

3.4 Đề xuất một số phương án làm tăng diện tích và chất lượng cây xanh 80

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám 10

Hình 1.2 Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng 11

Hình 1.3 Đường cong phản xạ phổ của thực vật 12

Hình 1.4 Đường phố nhỏ và những cây cổ thụ 19

Hình 1.5 Học sinh vui chơi trong công viên cây xanh 23

Hình 1.6 Cây bóng mát hai bên đường phố 25

Hình 1.7 Cỏ và cây trang trí trên dải phân cách 27

Hình 3.1 Quy trình nghiên cứu, đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội dựa trên dữ liệu viễn thám và GIS 60

Hình 3.2 Ảnh Sentinel-2A tổ hợp màu tự nhiên cắt lấy khu vực nghiên cứu 61

Hình 3.3 Ảnh Landsat 8 tổ hợp màu tự nhiên cắt lấy khu vực nghiên cứu 62

Hình 3.4 Nguyên lý của thuật toán multiresolution segmentation 64

Hình 3.5 Kết quả phân mảnh ảnh Sentinel-2A trên phần mềm eCognition 64

Hình 3.6 Kết quả phân mảnh ảnh Landsat 8 trên phần mềm eCognition 65

Hình 3.7 Hộp thoại thiết lập biểu thức tính chỉ số NDVI 66

Hình 3.8 Hộp thoại thiết lập biểu thức tính chỉ số (NIR+red+green)/3 66

Hình 3.9 Hộp thoại thiết lập biểu thức tính chỉ số CIRed edge 67

Hình 3.10 Hệ thống phân cấp lớp 67

Hình 3.11 Hộp thoại thiết lập ngưỡng và gán lớp phân loại 68

Hình 3.12 Bộ quy tắc phân loại 68

Hình 3.13 Kết quả phân loại ảnh Sentinel 2 trên phần mềm eCognition 70

Hình 3.14 Hộp thoại xuất kết quả phân loại 70

Hình 3.15 Kết quả phân loại ảnh Landsat 8 trên phần mềm eCognition 72

Hình 3.16 Bản đồ hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy năm 2016 73

Hình 3.17 Lớp khu vực cây xanh đô thị năm 2013 trên phần mềm ArcGIS 74

Hình 3.18 Bảng thuộc tính của lớp biến động 75

Hình 3.19 Bản đồ biến động khu vực cây xanh đô thị quận Cầu Giấy giai đoạn 2013 - 2016 76

Hình 3.20 Hộp thoại chọn dữ liệu theo thuộc tính 77 Hình 3.21 Bảng thuộc tính và hộp thoại xuất dữ liệu 77 Hình 3.22 Hộp thoại chọn dữ liệu theo vị trí 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn đất cây xanh sử dụng công cộng 29

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn đất cây xanh công viên 30

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn đất cây xanh vườn hoa 30

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn đất cây xanh đường phố 30

Bảng 1.5 Tổng hợp tiêu chuẩn diện tích đất cây xanh sử dụng công cộng 31

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong nhà ở 35

Bảng 1.7 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong các công sở 35

Bảng 1.8 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong công trình giáo dục 35

Bảng 1.9 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong các công trình y tế 36

Bảng 1.10 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong các công trình dịch vụ, thương mại 36

Bảng 1.11 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong các công trình thể thao 36

Bảng 1.12 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong các công trình văn hóa - tôn giáo 36

Bảng 1.13 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong khu công nghiệp 37

Bảng 1.14 Tiêu chuẩn đất cây xanh trong khu nghĩa trang 37

Bảng 3.1 Bảng mẫu phân loại ảnh vệ tinh 69

Bảng 3.2 Ma trận sai số phân loại ảnh 71

Bảng 3.3 Bảng thống kê diện tích các loại thảm thực vật 77

Bảng 3.4 Bảng thống kê diện tích các loại mảng xanh 78

Bảng 3.5 Bảng thống kê diện tích các loại thảm thực vật thuộc mảng cây xanh công cộng 79

Bảng 3.6 Thống kê diện tích các loại biến động theo mảng xanh 79

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cây xanh đô thị có vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống con người Với thế giới nói chung và Việt Nam ta nói riêng thì không gian xanh, cây xanh được xác định là tiêu chí, yếu tố quan trọng cấu thành không gian đô thị, tạo lập nên cảnh quan đô thị, cũng là yếu tố cân bằng hệ sinh thái đô thị và cải thiện, khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường Trong bối cảnh toàn cầu hóa nóng lên và môi trường đô thị đang tạo thành những đảo nhiệt, thì cây xanh là sự cần thiết để cải thiện môi trường và chất lượng cuộc sống như: cây xanh làm giảm lượng khí CO2 và tẩy đi mọi chất dơ bẩn trong không khí như ngăn bụi, giảm tiềng ồn, cây giảm nhiệt bằng cách tạo bóng mát và chống gió bão Ta có thể tiết kiệm chi phí điều hòa và sưởi ấm nhờ trồng cây xung quanh công trình xây dựng Cây giúp ta chống xói mòn và giữ đất Cây tạo nên phong cảnh, cung cấp nơi cư trú, thức ăn cho các loài chim và bảo vệ cư dân thành phố Riêng với Hà Nội, với vai trò chức năng là Thủ đô của cả nước, là đô thị có lịch sử phát triển nghìn năm thì cây xanh còn có giá trị văn hóa, truyền thống, là bản sắc đặc thù của Hà Nội

Tuy nhiên sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và cơ sở hạ tầng trong những năm vừa qua đã và đang làm cho diện tích thực vật giảm đi một cách đáng kể Xu hướng này ngày càng gia tăng, bên cạnh đó các phương tiện máy móc sử dụng ngày càng nhiều, nồng độ CO2 trong không khí tăng cao là mối nguy hại đe dọa đến sức khỏe của người dân thành phố Việc quan sát trên diện rộng ở một số quận điển hình là vấn đề quan trọng và hết sức cần thiết để các cơ quan quản lý kịp thời đánh giá đúng tình hình cũng như đưa ra những chính sách và biện pháp hợp lý để cải thiện diện tích thực vật Quận Cầu Giấy nằm ở cửa ngõ phía Tây, một trong những khu phát triển chính của thành phố Hà Nội

Theo phương pháp truyền thống, việc quản lý, thống kê số lượng, diện tích cây xanh đô thị thường được tiến hành bằng cách đo đạc và kiểm tra thực địa hoặc

đo vẽ, tính toán từ không ảnh (ảnh máy bay) Tuy nhiên, những phương pháp này

mất rất nhiều thời gian và tốn kém kinh phí Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của công nghệ viễn thám, các ảnh vệ tinh ngày càng được ứng dụng mạnh mẽ trong việc giám sát, theo dõi những biến động bề mặt vỏ Trái đất Ðây là phương pháp rất hiệu quả trong việc xây dựng cập nhật thông tin trên diện rộng và tồng quát nhất phục vụ tốt cho công tác quản lý, khai thác tài nguyên thiên nhiên, nghiên cứu môi trường Ảnh vệ tinh có thể ghi phản xạ phổ của toàn mặt đất với sự khác biệt về dữ liệu, độ phân giải cao, nhạy cảm về phổ hồng ngoại cho thực vật, có thể cung cấp dữ liệu về cây xanh đô thị, giúp cho việc xác định những biến động và giám sát một cách nhanh chóng, chính xác

Đây cũng là lý do để học viên chọn đề tài “Ứng dụng viễn thám và GIS

nghiên cứu và đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu khả năng phân loại cây xanh trên ảnh vệ tinh độ phân giải cao bằng phương pháp phân loại hướng đối tượng Đánh giá hiện trạng cây xanh quận Cầu Giấy, Hà Nội làm cơ sở khoa học cho công tác nghiên cứu và quy hoạch chung trên địa bàn quận

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Thu thập, phân tích, đánh giá và tổng quan các tài liệu đã được công bố liên quan đến nội dung của đề tài

Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh, bản đồ khu vực nghiên cứu

Khảo sát thực địa bổ sung

Thành lập bản đồ và đánh giá hiện trạng cây xanh quận Cầu Giấy

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp viễn thám và hệ thông tin địa lý Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu Phương pháp khảo sát và điều tra thực địa Phương pháp phân tích so sánh

5 Cơ sở tài liệu để thực hiện luận văn

Các tài liệu nghiên cứu về địa mạo, địa chất, khí hậu, thủy văn, vỏ phong hóa, thổ nhưỡng, thực vật, môi trường, và kinh tế-xã hội hiện có về khu vực nghiên cứu

Các văn bản pháp quy về quản lý và quy hoạch cây xanh đô thị

Các bài báo khoa học, luận văn nghiên cứu về cây xanh đô thị

Các công trình nghiên cứu về ứng dụng GIS và viễn thám trong nghiên cứu lớp phủ thực vật nói chung và cây xanh đô thị nói riêng của các nhà khoa học trong

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả nghiên cứu nhằm đưa ra một cái nhìn tổng quát về hiện trạng cây xanh đô thị trên địa bàn quận Cầu Giấy Làm cơ sở khoa học cho định hướng quy hoạch chung trên địa bàn quận, hướng tới xây dựng đô thị xanh

9 Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm 3 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo Dưới đây là tiêu đề các chương:

Chương 1: Tổng quan về ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây xanh đô thị

Chương 2: Cơ sở khoa học của ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây xanh đô thị

Chương 3: Đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG

NGHIÊN CỨU CÂY XANH ĐÔ THỊ 1.1 Khái quát về viễn thám và hệ thông tin địa lý

1.1.1 Viễn thám

Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu [4]

Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là những nguồn tư liệu chính trong viễn thám Các thiết bị dùng để thu nhận sóng điện từ gọi là bộ cảm Thiết bị để đưa bộ cảm vào vũ trụ gọi là vật mang Máy bay và vệ tinh là những vật mang thông dụng trong kỹ thuật viễn thám

Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo các thông tin

về đối tượng Các thiết bị viễn thám thu nhận, xử lý các thông tin này, từ các thông tin phổ nhận biết, xác định được các đối tượng

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám

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

mà độ truyền dẫn sóng điện từ 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 nghĩa với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin Ở những

vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ truyền tới được bộ cảm một cách đầy đủ nhất

Các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải sóng cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt các bức xạ được ghi nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy thuộc vào độ phân giải trong không gian của bộ cảm Các xung này được tách thành các bước sóng thiết kế sẵn cho bộ cảm và tạo ra các dữ liệu đa phổ từ bề mặt này Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Đặc trưng này sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bề mặt đất Kể cả đối với giải đoán bằng mắt thì việc hiểu biết nhiều về đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu

để giải đoán đối tượng

Hình 1.2 Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng

Đối với các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi bộ cảm vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt, các bức xạ được thu nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy thuộc vào độ phân giải không gian của bộ cảm

Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3- 0,4µm), sóng ánh sáng nhìn thấy (0,4- 0,7µm), dải sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Các bước sóng

gần đây được sử dụng trong phân loại thạch học Sóng hồng ngoại nhiệt được sử dụng trong đo nhiệt, sóng micromet được sử dụng trong kỹ thuật radar

Lớp phủ thực vật là đối tượng được quan tâm nhiều bởi chiếm đa số diện tích

bề mặt tự nhiên Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo chiều dài bước sóng Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin và một số sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là: sắc tố, cấu trúc tế bào, thành phần nước

Năng lượng mặt trời khi chiếu xuống Trái Đất thì lá cây hấp thụ khoảng 85% ánh sáng nhìn thấy, phản xạ 10%, cho đi qua lá 5%

Lá cây hấp thụ mạnh ở khoảng phổ hẹp (0,4 - 0,47 µm) khoảng phổ tím, chàm - tím và ( 0,59 - 0,68 µm) khoảng phổ da cam, đỏ - da cam, đỏ Cực đại của

sự hấp thụ tại 0,43µm và 0,62µm

Hình 1.3 Đường cong phản xạ phổ của thực vật

Trên đồ thị hình 1.3 nhận thấy khả năng phản xạ phổ của thực vật ở vùng bước sóng nhìn thấy và bước sóng hồng ngoại là thấp hơn nhiều so với khả năng phản xạ phổ của thực vật ở vùng bước sóng cận hồng ngoại Ở vùng phổ hồng ngoại

sự ảnh hưởng của thành phần nước tới khả năng phản xạ phổ thể hiện rõ rệt nhất khi thành phần nước hấp thụ đáng kể năng lượng mặt trời Hàm lượng nước trong lá cây giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của thực vật cũng tăng mạnh

Tuy nhiên, khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác 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 có sự khác biệt rõ rệt

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn ánh sáng bị hấp thụ bởi sắc tố trong tế bào (Clorophin) có trong lá cây, một phần nhỏ thấu quang qua lá còn lại là phản xạ

Ở vùng cận hồng ngoại cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá cây, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt

Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá

là hàm lượng nước, khi độ ẩm trong lá cao thì năng lượng hấp thụ là cực đại

1.1.2 Hệ thông tin địa lý

Hệ thông tin địa lý - HTTĐL (Geographic Information System – GIS) là một

tổ chức tổng thể của các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Tư liệu địa lý, Người điều hành…được thiết kế hoạt động một cách hiệu quả nhằm tiếp nhận lưu trữ, điều kiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý HTTĐL có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý (Viện nghiên cứu môi trường Mỹ 1994-ESRI )

- G: Geographic: dữ liệu không gian thể hiện vị trí, hình dạng (điểm, đường, vùng)

- I : Information: thuộc tính, không thể hiện vị trí (như mô tả bằng văn bản,

a Phần cứng Phần cứng hệ thống thông tin địa lý bao gồm hệ thống máy tính và các thiết

bị nhập, xuất, lưu trữ dữ liệu Trong đó hệ thống máy tính có thể chỉ gồm 1 máy tính hoặc mạng máy tính gồm nhiều máy kết hợp lại với nhau Các thiết bị nhập, xuất, lưu trữ dữ liệu như scanner, máy in, máy ghi đĩa, các loại ổ cứng, đĩa quang, Tùy theo quy mô và tầm quan trọng của hệ thống mà việc đầu tư vào phần cứng sẽ được cân nhắc

b Phần mềm Phần mềm hệ thông tin địa lý bao gồm hệ điều hành hệ thống, phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu, phần mềm hiển thị đồ hoạ… Phần mềm trong GIS bảo đảm

đủ 4 chức năng nhập, lưu trữ, phân tích và xử lý, hiển thị dữ liệu không gian hoặc phi không gian Phần mềm phải đảm bảo việc nâng cấp khi cần thiết, liên kết với các DBMS khác Nhưng không phải lúc nào dữ liệu của chúng và các DBMS cũng tương thích với nhau do đó phải có thêm những phần mềm chuyển đổi format dữ liệu Thông thường dựa trên mục tiêu xây dựng cơ sở dữ liệu người ta lựa chọn các giải pháp cho phần cứng và phần mềm hệ thống thông tin địa lý

GIS lưu thông tin về thế giới như 1 tập các lớp theo chủ đề được liên kết với nhau bởi địa lý Cách này tuy đơn giản nhưng rất linh hoạt và rất mạnh được chứng minh là vô giá trong việc giải quyết các vấn đề của thế giới thực từ việc theo vết lưu chuyển xe cộ, lưu chi tiết của ứng dụng quy hoạch, đến việc mô hình sự tuần hoàn của khí quyển Cách tiếp cận những lớp (layer) cho phép chúng ta tổ chức thế giới phức tạp thành dạng đơn giản hơn, giúp chúng ta dễ dàng hiểu mối quan hệ giữa các thành phần tự nhiên

i) Các kiểu dữ liệu Kiểu dữ liệu cơ bản trong GIS phản ảnh dữ liệu truyền thống xuất hiện trên bản đồ GIS sử dụng 2 dạng cơ bản của dữ liệu

Dữ liệu không gian: mô tả vị trí tương đối và tuyệt đối của 1 đặc tính địa lý

Dữ liệu phi không gian (thuộc tính): mô tả các thông tin về đặc tính của các hình ảnh bản đồ

Chúng được liên kết với các hình ảnh không gian thông qua các chỉ số xác định chung, thông thường gọi là mã địa lý (GeoCode) được lưu trữ trong cả hai bản ghi không gian và phi không gian

Số liệu thuộc tính phi không gian bao gồm các định tính và số liệu hình ảnh, điểm, đường, vùng hoặc mạng lưới lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu Hệ thống thông tin địa lý có thể xử lý các thông tin thuộc tính riêng rẽ và tạo ra các bản đồ trên cơ

sở các giá trị thuộc tính

Phần lớn các phần mềm thông tin địa lý cũng có thể hiển thị các thông tin thuộc tính như là các ghi chú trên bản đồ hoặc là các tham số điều khiển cho việc lựa chọn hiển thị các ký hiệu bản đồ

Mối quan hệ giữa dữ liệu phi không gian và không gian: Bản đồ không chỉ thể hiện các lớp các đối tượng hình học mà mỗi đối tượng này còn được gắn với một tập các thuộc tính dữ liệu thống kê khác Ví dụ: vị trí tọa độ của rừng là dữ liệu không gian, còn những tính chất như những loài động vật, chiều cao… là những dữ liệu thuộc tính

Mỗi đối tượng hình học có một mã nhận diện dùng để liên kết với một bản ghi trong cơ sở dữ liệu quan hệ Các dữ liệu địa lý được tổ chức nhờ mô hình quan

hệ địa lý và Topo

Lớp các vùng (layer), đường (line), điểm (point) liên kết với các thuộc tính tương ứng Những mô hình liên kết đó thể hiện cách quản lý vị trí, quan hệ không gian của các đặc trưng điểm, đường và vùng Đồng thời cho phép quản lý hiệu quả các đặc tính của các đặc trưng đó

Dữ liệu bản đồ dựa theo các đối tượng (điểm, đường, đa giác, .) ứng với mỗi đối tượng tương ứng sẽ có số hiệu riêng để có thể quy chiếu các dữ liệu phi hình học bao gồm các dữ liệu thống kê lưu trữ trong các tệp khác nhau của cơ sở dữ liệu

ii) Mô hình dữ liệu không gian

Hệ thống thông tin địa lý sử dụng hai mô hình dữ liệu cơ bản để biểu diễn các đặc trưng không gian: mô hình dữ liệu Raster và mô hình dữ liệu Vector Mô hình dữ liệu quyết định cách thức mà dữ liệu cấu trúc, lưu trữ, xử lý và phân tích trong một hệ thống thông tin địa lý Nhiều hệ thống thông tin địa lý sử dụng cả hai

mô hình dữ liệu trên

Mô hình dữ liệu vector sử dụng các điểm tọa độ của chúng để xây dựng các đặc trưng không gian như điểm, đường và vùng Các đặc trưng dựa trên mô hình dữ liệu Vector được coi như các đối tượng riêng biệt trong không gian Dữ liệu vector được hiển thị dưới dạng những tọa độ định nghĩa điểm, hay những điểm này được nối với nhau

Mô hình dữ liệu raster được biểu diễn dưới dạng ma trận hay lưới mà có những hàng và cột Mỗi giao điểm của hàng và cột tạo thành 1 pixel Mỗi ô có 1 giá trị ví dụ như mức độ màu

d Con người Như ta đã biết, đối với một tổ chức không phải chỉ đơn giản mua một hệ thống phần cứng và một vài phần mềm nào đó là đủ, nó đòi hỏi phải có đội ngũ cán

bộ kỹ thuật, đó là các chuyên viên tin học, các nhà lập trình và các chuyên gia về

các lĩnh vực khác nhau, họ những người trực tiếp thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống thông tin địa lý Do vậy con người là yếu tố quyết định sự thành công trong tiến trình kiến tạo hệ thống và tính hữu hiệu của hệ thống trong tiến trình khai thác vận hành Trong hệ thống thông tin địa lý, con người sẽ làm việc trên 3 vị trí cũng

là 3 cấp có chức năng khác nhau: quản trị, kỹ thuật GIS, kỹ thuật chuyên ngành

e Quy trình nghiên cứu

Là phương thức hoạt động của một hệ thống gồm nhiều bộ phận khác nhau, được các nhà phân tích thiết kế hệ thống xác lập khi kiến tạo hệ thống và trong tiến trình khai thác hệ thống Phương thức này được xem như một dây truyền hoạt động của hệ thống Các hợp phần của hệ thống GIS có tác động ảnh hưởng lẫn nhau Sự hiểu biết về GIS của một cơ quan, một cá nhân sẽ định hướng cho nghiên cứu ứng dụng GIS theo yêu cầu đặt ra Trong tiến trình kiến tạo hệ thống thông tin địa lí, cần quan tâm những qui trình nhập dữ liệu, qui trình lưu trữ, bảo quản dữ liệu, qui trình truy vấn dữ liệu, qui trình xuất dữ liệu, qui trình hiển thị dữ liệu Trong tiến trình khai thác thông tin địa lí, các qui trình luôn luôn được quan tâm xây dựng và phát triển không ngừng nhằm giải quyết những vần đề do thực tiễn đặt ra Sự hữu hiệu của hệ thống phụ thuộc vào khả năng triển khai các qui trình ứng dụng theo từng mục tiêu cụ thể

f Mạng tin học Trong một hệ thống GIS thì mạng ngày càng đóng vai trò quan trọng Hệ thống mạng được thiết lập khi có từ 2 máy tính trở lên kết nối với nhau để chia sẻ tài nguyên: máy in, máy fax, tệp tin, dữ liệu…

Các thành phần của mạng có thể bao gồm:

Các hệ thống đầu cuối (end system) kết nối với nhau tạo thành mạng, có thể

là các máy tính hoặc các thiết bị khác Nói chung hiện nay ngày càng nhiều các loại thiết bị có khả năng kết nối vào mạng máy tính như điện thoại di động, tivi,… Internet là mạng diện rộng phổ biến nhất hiện nay Internet có thể hoạt động cho các loại mục đích khác nhau, trong đó có hoạt động GIS Internet là một thống thông tin

toàn cầu có thể được truy nhập công cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau

Môi trường truyền mà các thao tác truyền thông được thực hiện qua đó Môi trường truyền có thể là các loại dây dẫn (dây cáp), sóng điện từ (đối với các mạng không dây)

Giao thức truyền thông là các quy tắc quy định cách trao đổi dữ liệu giữa các thực thể

1.2 Khái quát về cây xanh đô thị

1.2.1 Vai trò của hệ thống cây xanh đô thị

1.2.1.1 Đưa thiên nhiên trở lại với con người

Lịch sử thế giới tự nhiên đã khẳng định rằng: Cái nôi sự sống của mỗi sinh vật, trong đó có loài người chính là thiên nhiên muôn màu, muôn vẻ, thiên nhiên ấy

là sự phối hợp hài hoà giữa các loại động vật và thực vật Mọi sinh vật đều có sự tương quan mật thiết với nhau tạo thành 1 hệ sinh thái hoàn hảo

Sự bùng nổ dân số theo cấp số nhân trong nhiều thập kỷ qua đã đặt ra cho nhân loại hàng loạt các vấn đề cần giải quyết Chủ yếu là các nhu cầu thiết yếu của con người: ăn, mặc, ở…Hệ quả của nó là hàng loạt các đô thị từ nhỏ đến khổng lồ

đã lần lượt xuất hiện Cái nôi của sự sống là cảnh vật thiên nhiên ngày càng bị mất

đi Màu xanh của cây, cỏ, lá, hoa xuất hiện rất khiêm tốn trong lòng đô thị.Quy hoạch hệ thống cây xanh đô thị nhằm đưa thiên nhiên trở lại với môi trường sống của con người, khắc phục dần các nhược điểm của việc bùng nổ đô thị, tô thêm màu xanh sống động của cây xanh lên các mảng bê tông gạch đá…tạo nên môi trường sống sinh động hài hòa [7]

Hình 1.4 Đường phố nhỏ và những cây cổ thụ

1.2.1.2 Cân bằng lại hệ sinh thái

Vấn đề cân bằng sinh thái chưa đuợc đặt ra, khi mà nền công nghiệp còn thô

sơ, lạc hậu, môi trường sống còn đa dạng phong phú, dân số còn rất thưa thớt so với thiên nhiên Nhưng kể từ khi công nghiệp phát triển, từ quy mô nhỏ và vừa đến đại công nghiệp Khi mà dân số bùng nổ và nhất là từ khi hàng loạt các đô thị khổng xuất hiện Hệ sinh thái và môi trường sống thực sự bị xáo trộn và bị bẻ gãy Vấn đề

ô nhiễm môi trường là bài toán thiết yếu cần phải được giải quyết trong vấn đề quy hoạch đô thị hiện nay và tương lai Thực tế đã cho thấy rằng, cây xanh đã góp phần rất lớn trong việc cân bằng lại hệ sinh thái đang bị xáo trộn ấy qua các tác động sau đây:

a Cải thiện vi khí hậu i) Nhiệt độ:

Nhiệt độ trong mỗi khu vực được hình thành bởi sự cộng hưởng của bức xạ nhiệt mặt trời trực tiếp và nhiệt khuếch tán do tính chất bề mặt khu vực ấy tạo nên.Nếu các khu vực trên cùng một vĩ độ sẽ có bức xạ nhiệt trực tiếp tương đối giống nhau, nhưng tạo nên nhiệt độ ở mỗi khu vực không giống nhau Do tính chất

bề mặt của mỗi khu vực khác nhau nên nhiệt khuếch tán sẽ khác nhau

T = t1 + t2 Trong đó:

T: Nhiệt độ khu vực t1: Bức xạ mặt trời trực tiếp (Trực xạ)

t2: Bức xạ khuếch tán (Tán xạ) Thực nghiệm thực tế chứng minh rằng: Nhiệt độ không khí trong vùng có cây xanh do bị cây xanh hấp thụ sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí nơi không có cây khoảng 40oC Nhiệt khuếch tán trong vùng có cây xanh cũng sẽ mất đi rất nhanh do hấp thụ nhanh, khác với bê tông, gạch đá sẽ mất đi chậm, làm cho môi trường xung quanh phải chịu sự nung nóng do nhiệt toả ra thêm một thời gian khá dài, sau khi nguồn nhiệt mặt trời không còn

Như vậy cây xanh là yếu tố cần thiết để hạ thấp nhiệt độ trong từng khu vực làm cho môi trường sống của con người đỡ bị oi bức, nhất là trong các khu vực chịu ảnh hưởng lớn bởi bức xạ khuếch tán của các kết cấu gạch đá, bê tông trong đô thị

ii) Độ ẩm Cảm giác nhiệt đến với mỗi con người bình thường bị chi phối bởi ẩm độ không khí xung quanh họ Ẩm độ tăng cảm giác nóng sẽ giảm rất rõ Mặt khác, khi

ẩm độ tăng sẽ giảm độ trong suốt của khí quyển, điều đó sẽ đồng thời cản bớt bức

xạ nhiệt trực tiếp trên bề mặt đô thị Thực tế cho thấy với cùng một nhiệt độ, nơi nào có độ ẩm thấp, nơi đó cảm giác nóng bức của con người cũng sẽ tăng lên Vùng gió Lào ở Việt Nam đã minh xác cho điều ấy

Sự bốc hơi nước thường xuyên của bề mặt lá cây, nhất là khi nhiệt độ không khí tăng, có khả năng tăng độ ẩm không khí, góp phần làm giảm cảm giác nóng bức của các sinh vật trong khu vực cây xanh

Thực nghiệm thực tế cũng chứng minh rằng, sự chênh lệch ẩm độ giữa nơi

có cây và nơi không có cây có thể lệch nhau từ 7  20%, tùy theo bề dày của tán cây hay mảng cây Điều này sẽ gây ra hiệu quả cảm giác nhiệt hạ từ 2 40C

iii) Gió Cấu trúc và vị trí của từng tán cây và từng mảng cây sẽ làm giảm tốc độ gió hoặc ngăn gió Hiện tượng này rất có ý nghĩa trong việc sử dụng cây xanh ngăn cản các luồng gió độc, gió lạnh, gió bão…Cây xanh, vì thế sẽ là “bức tường xanh”, có thể tạo thành dãy cách ly vệ sinh tốt nhất, ngăn chặn các tác động xấu do gió mang đến như khói, bụi độc hại ở các khu công nghiệp, không khí giá rét, bão xoáy…

b Chống ô nhiễm tiếng ồn Khi đô thị phát triển, số người sống chung quanh đông đúc, cường độ tiếng

ồn trở nên mạnh, thường xuyên và tác động nguy hại đến sức khoẻ Tiếng ồn trong

đô thị có khắp mọi nơi, sự cộng hưởng của các loại âm thanh khác nhau sẽ tăng cường tiếng ồn lên rất cao so với ngưỡng nghe ổn định của mỗi con người là 50 Db, thậm chí có nơi vượt quá mức độ báo động là 70 Db Ô nhiễm tiếng ồn thường xuyên sẽ gây thương tổn thính giác và hệ thần kinh con người, stress thường xảy ra đối với cư dân sống trong đô thị

Thực nghiệm đo đạc cho thấy tán cây lá to hấp thụ trên 25% âm lượng và tán

xạ khoảng 75% tiếng ồn đi qua nó Tác dụng hút âm của cây rất có ý nghĩa trong việc bố trí cây xanh đường phố Cây xanh cách ly giữa nhà máy và khu dân cư Giảm thiểu tiếng ồn cho người dân đô thị

c Làm trong lành môi trường đô thị Trong các đô thị, nhất là các đô thị công nghiệp, cùng với nhịp độ phát triển của quá trình công nghiệp hoá, cơ giới hoá, khói bụi lan toả vào không gian đô thị là điều không tránh khỏi Tác động xấu của khói, bụi đến con người đã gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng

Nhiều kết quả nghiên cứu về vai trò của cây xanh đã đưa ra kết luận: Trong môi trường có cây xanh, khói bụi đã giảm đi rất nhiều so với nơi không có cây xanh Như vậy, chính độ ẩm không khí do sự bốc hơi nước của lá cây đã làm cho bụi bị ngậm nước, tăng trọng và không bay xa Đã vậy, cây xanh có tác dụng cản gió, bụi bị dừng lại phần lớn trong tán cây, phần còn lại bị giảm tốc và rơi rụng dần

Đo đạc thực tế cho thấy, không khí dưới tán cây sẽ giảm thiểu số bụi đến hơn 40%

Điều quan trọng mà thiên nhiên ban cho con người chính là “lá phổi” khổng

lồ của cây xanh Ngược với quá trình hoạt động của lá phổi con người, cây xanh đã hấp thụ khí CO2

và “thở” ra khí O2 Chất khí tối cần thiết cho sự sống phần lớn mọi sinh vật Thường số lượng khí CO2

của 1 người thải ra trong 1 giờ khoảng 40g, tương đương sự hấp thụ của 50m2 cây xanh trong 1 giờ Đối với các đô thị có mật

độ dân cư đông đúc, các nhà máy, phương tiện sinh hoạt sử dụng nhiên liệu đốt