“ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN NAM ĐÀN – TỈNH NGHỆ AN GIAI ĐOẠN 2013 2015”

“ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN NAM ĐÀN – TỈNH NGHỆ AN GIAI ĐOẠN 2013 2015” “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN NAM ĐÀN – TỈNH NGHỆ AN GIAI ĐOẠN 2013 2015” “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN NAM ĐÀN – TỈNH NGHỆ AN GIAI ĐOẠN 2013 2015”

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đất đai là 1 tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặcbiệt đất đai là môi trường sông của cả con người và sinh vật, là địa bàn phân bốdân cư, xây dựng các công trình kinh tế, văn hóa, an ninh quốc phòng Ngày nay

do sự tăng dân số, sự tăng trưởng kinh tế xã hội Và một số vấn đề khác đang tácđộng lớn đất đai Trước những áp lực đó đất đai không ngừng cùng với sự pháttriển cùa kinh tế xã hội Do đó việc theo dõi, đánh giá, điều chỉnh việc sử dungđất hợp lý là công việc hết sức cần thiết

Bên cạnh đó trong những năm gần đây với sự phát triển như vũ bão củakhoa học - công nghệ việc theo dõi hiện trạng, biến động sử dụng đất trở nên dễdàng và thuận tiện nhanh chóng chính xác hơn rất nhiều Công nghệ viễn thám(RS – Remote sensing) và các loại ảnh vệ tinh chính là thành quả của khoa học -công nghệ phục vụ công tác theo dõi, đánh giá các đối tượng tự nhiên Sản phẩmcủa Viễn thám chính là dữ liệu đầu vào của Hệ thống thông tin địa lý (GIS –Geographical Information System) nhằm mục đích thành lập bản đồ

Huyện Nam Đàn là một Huyện nằm ở hạ lưu sông Lam của tỉnh Nghệ An,

đã và đang có những bước chuyển mình trong phát triển kinh tế - xã hội Vớiviệc phát triển đó, cần phải có sự giám sát, điều chỉnh hiện trạng, biến động sửdung đất hợp lý hiệu quả tránh lãng phí nguồn tài nguyên đất đai Hơn nữa trongthời gian qua trên địa bàn huyện việc thành lập bản đồ hiện trạng sử dung đấtđược thực hiện chủ yếu bằng việc đo đạc trên thực địa và xử lý chủ yếu trênphần mềm Microstation SE,

Huyện có tiềm năng đất đai đa dạng, nguồn khoáng sản lớn, nằm gần cáckhu kinh tế động lực, các vùng miền giàu tiềm năng của tỉnh, do đó những nămgần đây, sử dụng đất có nhiều thay đổi và biến động Để có thể quản lý tốt thìứng dụng viễn thám và GIS để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất chohuyện là nhiệm vụ cấp thiết, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài:

“ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN

ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN NAM ĐÀN – TỈNH NGHỆ AN GIAI ĐOẠN 2013 - 2015”

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng được bản đồ biến động sử dụng đất của huyện Nam Đàn – tỉnhNghệ An bằng công nghệ viễn thám

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý luận về viễn thám

- Nghiên cứu đặc điểm tự nhiên, kinh tế, xã hội của Huyện Nam Đàn

- Nghiên cứu các chức năng, quy trình thực hiện tải ảnh, gói ảnh, nắn ảnh,cắt ảnh, phân loại ảnh trên phần mềm ENVI 4.5

- Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và quyđinh của Bộ Trưởng Bộ Tài Nguyên Và Môi Trường

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này tôi sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp điều tra, thu thập số liệu

- Phương pháp xây dựng hệ thống phân loại đất theo mục đích sử dụngtrong khu vực nghiên cứu

Phương pháp xây dựng hệ thống phân loại và tiêu chuẩn phân loại hiệntrạng sử dụng đất là một phương pháp không thể thiếu trong quy trình thành lậpbản đồ hiện trạng, biến động sử dụng đất Chúng thể hiện đầy đủ các đặc điểmphân bố hiện trạng, biến động sử dụng đất phân theo mục đích sử dụng, đồngthời tăng cường khả năng sử dụng thông tin bản đồ cho nhiều mục đích khácnhau như sinh thái, tài nguyên, quy hoạch…

- Phương pháp xử lý tư liệu viễn thám

+ Để thực hiện đề tài này, tôi sử dụng phần mềm ENVI 4.5 đây là phầnmềm được sử dụng rất nhiều trong việc giải đoán ảnh viễn thám Phân loại cácđối tượng có độ chính xác cao

+ Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat chụp khu vực nghiên cứu vào năm 2013

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Đề tài nghiên cứu đã cho thấy sự đa dạng trong việc kết hợp giữa Viễnthám và hệ thống thông tin địa lý để nghiên cứ thành lập bản đồ biến động sửdụng đất cũng như các bản đồ chuyên đề khác

Việc xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất sẽ giúp cho quy hoạch sửdụng đất dễ dàng, đạt hiệu quả cao

7 Cấu trúc của đề tài

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dụng của đề tài có 3 phần chính:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu.

CHƯƠNG 2: Đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Nam Đàn, tỉnh Nghệ An.

CHƯƠNG 3: Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất huyện Nam Đàn bằng phương pháp viễn thám.

PHẦN II: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Bản đồ biến động sử dụng đất

1.1.1 Khái niệm chung về bản đồ biến động sử dụng đất

Biến động là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạngthái khác liên tục của sự vật hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũngnhư môi trường xã hội

Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạngthái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại các thời điểm khác nhau

Để nghiên cứu biến động sử dụng đất người ta có thể sử dụng nhiềuphương pháp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau như: số liệu thống kê hàng năm,

số liệu kiêm kê hoặc từ các cuộc điều tra Các phương pháp này có độ chính xáckhông cao, tốn nhiều thời gian và kinh phí, đồng thời chúng không thể hiệnđược sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất này sang loại đất khác và vị trí khônggian của sự thay đổi đó Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất từ tư liệu viễnthám đa thời gian sẽ khắc phục được những nhược điểm trên

Để quản lý sử dụng đất cấp huyện sử dụng bản đồ tỷ lệ lớn và chi tiết1:2.000, 1:5.000, 1:10.000 Đối với cấp huyện sử dụng bản đồ tỷ lệ lớn và trungbình 1:10.000, 1:25.000, 1:50.000 Với các vùng lớn hơn sử dụng bản đồ tỷ lệtrung bình và tỷ lệ nhỏ

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

Các thông tin về tình hình sử dụng đất, biến động sử dụng đất kết hợp vớicác thông tin có liên quan là yếu tố quan trọng phục vụ công tác quy hoạch, kếhoạch và quản lý đất đai để đảm bảo sử dụng đất bền vững, hiệu quả, thân thiệnmôi trường và quan trọng nhất là đảm bảo an ninh lương thực

Các số liệu điều tra về tình hình biến động sử dụng đất có thể đã đượcphân tích và thống kê tổng hợp dưới dạng bảng biểu nhưng chưa phân tích hay

trình bày số liệu này dưới dạng không gian địa lý hoặc làm chúng dễ tiếp cậnhơn đối với các nhà nghiên cứu hoặc các nhà hoạch định chính sách Tiềm năngcủa hệ thống thông tin địa lý hiện đại trong việc phân tích dữ liệu không gian đểthành lập bản đồ vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi Việc thể hiện sự biến độngcủa số liệu theo không gian địa lý làm tăng giá trị của số liệu lên rất nhiều đặcbiệt đối với nước ta, một nước có lãnh thổ trải dài trên 3000km, hai vùng đồngbằng châu thổ rộng lớn tương phản với các vùng miền núi bao la Sự đa dạng vềđặc điểm kinh tế xã hội và việc sử dụng đất được đánh giá rõ hơn ở dưới dạngbản đồ.

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

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

1.1.2 Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động lớp phủ bề mặt

Tiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động lànhững thay đổi lớp phủ trên bề mặt đất phải đưa đến sự thay đổi về giá trị bức xạ

và những sự thay đổi về bức xạ do sự thay đổi lớp phủ phải lớn hơn so vớinhững thay đổi về bức xạ gây ra bởi các yếu tố khác Những yếu tố khác baogồm sự khác biệt về điều kiện khí quyển, sự khác biệt về góc chiếu tia mặt trời,

sự khác biệt về độ ẩm của đất Ảnh hưởng của các yếu tố này có thể được giảmtừng phần bằng cách chọn dữ liệu thích hợp

Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động rất quan trọng Trướctiên, chúng ta phải xác định được phương pháp phân loại ảnh được sử dụng Sau

đó cần xác định rõ yêu cầu nghiên cứu có cần biết chính xác thông tin về nguồngốc của sự biến động hay không Từ đó có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.Tuy nhiên tất cả các nghiên cứu đều cho thấy rằng, các kết quả về biến động đềuphải được thể hiện trên bản đồ biến động và các bảng tổng hợp Các phươngpháp nghiên cứu biến động khác nhau sẽ cho những bản đồ biến động khácnhau Có nhiều phương pháp nghiên cứu biến động thường được sử dụng Dướiđây là một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động vàthành lập bản đồ biến động

a Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp so sánh sau phân loại

Bản chất của phương pháp này là từ kết quả phân loại ảnh ở hai thời điểmkhác nhau ta thành lập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm đó.Sau đó chồng ghép hai bản đồ hiện trạng để xây dựng bản đồ biến động Cácbản đồ hiện trạng có thể thực hiện dưới dạng bản đồ raster

Quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất theo phương pháp này

có thể tóm tắt như hình 1.1

Hình 1.1 Ảnh lập bản đồ biến động bằng phương pháp so sánh sau phân loại

Ưu điểm:

Phương pháp so sánh sau phân loại được sử dụng rộng rãi nhất, đơn giản,

dễ hiểu và dễ thực hiện Sau khi ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học sẽ tiếnhành phân loại độc lập để tạo thành hai bản đồ Hai bản đồ này được so sánhbằng cách so sánh pixel tạo thành ma trận biến động

Bản đồ hiện trạng 2

Bản đồ biến động

Theo J Jensen [13] ưu điểm của phương pháp này cho biết sự thay đổi từloại đất gì sang loại đất gì và chúng ta cũng có thể sử dụng các bản đồ hiện trạng

sử dụng đất đã được thành lập trước đó

Nhược điểm:

Nhược điểm của phương pháp này là phải phân loại độc lập các ảnh viễnthám nên độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của từng phép phân loại vàthường độ chính xác không cao vì các sai sót trong quá trình phân loại của từngảnh vẫn được giữ nguyên trong bản đồ biến động

b Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Phương pháp này thực chất là chồng xếp hai ảnh với nhau để tạo thànhảnh biến động Sau đó dựa vào ảnh biến động ta tiến hành phân loại và thành lậpbản đồ (hình 1.2)

Hình 1.2 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân loại trực tiếp

ảnh đa thời gian

Phân loại Bản đồ biến động

Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4

Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4

Ảnh thời điểm 1

Ảnh thời điểm 2

Ảnh biến động

ảnh ở các thời điểm khác nhau cũng không dễ được loại trừ, do đó ảnh hưởngđến độ chính xác của phương pháp.

Thêm vào đó bản đồ biến động sử dụng đất được thành lập theo phươngpháp này chỉ cho ta biết được chỗ biến động và chỗ không biến động chứ khôngcho biết được biến động theo xu hướng nào

c Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp phân tích véctơ thay đổi phổ

Khi ở trong khu vực nghiên cứu có biến động xảy ra thì nó được thể hiệnbằng sự khác biệt về phổ ở giữa hai thời điểm trước và sau biến động Giả sửxác định được giá trị phổ trên hai kênh x và y tại hai thời điểm trước và sau biếnđộng như trên biểu đồ hình 1.3

Hình 1.3 Véc tơ thay đổi phổ

Điểm 1 biểu thị giá trị phổ tại thời điểm trước khi xảy ra biến động, điểm

2 biểu thị giá trị phổ tại thời điểm sau khi xảy ra biến động Khi đó véc tơ 12

chính là véc tơ thay đổi phổ, và được biểu thị bởi giá trị (khoảng cách từ 1 đến2) và hướng thay đổi (góc  )

Giá trị của véc tơ thay đổi phổ tính trên toàn cảnh theo công thức :

1

, , ,

j

BV

Trong đó: CMpixel là giá trị của véc tơ thay đổi phổ,

BVi,j,k(1), BVi,j,k(2) là giá trị phổ của pixel ij, kênh k của ảnh trước và saukhi xảy ra biến động

Việc phân tích véc tơ thay đổi được ghi lại thành hai tệp dữ liệu: một tệpchứa các mã của khu vực, một tệp chứa độ lớn của các véc tơ thay đổi phổ

Kênh y

Kênh x 1

2

Thông tin về sự thay đổi được tạo ra từ hai tệp dữ liệu đó và được thể hiện bằngmàu sắc của các pixel tương ứng với các mã đã quy định Trên ảnh đa phổ thayđổi này sẽ kết hợp cả hướng và giá trị của véc tơ thay đổi phổ Sự thay đổi cóxảy ra hay không được quyết định bởi véc tơ thay đổi phổ có vượt ra khỏingưỡng quy định hay không Giá trị ngưỡng được xác định từ kết quả thựcnghiệm dựa vào các mẫu biến động và không biến động.

Trên hình 1.4 thể hiện thuật toán phân tích thay đổi phổ

Hình 1.4 Thuật toán phân tích thay đổi phổ

Trường hợp a, không xảy ra biến động hoặc biến động nhỏ vì véc tơ thayđổi phổ không vượt khỏi giá trị ngưỡng, trường hợp b, c có xảy ra biến động vàhướng của véc tơ thay đổi phổ thể hiện tính chất của biến động trong trường hợp

b khác trường hợp c, ví dụ ở trường hợp b có thể xảy ra sự biến mất của thực vật,còn trong trường hợp c chỉ là sự khác biệt giai đoạn tăng trưởng của cây trồng

Sau đó lớp thông tin thể hiện sự thay đổi hay không thay đổi sẽ được đặtlên trên tấm ảnh để thành lập bản đồ biến động

Ngưỡng

Không thay đổi

hoặc thay đổinhỏ

Kênh y

Kênh x

Thời điểm1

Thời điểm2

Thay đổi

Kênh y

Kênh x

Thời điểm1

Thời điểm2 Thay đổi

d Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp sử dụng mạng nhị phân

Đây là một phương pháp xác định biến động rất hiệu quả [10] Đầu tiêntiến hành lựa chọn để phân tích ảnh thứ nhất tại thời điểm n Ảnh thứ 2 có thểsớm hơn ảnh thứ nhất (n-1) hoặc muộn hơn (n+1) Các ảnh đều được nắn chỉnh

và tạo ra một ảnh mới

Hình 1.5 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp mạng nhị phân

Sau đó sử dụng kỹ thuật phân ngưỡng để xác định các vùng thay đổi vàkhông thay đổi trên ảnh mới này theo phương pháp số học đã trình bày ở trên.Ảnh thay đổi sẽ được ghi lại trên một tệp "mạng nhị phân" chỉ có hai giá trị

Ảnh 1 sau phân loại

Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4

Ảnh 2 sau phân loại

Ảnh 1

Kênh 3 - Ảnh 1 Kênh 3 - Ảnh 2 Phép biến

đổi số học Phát hiện pixel thay đổi tạo ra mạng nhị

"thay đổi" và "không thay đổi" Và phải hết sức cẩn thận trong việc thành lậpmạng lưới này Sau đó mạng nhị phân này được chồng phủ lên ảnh thứ hai đểphân tích và chỉ ra các pixel thay đổi Khi đó chỉ có các pixel được xác định là

có sự thay đổi được phân loại trên ảnh thứ hai này Sau đó, phương pháp so sánhsau phân loại truyền thống được ứng dụng để tìm ra thông tin về biến động Sơ

đồ của phương pháp thể hiện trong hình 1.5

Ưu điểm:

Ưu điểm của phương pháp này là giảm được sai số xác định biến động do

bỏ sót hoặc cộng thêm vào và cung cấp cụ thể thông tin về sự biến động từ loại

gì sang loại gì Phương pháp này có thể phân tích được số lượng nhỏ các vùngthay đổi giữa hai thời điểm Ở hầu hết các vùng nghiên cứu, trong giai đoạn từ1-5 năm thì diện tích biến động thường không lớn quá 10% diện tích toàn bộvùng nghiên cứu, vì vậy phương pháp này khá thích hợp để thành lập bản đồnhững vùng có biến động nhỏ

Nhược điểm:

Nhưng bất lợi lớn nhất của phương pháp này là rất phức tạp, đỏi hỏi một

số bước thực hiện và kết quả cuối cùng phụ thuộc vào chất lượng của mạng nhịphân đã được sử dụng để phân tích Tuy nhiên để nghiên cứu biến động và thànhlập bản đồ biến động thì đây là một phương pháp rất hữu dụng

e Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ đã có

Trong một số trường hợp mà khu vực nghiên cứu đã có bản đồ hiện trạngđược thành lập từ ảnh viễn thám (ví dụ ảnh hàng không) hoặc đã có bản đồ được

số hóa thì thay vì sử dụng ảnh viễn thám ở thời điểm 1 chúng ta sử dụng cácnguồn dữ liệu đã sẵn có Tiến hành phân loại ảnh ở thời điểm thứ hai, sau đótiến hành so sánh các pixel tương tự như phương pháp so sánh sau phân loại đểtìm ra biến động và thông tin biến động

Nhược điểm:

Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm là dữ liệu số hóa có thểkhông đủ độ chính xác hoặc dữ liệu bản đồ không tương thích với hệ thống phânloại

g Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh

Trong phương pháp này ta chọn một kênh ảnh nhất định (ví dụ kênh 1)sau đó ghi từng ảnh ở các thời điểm lên một băng từ đặc biệt của hệ thống xử lýảnh số Khi đó màu sắc của dữ liệu ảnh chồng xếp sẽ cho thấy sự biến động haykhông biến động theo nguyên lý tổ hợp màu

Ví dụ có hai ảnh Landsat TM năm 1992 và năm 1998 Gán màu lục chokênh 1 của ảnh năm 1992, gán màu đỏ cho kênh 1 của ảnh năm 1998, gán màuchàm cho một kênh 1 của ảnh trống Khi đó tất cả các vùng không có sự thayđổi giữa hai thời điểm sẽ có màu vàng (theo nguyên lý cộng màu, tổ hợp màuchàm và màu đỏ tạo thành màu vàng) Như vậy căn cứ vào màu sắc ta có thểđịnh lượng được sự thay đổi

Hình 1.6 Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp mạng nhị phân

Ưu điểm:

Ưu điểm của phương pháp này có thể xác định được biến động của haithậm chí ba thời điểm ảnh ở cùng một lần xử lý ảnh (hình 1.6)

Nhược điểm:

Tuy nhiên kỹ thuật xử lý ảnh theo phương pháp này không cung cấp được

số liệu cụ thể về diện tích biến động từ loại đất này sang loại đất khác Tuy vậyđây là phương pháp tối ưu để nghiên cứu biến động trên phạm vi rộng lớn nhưvùng hoặc lãnh thổ

Ảnh 1 Ảnh 2 Ảnh 3

Kênh n Kênh n Kênh n

Ảnh màu lục Ảnh màu đỏ Ảnh màu chàm

Ảnh biến động

Bản đồ biến động

h Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp kết hợp

Thực chất việc thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp này là véc

tơ hóa những vùng biến động từ tư liệu ảnh có độ phân giải cao như ảnh SPOTPan 10x10m hoặc ảnh hàng không

Nếu dữ liệu ảnh tại một thời điểm có độ phân giải thấp hơn ta tiến hànhphân loại ảnh đó theo phương pháp phân loại không kiểm định Từ ảnh phân loạikhông kiểm định tạo ra được bản đồ hiện trạng tại thời điểm đó Tiếp theo chồngxếp bản đồ lên trên ảnh có độ phân giải cao để phát hiện biến động Sau đó tiếnhành véc tơ hóa những vùng biến động Việc khoanh vẽ những vùng xảy ra biếnđộng trên ảnh được thực hiện dễ dàng nhờ phương pháp giải đoán bằng mắt dựavào các chuẩn đoán đọc như chuẩn hình dạng, chuẩn cấu trúc, chuẩn kíchthước… Chính vì vậy, phương pháp này rất thông dụng khi người xử lý sử dụngphương pháp giải đoán bằng mắt ảnh hàng không của cả hai thời điểm

Quá trình xử lý được thực hiện dễ dàng hơn nếu thỏa mãn hai yếu tố:

- Nếu hai ảnh được hiển thị trên màn hình cùng lúc, bên cạnh nhau

- Các tính chất hình học của ảnh là như nhau, được định hướng như nhauthì khi vẽ một đối tượng trên một ảnh thì trên ảnh kia đối tượng đó có cùng kíchthước, hình dạng

Ứng dụng hiệu quả nhất của phương pháp này là nghiên cứu biến độngsau thiên tai Sau cơn bão nhiệt đới lịch sử Hugo với tốc độ gió 135 dặm/giờ xảy

ra vào ngày 22 tháng 9 năm 1989 tại bang Carolina (Mỹ), người ta đã dùngphương pháp này để nghiên cứu những biến động do cơn bão gây ra Ảnh hàngkhông chụp ngày 5 tháng 10 năm 1989 được nắn chỉnh hình học theo bản đồnăm 1988 Từ đó các nhà phân tích đã xác định được những tòa nhà không bịphá hủy, những tòa nhà bị phá hủy hoàn toàn, hay phá hủy một phần, nhữngngôi nhà bị xê dịch hay những tòa nhà đang được xây dựng lại và những biếnđộng về sự bồi tụ hay xói lở của vùng bờ biển

Ưu điểm:

Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác cao và cung cấp đầy đủthông tin về biến động

Nhược điểm:

Tuy nhiên phương pháp này chỉ thực hiện trên ảnh độ phân giải cao

1.1.3 So sánh các phương pháp thành lập bản đồ biến động

Từ các kết quả thực nghiệm của các nghiên cứu đã công bố cho thấy:

- Các phương pháp thành lập bản đồ biến động trừ các phương phápliên quan đến phép phân loại thông thường, các phương pháp còn lại đều phảixác định ngưỡng phân chia bằng thực nghiệm để tách các pixel biến động vàkhông biến động Trên thực tế, việc xác định ngưỡng chính xác là vấn đềkhông đơn giản

- Các phương pháp như phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian, phương pháp

số học, phương pháp mạng nhị phân, phương pháp cộng màu đều rất đòi hỏingười xử lý phải có trình độ và hiểu biết nhất định về kỹ thuật xử lý ảnh Vì vậykhó thực hiện với những người không phải thuộc cơ quan chuyên môn Thêmvào đó, để phát hiện biến động thực sự, các phương pháp này đòi hỏi những tưliệu viễn thám phải được thu thập cùng thời điểm trong các năm Tuy nhiên, rấtkhó để có thể thu nhận được dữ liệu viễn thám trong cùng một thời điểm của cácnăm, đặc biệt là ở vùng nhiệt đới, nơi mà mây che phủ phổ biến nhiều ngàytrong năm Đồng thời cũng phải lưu ý tới độ ẩm của đất và lượng nước còn trênthảm thực vật trong trường hợp thời tiết lâu ngày không mưa và vừa mới mưaxong tại thời điểm thu nhận ảnh

- Phương pháp so sánh sau phân loại là một trong số các phương phápđược sử dụng rộng rãi nhất Bản đồ biến động được thành lập từ kết quả phânloại có kiểm định đạt độ chính xác cao nhất

- Trong phương pháp so sánh sau phân loại, ảnh của từng thời điểm đượcphân loại độc lập nên tránh được nhiều vấn đề như không phải chuẩn hóa ảnhhưởng của khí quyển và bộ cảm ứng điện từ trên ảnh chụp tại các thời điểm khácnhau, không phải lấy mẫu lại kích thước pixel trong trường hợp dữ liệu đa thờigian không cùng độ phân giải không gian Ngoài ra, phương pháp này cũng làphương pháp phù hợp cho việc chuyển kết quả phân loại về hệ thông tin địa lýGIS để phân tích biến động sau phân loại

Phương pháp này được cho là ít nhạy cảm với những thay đổi phổ của đốitượng do sự khác nhau của độ ẩm đất và chỉ số thực vật.

Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là phụ thuộc vào độ chính xác củatừng ảnh phân loại và tốn kém khá nhiều thời gian

1.2 Tổng quan về viễn thám

1.2.1 Khái niệm viễn thám và ảnh viễn thám

- Theo Remote Sensing RS, Viễn thám: là sự thu thập và phân tích thông

tin về một đối tượng mà ko có sự tiếp xúc trực tiếp đến đối tượng Viễn thám làphương pháp sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để điều tra và đo đạcnhững đặc tính của đối tượng

- Theo Lê Văn Trung (2010), Viễn thám được định nghĩa như một khoa

học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin củađối tượng (vật thể) mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với chúng

1.2.2 Đặc điểm của ảnh viễn thám

Ảnh viễn thám đặc trưng bởi dữ liệu không gian với hai dạng cấu trúc làdạng raster và dạng vector:

Cấu trúc dạng raster: Mô tả bề mặt Trái Đất và các đối tượng trên đó

bằng một lưới gồm các hàng và cột Những phần tử nhỏ này được gọi là pixel.Giá trị của pixel chính là thuộc tính của đối tượng, nghĩa là trên cùng một đơn vịdiện tích mà số ô pixel càng nhiều thì đối tượng nhìn càng rõ càng chính xác vàngược lại Một mặt phẳng chứa đầy các pixel thì tạo thành một raster Cấu trúcdạng này thường được dùng để mô tả các đối tượng hiện tượng phân bố liên tụctrong không gian, dùng để lưu dữ thông tin dạng ảnh Thông thường có một số

mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), Tin (Triangulated Irregular Network) cũng thuộc dạng raster.

Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử

lý và phân tích Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép tính bản đồ dễ dàng.Tuy nhiên nó lại kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng Khi độ phângiải càng thấp tức là kích thước ô pixel lớn thì sự sai lệch càng lớn

Cấu trúc vector: Mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian

bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa

chúng Về mặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng

dạng điểm (point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region

hay polygon) Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y Đường là mộtchuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục Vùng là khoảng không gian được giới hạn bởimột tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau Vớiđối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao

Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chínhxác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao) Cấu trúc này giúp chongười sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn Tuy nhiên cấu trúc này

có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ

Ảnh viễn thám có một số đặc điểm nổi bật như sau:

Tỷ lệ: Là tỷ số khoảng cách giữa hai điểm của một ảnh tương ứng với

khoảng cách trên mặt đất của hai điểm đó Tỷ lệ hình ảnh được xác định bởi cácyếu tố như: Độ dài tiêu cự hiệu dụng của thiết bị viễn thám; độ cao mà từ đóhình ảnh được thu nhận; yếu tố phóng đại được sử dụng trong in phóng ảnh

Độ sáng và tone ảnh: Sự khác nhau về cường độ của bức xạ điện từ phát

ra từ địa hình tạo nên sự khác nhau về độ sáng của hình ảnh, độ sáng của hìnhảnh tỷ lệ với cường độ bức xạ phát ra từ các đối tượng

Độ sáng: Đó là lượng ánh sáng tác động vào mắt của chủ thể mà có thể

xác định được một cách tương đối Để đo cường độ ánh sáng người ta thường

dùng quang kế (photometro) Khi phân tích ảnh, để phân biệt độ sáng của ảnh có

thể hiệu chỉnh bằng thang cấp độ xám, ảnh được phân ra các vùng có tông sáng,trung bình hay tối dựa vào thang độ xám

Tone ảnh: là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ về mặt đối tượng, là

dấu hiệu quan trọng để xác định đối tượng

Độ phân giải không gian và năng lực phân giải: Độ phân giải được

hiểu như là khả năng để phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trong một bức ảnh,nói chính xác hơn là khoảng cách tối thiểu giữa các đối tượng mà có thể nhậnbiết và phân biệt được trên ảnh Năng lực phân giải và độ phân giải không gian

là hai khái niệm có sự liên hệ rất chặt chẽ Khái niệm phân giải được áp dụng

cho một hệ thống tạo ảnh hay một thành phần của hệ thống, trong khi đó độphân giải không gian được áp dụng cho một ảnh được tạo ra bởi hệ thống đó.

Độ phân giải: Đây là đặc điểm quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lượngảnh, độ phân giải chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc điểm khu vựcbay chụp, hệ thống chụp ảnh, độ cao bay chụp, tốc độ bay chụp, điều kiện khíquyển tại thời điểm chụp

1.2.3 Đặc trưng phổ trong viễn thám

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấpthông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám cung cấp thông tin

về các vật thể tương ứng với năng lượng phản xạ ứng với bước sóng đã xácđịnh Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễnthám, cho phép tách thông tin hữu ích về lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tươngtác giữa bức xạ điện từ và vật thể

Hình 1.7: Đặc trưng phổ của đối tượng trong viễn thám

1.2.4 Phân loại ảnh viễn thám

Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ Mặt Trời.

Ảnh quang học là ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường nănglượng sóng điện từ có bước sóng nằm trong dải tần từ ánh sáng nhìn thấy đếnhồng ngoại phản xạ (từ 0,3mm đến 3mm)

Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệtdo chính vật thể

sản sinh ra Ảnh nhiệt là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng hồng ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8 - 14mm)

Ảnh radar: Nguồn năng lượng chính là sóng radar phản xạ từ các vật thể

do vệ tinh phát xuống theo những bước sóng đã được xác định Ảnh radarlà loạiảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng được sử nằm trong dải tần sóng

vô tuyến cao tần (1 cm - 1 m)

Ảnh thu nhận bằng sóng địa chấn: cũng là một loại ảnh viễn thám

Ảnh viễn thám có thể được lưu theo các kênh ảnh đơn (trắng đen) ở dạng

số trong máy tính hoặc các kênh ảnh được tổ hợp (ảnh màu) hoặc có thể in ragiấy, tùy theo mục đích người sử dụng

1.2.5 Nguyên lý hoạt động

Trong viễn thám, nguyên tắc hoạt động của nó liên quan giữa song điện từ

từ nguồn phát và vật thể quan tâm

Hình 1.8: Thu nhận, xử lý và ứng dụng dữ liệu viễn thám

1 Nguồn phát năng lượng (A)- yêu cầu đầu tiên cho viễn thám là có nguồnnăng lượng phát xạ để cung cấp năng lương điện từ tới đối tương quan tâm

2 Sóng điện từ và khí quyển (B) – khi năng lượng truyền từ nguồn phátđến đối tượng quan tâm, nó sẽ đi vào và tương tác với khí quyển mà nó đi qua

Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khí năng lượng truyền từ đối tượng tới

bộ cảm biến

3 Sự tương tác với đối tượng (C) – một khi năng lượng gặp đối tượng saukhi xuyên qua khí quyển, nó tương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc tính củađối tượng và sóng điện từ mà năng lượng phản xạ ra hay bức xạ của đối tượng

6 Sự giải đoán và phân tích (F) - ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽ được giảiđoán trực quan hoặc được phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tượng

7. Ứng dụng (G) - đây là thành phần cuối cùng của quy trình xử lý côngnghệ viễn thám Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được úng dụng đểhiểu tốt hơn về đối tượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hộ trợ trong cho

việc giải quyết một số vấn đề cụ thể (theo Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi,2009)

1.2.6 Lịch sử phát triển của khoa học viễn thám

Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập

kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận

từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên, viễn thám cólịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh

Từ thế kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa rabáo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh

Năm 1858 G.F Toumachon người Pháp đã sử dụng kinh khí cầu bay ở độcao 80 m để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi lànăm khai sinh của ngành khoa học viễn thám

Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầucủa công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự

Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủyếu cho mục đích quân sự Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ

radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại Các bứcảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar, đã được sử dụng rộng rãitrong quân sự.

Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu

xplorer-6 vào năm 1959 Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (19xplorer-60), cho ra cácsản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước70mm, được chụp từ một máy tự động Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TR0S-1),được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát

và dự báo khí tượng

Ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo Landsat 1 mangđến khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu về các hành tinh trong đó cóTrái Đất và môi trường xung quanh

Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất Landsat 1, là các vệ tinh thế hệ mớihơn như Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4 và Landsat 5 Ngay từ đầu, RTS-1mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảmRBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau

Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM

-4 và Landsat TM -5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt.Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khácnhau Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat -7 đã được phổ biến với giá rẻhơn các ảnh vệ tinh Landsat TM -5, cho phép người sử dụng ngày càng có điềukiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh

Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế

hệ SPOT 1, SPOT 2, SPOT 3, SPOT 4 và SPOT 5, đã đưa ra sản phẩm ảnh sốthuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT - XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy,một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m

Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS -1, phục vụ cho quan sát biển(Marine Observation Satellite)

Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của Ấn

Độ RS 1A, tạo ra các ảnh vệ tinh như LSS thuộc nhiều hệ khác nhau

Riêng ở Việt Nam kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng từ nhữngnăm 1976 tại Viện Quy hoạch rừng, mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triểncủa kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của

chương trình vũ trụ Quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô

-Việt tháng 7 năm 1980

Vào ngày 9/7/2009 Bộ TN&MT đã khánh thành trạm thu nhận ảnh viễnthám hiện đại đầu tiên của Việt Nam có địa điểm đặt tại cánh đồng Bun, thôn VânTrì, xã Minh Khai, Từ Liêm, Hà Nội

Tháng 4 năm 2008 Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinhVINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh lần đầu tiên

1.2.7 Các phương pháp xử lý ảnh viễn thám

Để xử lý ảnh viễn thám người ta sử dụng hai phương pháp là phươngpháp giải đoán ảnh bằng mắt thường và phương pháp xử lý số trên máy tính

Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt thường: Giải đoán ảnh bằng mắt

là sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễnthám dạng hình ảnh

Giải đoán bằng mắt (visual interpretaion) là công việc đầu tiên, phổ biếnnhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản đếnphức tạp Việc phân tích ảnh bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bịquang học: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, máy tổng hợp màu nhằmnâng cao khả năng phân tích của mắt người

Cơ sở để giải đoán bằng mắt là đưa vào các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặcgián tiếp và chìa khóa giải đoán Các yếu tố giải đoán (kích thước, hình dạng, bóng,tone, màu, cấu trúc, mẫu và tổ hợp mối quan hệ) cũng như thời gian chụp ảnh, mùa,kiểu phim, tỷ lệ ảnh sẽ được xem xét kỹ để thiết lập nên chìa khóa giải đoán

Tư liệu ảnh viễn thám dùng để đoán đọc điều vẽ ảnh bằng mắt tốt nhất làảnh tổ hợp màu, vì màu sắc là một chuẩn tương đối ổn định, hơn nữa nó có tínhtrực quan sinh động hơn ảnh đen trắng

Kết quả của giải đoán ảnh bằng mắt sẽ được chuyển thông tin lên bản đồnền theo các phương pháp là can vẽ, chiếu quang học, chuyển theo hệ thốnglưới, sử dụng máy đo vẽ ảnh

Phương pháp xử lý ảnh số: xử lý ảnh số là sự điều khiển và phân tích

các thông tin ảnh dạng số với sự trợ giúp của máy tính

Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong ký thuật viễn thám thường dưới dạng

số và được xử lý bởi máy tính để tạo ảnh đã được giải đoán ứng dụng vào nhiềulĩnh vực khác nhau Việc xử lý ảnh số trong viễn thám giữ vai trò quan trọng trongviệc tách thông tin hữu ích phục vụ rất nhiều chuyên ngành khác nhau

Quy trình xử lý ảnh số:

Nhập dữ liệu: Để xử lý ảnh số, trước hết ta phải tiến hành bước nhập tư

liệu gốc vào máy Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máychụp cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp

Trong trường hợp ảnh tương tự sẽ được chuyển về dạng số thông qua cácmáy quét Trường hợp tư liệu là ảnh số thì nó sẽ được chuyển từ các băng từ lưutrữ mật độ cao

Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được

hiệu chỉnh hệ thống, bức xạ hoặc hình học nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sửdụng được Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại cáctrung tâm thu số liệu vệ tinh

Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến đổi

tuyến tính là giai đoạn tiếp theo Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tínhtrong khuôn khổ một phòng thí nghiệm, hay phòng công tác nội nghiệp

Phân loại: Phân loại đa phổ với mục đích tách các thông tin cần thiết

phục vụ việc theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốtcủa việc khai thác tư liệu viễn thám

Xuất kết quả: Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả Kết

quả có thể dưới dạng phim ảnh, số hay các bản đồ đường nét Trong đó kết quảdạng số ngày càng được khai thác sử dụng nhiều vì nó là đầu vào rất tốt cho mộtcông nghệ mới là GIS - hệ thống thông tin địa lý Trên cơ sở ứng dụng hệ thốngthông tin địa lý nhiều chủng loại thông tin khác nhau cùng được đưa vào xử lýtạo ra một kết quả chính xác và phong phú hơn nhiều so với trường hợp chỉ sửdụng tư liệu viễn thám

1.3 Tổng quan về GIS

1.3.1 Định nghĩa

Hệ Thông tin địa lý - GIS (Geographical Information System) là một công

cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất.Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúchỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phântích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ Những khả năngnày phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm viứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoántác động và hoạch định chiến lược)

Hình 1.9: Ứng dụng của GIS

1.3.2 Chức năng của GIS

GIS có 4 chức năng cơ bản:

- Thu thập dữ liệu: dữ liệu sử dụng trong Gis đến từ nhiều nguồn khácnhau và Gis cung cấp thông tin để tích hợp dữ liệu thành 1 định dạng chung để

cho phép người sử dụng tương tác hiệu hữu với dữ liệu (Nguyễn Kim Lợi, Lê Cảnh Định, Trần Thống Nhất,2009).

1.4 Phần mềm giải đoán ảnh viễn thám ENVI (ENVIronment for Visualyzing Images)

1.4.1 Tổng quan về phần mềm ENVI

Phần mềm ENVI (The Environment for Visualyzing Images) là phầnmềm của hãng Research Systems Inc (Mỹ) chuyên về hiến thị ảnh có khả năngphân tích đa phổ cho hình ảnh quét của SPOT, TM, RADAR

Phần mềm ENVI là một phần mềm xử lý giải đoán ảnh viễn thám rấtmạnh, với các đặc điểm chính như sau:

+ Hiển thị, phân tích ảnh với nhiều kiểu dữ liệu và kích cỡ ảnh khác nhau,môi trường giao diện thân thiện

+ Cho phép làm việc với từng kênh phổ riêng lẻ hoặc toàn bộ ảnh Khimột file ảnh được mở, mỗi kênh phổ của ảnh đó có thể được thao tác với tất cảcác chức năng hiện có của hệ thống Với nhiều file ảnh được mở, ta có thể dễ dànglựa chọn các kênh từ các file ảnh để xử lý cùng nhau

+ ENVI có các công cụ chiết tách phổ, sử dụng thư viện phổ, và các chứcnăng chuyên cho phân tích ảnh phân giải phổ cao

+ Phần mềm ENVI được viết trên ngôn ngữ IDL (Interactive Data Language) Đây là ngôn ngữ lập trình cấu trúc, cung cấp khả năng tích hợp giữa

xử lý ảnh và khả năng hiển thị với giao diện đồ họa dễ sử dụng

ENVI có nhiều phiên bản như 3.2, 3.5, 3.6, 4.0, 4.2, 4.3, 4.5, 4.7, 5.0 Mỗiphiên bản được cải tiến và nâng cấp cho một hoặc một số modul.Dễ dàng mởrộng và tùy biến các ứng dụng Ngoài ra, người dùng có thể sử dụng ENVI trêncác môi trường khác nhau như: Windows, Macintosh, Linux hay Unix

Sản phẩm ảnh sau khi xử lý có thể xuất ra nhiều phần mềm biên tập bản đồ khácnhau như: Arcgis, Mapinfo, Autocad, Microstation…

1.4.2 Các chức năng cơ bản của phần mềm ENVI

ENVI được phát triển bởi các chuyên gia hàng đầu về hiển thị và xử lý ảnh Đồng thời, ENVI cũng được xây dựng trên nền tảng mở nên cho phépngười dùng trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác

ENVI 4.5 có 12 modul với các chức năng cơ bản của từng modul như sau:

Hình 1.10: thanh công cụ của phần mềm ENVI 4.5 + Menu File

File menu có chức năng cơ bản sau :

- Mở ảnh, xem thông tin về ảnh

- Xuất, nhập ảnh các định dạng khác nhau

- Tạo ảnh kiểm tra, xem cấu trúc dữ liệu ảnh

- Chọn lựa các thay đổi và thoát khỏi chương trình

+ Menu Basic Tools

Menu này có các chức năng cơ bản như sau:

- Thực hiện một số thay đổi về hình học của ảnh như độ phân giải, xoayảnh, cách ghi nhận dữ liệu…

- Thực hiện các phép tính thống kê trên ảnh

- Thực hiện cắt ghép ảnh

- Thực hiện các phép toán kiểm định cơ bản của phổ.

- Đo khoảng cách, diện tích, tăng cường khả năng xử lý ảnh

- Thống kê, phát hiện thay đổi của các lớp

+ Menu Classification

Menu này có chức năng như sau :

- Thực hiện các thuật toán phân loại ảnh cơ bản như :

- Phân loại ảnh có kiểm định

- Phân loại ảnh phi kiểm định

- Phân loại ảnh thông qua thiết lập cây

- Xử lý ảnh sau phân loại

+ Menu Tranform

Menu này có chức năng như sau:

- Tăng cường độ phân giải của ảnh (image shrapening);

- Thực hiện một số thuật toán với phổ

- Tạo tỷ số ảnh

- Phân tích thành phần chính

+ Menu Filter

Menu này cho phép thực hiên :

- Lọc theo cấu trúc của ảnh

- Một số các phép lọc đối với ảnh RADAR để làm giảm nhiễu của ảnh

+ Menu Spectral

Menu này cung cấp một số các công cụ đặc biệt cho phép phân tích ảnh

đa phổ và siêu phổ

Menu có chức năng như sau

- Xây dựng và hiển thị các thư viện phổ

- Thực hiện các phép toán về phổ

- Xác định các enmember

- Xem ảnh trong trường đa chiều

- Phân tích ảnh

+ Menu Map Menu này cho phép thực hiện:

- Đưa ảnh về hệ quy chiếu xác định

Menu này cho phép :

- Tạo và quản lý các tệp tin vector

- Chuyển tệp tin ảnh thành vector

- Chuyển các tệp tin vector thành định dạng DXF

+ Menu topographic

Menu này cho phép

- Mở, phân tích và đưa ra các kết quả phân tích từ các tệp tin mô hình sốđịa hình

- Từ tệp tin mô hình số địa hình đưa ra các kết quả phân tích như hướngcủa địa hình, độ dốc, độ cong của địa hình…

- Sử dụng các thuộc tính của địa hình để đưa ra các kết quả phân tích nhưkênh, đường phân thủy, tụ thủy đỉnh…

+ Menu Radar

Menu này cho phép thực hiện :

- Xử lý các ảnh RADAR phổ biến như ERS-1, JERS-1, RADARSAT,SIR-C, X-SAR, ASAR

- Nó cũng cung cấp các công cụ cho phép điều chỉnh sự hiển thị, phân tíchảnh và xử lý hình học ảnh…

+ Menu Window

- Menu cửa sổ cho phép tạo thêm các cửa sổ hiển thị cũng như truy cậpvào một số các thao tác trong cửa sổ như thông tin hiển thị trong của sổ, vị trícủa trỏ chuột…

- Menu trợ giúp cho phép hiển thị các thông tin trợ giúp sử dụng các công

cụ cũng như thể hiện một số thông tin về phần mềm

+ Menu help

Menu này có chức năng cơ bản như sau:

- Trợ giúp

- Xem thông tin về ENVI

- Lựa chọn mô tả chuột

1.5 Phần mềm ArcGIS

ArcGIS: Là hệ thống GIS hàng đầu hiện nay, cung cấp một giải pháp

toàn diện từ thu thập / nhập số liệu, chỉnh lý, phân tích và phân phối thông tintrên mạng Internet tới các cấp độ khác nhau như CSDL địa lý cá nhân hayCSDL của các doanh nghiệp Về mặt công nghệ, hiện nay các chuyên gia GIScoi công nghệ ESRI là một giải pháp mang tính chất mở, tổng thể và hoàn chỉnh,

có khả năng khai thác hết các chức năng của GIS trên các ứng dụng khác nhaunhư: desktop (ArcGIS Desktop), máy chủ (ArcGIS Server), các ứng dụng Web(ArcIMS, ArcGIS Online), hoặc hệ thống thiết bị di động (ArcPAD) và có khảnăng tương tích cao đối với nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau

ArcGIS Desktop (với phiên bản mới nhất là ArcGIS 10) bao gồm nhữngcông cụ rất mạnh để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin và xuất bản tạo nênmột hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh, cho phép:

 Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian tích hợp với dữliệu thuộc tính) - cho phép sử dụng nhiều loại định dạng dữ liệu khác nhau thậmchí cả những dữ liệu lấy từ Internet;

 Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn vàbằng nhiều cách khác nhau;

 Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệuthuộc tính;

 Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lượng trình bàychuyên nghiệp

ArcGIS Destop là một bộ phần mềm ứng dụng gồm: ArcMap,ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe Khi sử dụngcác ứng dụng này đồng thời, người sử dụng có thể thực hiện được các bài toán

ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành lập bản đồ,phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập dữ liệu, quản lý dữ liệu, hiển thị và xử lý

dữ liệu Phần mềm ArcGIS Desktop được cung cấp cho người dùng ở 1 trong 3cấp bậc với mức độ chuyên sâu khác nhau là ArcView, ArcEditor, ArcInfo:

ArcView: Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xâydựng và phân tích dữ liệu địa lý, các công cụ phân tích không gian cùng với việcbiên tập và phân tích thông tin từ các lớp bản đồ khác nhau đồng thời thể hiệncác mối quan hệ và nhận dạng các mô hình Với ArcView, cho phép:

 Ra các quyết định chuẩn xác hơn dựa trên các dữ liệu địa lý;

 Xem và phân tích các dữ liệu không gian bằng nhiều phương pháp;

 Xây dựng đơn giản và dễ dàng các dữ liệu địa lý;

 Tạo ra các bản đồ có chất lượng cao;

 Quản lý tất cả các file, CSDL và các nguồn dữ liệu;

 Tùy biến giao diện người dùng theo yêu cầu

ArcEditor: Là bộ sản phẩm có nhiều chức năng hơn, dùng để chỉnh sửa

và quản lý dữ liệu địa lý ArcEditor bao gồm các tính năng của ArcView vàthêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa, biên tập Với ArcEditor, cho phép:

 Dùng các công cụ CAD để tạo và chỉnh sửa các đặc tính GIS;

 Tạo ra các CSDL địa lý thông minh;

 Tạo quy trình công việc một cách chuyên nghiệp cho 1 nhóm và chophép nhiều người biên tập;

 Xây dựng và giữ được tính toàn vẹn của không gian bao gồm các quan

hệ hình học topo giữa các đặc tính địa lý;

 Quản lý và mở rộng mạng lưới hình học;

 Làm tăng năng suất biên tập;

 Quản lý môi trường thiết kế đa người dùng với versioning;

 Duy trì tính toàn vẹn giữa các lớp chủ đề và thúc đẩy tư duy logic củangười dùng;

 Cho phép chỉnh sửa dữ liệu độc lập (khi tạm ngừng kết nối với CSDL)

ArcInfo: Là bộ sản phẩm ArcGIS đầy đủ nhất ArcInfo bao gồm tất cảcác chức năng của ArcView lẫn ArcEditor Cung cấp các chức năng tạo và quản

lý một hệ GIS, xử lý dữ liệu không gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu, xâydựng dữ liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy tính vàxuất bản bản đồ ra các phương tiện khác nhau Với ArcInfo, cho phép:

 Xây dựng một mô hình xử lý không gian rất hữu dụng cho việc tìm racác mối quan hệ, phân tích dữ liệu và tích hợp dữ liệu;

 Thực hiện chồng lớp các lớp vector, nội suy và phân tích thống kê;

 Tạo ra các đặc tính cho sự kiện và chồng xếp các đặc tính của các sựkiện đó;

 Chuyển đổi dữ liệu và các định dạng của dữ liệu theo rất nhiều loại địnhdạng;

 Xây dựng những bộ dữ liệu phức tạp, các mô hình phân tích và các đoạn

mã để tự động hóa các quá trình GIS;

 Sử dụng các phương pháp trình diễn, thiết kế, in ấn và quản lý bản đồ đểxuất bản bản đồ

1.6 Giới thiệu vệ tinh Landsat 8

Vệ tinh thế hệ thứ 8 - Landsat 8 đã được Mỹ phóng thành công lên quỹđạo vào ngày 07/02/2013 với tên gọi gốc Landsat Data Continuity Mission(LDCM) Đây là dự án hợp tác giữa NASA và cơ quan Đo đạc Địa chất Mỹ.Landsat sẽ tiếp tục cung cấp các ảnh có độ phân giải trung bình (từ 15 - 100mét), phủ kín ở các vùng cực cũng như những vùng địa hình khác nhau trên tráiđất Nhiệm vụ của Landsat 8 là cung cấp những thông tin quan trọng trong nhiềulĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, giám sát tài nguyênmôi trường, quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực nông nghiệp

Hình 1.11 Vệ tinh LDCM (Landsat 8)

Landsat 8 (LDCM) mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - ThermalInfrared Sensor) Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tincậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước Landsat 8 thu nhận ảnh vớitổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài xem chitiết ở Bảng 1 Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt Trái Đất theo mùa ở độphân giải không gian 30 mét (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, và hồng ngoạisóng ngắn); 100 mét ở kênh nhiệt và 15 mét đối với kênh toàn sắc Dải quét củaLDCM giới hạn trong khoảng 185 km x 180 km Độ cao vệ tinh đạt 705 km so với

-bề mặt trái đất Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, Kênh 1 dùng để quan trắcbiến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh 9 dùng để phát hiện các mật độdày, mỏng của đám mây ti (có ý nghĩa đối với khí tượng học), trong khi đó bộ cảmTIRS sẽ thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt sóng dài (kênh 10 và 11)dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, nhiệt độ bề mặt Bộ cảm OLI và TIRS đã đượcthiết kế cải tiến để giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), cho phép lượng tử hóa

dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh tăng lên so với phiên bản trước

Bảng 1.1 : Đặc trưng Bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8

(LDCM) [3]

(micrometers)

Độ phân giải (meters)

Loại sản phẩm: đã được xử lý ở mức 1T nghĩa là đã cải chính biến dạng

do chênh cao địa hình (mức trực ảnh Orthophoto);

Định hướng: theo Bắc của bản đồ;

Phương pháp lấy mẫu: hàm bậc 3;

Độ chính xác: với bộ cảm OLI đạt sai số 12m theo tiêu chuẩn CE, có

độ tin cậy 90%; với bộ cảm TIRS đạt sai số 41m theo tiêu chuẩn CE, có độtin cậy 90%;

Dữ liệu ảnh: có giá trị 16 bit pixel, khi tải về ở dạng file nén có địnhdạng là tar.gz Kích thước file nếu ở dạng nén khoảng 1GB, còn ở dạng khôngnén khoảng 2GB

Landsat 8 thu nhận xấp xỉ 400 cảnh/ngày, tăng 250 cảnh/ngày so vớiLandsat 7 Thời gian hoạt động của vệ tinh theo thiết kế là 5,25 năm nhưng nóđược cung cấp đủ năng lượng để có thể kéo dài hoạt động đến 10 năm So vớiLandsat 7, Landsat 8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳlặp lại 16 ngày

Hiện nay, ảnh vệ tinh Landsat 8 hoàn toàn có thể khai thác miễn phí từmạng Internet qua địa chỉ http://earthexplorer.usgs.gov/ Ví dụ khi tải một cảnh

có phiên hiệu hàng cột là 127-046 về, sẽ nhận được file nén có tên là

“LC81270462013352LGN00.tar.gz” với dung lượng khoảng 960MB và giải nén

sẽ sinh ra 13 file, trong đó 11 file có đuôi được đánh số từ B1 đến B11 tươngứng với 11 kênh phổ của ảnh Landsat 8, kèm theo 01 file báo cáo đánh giá chấtlượng có đuôi tên là BQA và 01 file siêu dữ liệu dạng txt chứa các thông tin vềthời gian chụp ảnh và tọa độ các góc của cảnh ảnh

Hình 1.12 Dữ liệu giải nén của cảnh ảnh 127-046 Landsat 8

 Tiềm năng sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:250.000 và nhỏ hơn.

Qui trình công nghệ sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong công tác hiệnchỉnh bản đồ địa hình, được trình bày ở hình 1.13 dưới đây:

Hình 1.13 Qui trình công nghệ Hiện chỉnh bản đồ bằng ảnh vệ tinh Landsat 8

 Tổ hợp màu

Để thuận tiện cho người dùng trong công tác lựa chọn các phương pháp

tổ hợp màu đối với ảnh vệ tinh Landsat 8, chúng tôi đưa ra Bảng tham chiếuchuyển đổi hệ màu giữa ảnh Landsat 5, 7 và Landsat 8 như sau:

Bảng 1.2: Bảng Tham chiếu chuyển đổi hệ tổ hợp màu giữa ảnh Landsat 7 và 8

Landsat 5 Landsat 8

Color Infrared: Màu hồng ngoại (thực

Natural Color: Màu tự nhiên 3, 2, 1 4,3,2

False Color: Giả màu phân tích thực vật 5,4,3 6,5,4

False Color: Giả màu (đô thị) 7,5,3 7,6,4

False Color: Giả màu (màu tự nhiên với

Tùy thuộc vào đối tượng cần quan tâm, khi sử dụng ảnh Landsat 8 có thểdựa vào Bảng chỉ dẫn các phương pháp tổ hợp màu sau để lựa chọn ra phươngpháp phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả công tác giải đoán ảnh:

Bảng 1.3: Bảng chỉ dẫn Tổ hợp màu cho ảnh vệ tinh Landsat 8

pháp tổ

hợp màu

phổ R-G-B

1 Màu tự

Tạo ra ảnh có màu sắc tựnhiên khá gần gũi với cảm nhậncủa mắt người Với tổ hợp này

có thể nhận biết ở mức kháiquát hệ thống thuỷ văn có qui

mô lớn, các tuyến giao thôngquốc lộ, tỉnh lộ, các điểm dân

cư đô thị Tuy nhiên khi giảiđoán chi tiết các đối tượng như

ao hồ, kênh mương nhỏ, cáctrục đường giao thông nhánh,các yếu tố thực phủ thì rất khóphân biệt và dễ nhầm lẫn.Phương pháp tổ hợp này chủyếu được sử dụng in ấn hoặctạo lớp nền ảnh tự nhiên khixây dựng CSDL bản đồ chuyênđề

2 Màu giả

(Đô thị) 7 6 4

Làm nổi bật các khu vực đô thị,khu đông dân cư với tông màuvàng sẫm hoặc có gam màu ánhhồng Các yếu tố thủy văn nhậnbiết rất rõ với màu đen hoặcmàu xanh nước biển (blue)

đỏ nhạt (gạch non) đến đỏ sẫm(đỏ gạch cua) Với màu đỏ sẫmđăc trưng cho vùng thực vật có

lá già, còn màu đỏ tươi là vùngthực vật có lá non

4 Nông

nghiệp 6 5 2

Dùng để nhận biết các vùng đấtcanh tác nông nghiệp Đấttrống, đất trồng màu, đất trồnglúa có tông màu nâu Khu vực

đô thị có màu ánh tím Thực vật

có màu xanh lá cây Thủy văn

có màu đen và màu xanh nướcbiển

tổ hợp màu này, các yếu tố thủyvăn có màu đen và thể hiện rất

rõ trên ảnh

6 Sức khỏe

thực vật 5 6 2

Dùng để nhận biết tình trạngsức khỏe của thực vật bằng dảitông màu vàng nhạt đến vàngnâu sẫm

7 Đất/Nước 5 6 4

Tổ hợp này khá gần gũi với tổhợp (5 6 2) dùng để phân biệt rõgiữa yếu tố đất và nước bằngmàu vàng nâu và màu xanh nướcbiển

tổ hợp (6 5 4) Với tổ hợp (7 53) màu của yếu tố thực vật cómàu xanh lá cây, còn tổ hợp (6

5 4) thực vật sẽ có màu xanhngả vàng

10 Phân tích

thực vật

6 5 4 Phương pháp này cho kết quả

màu sắc đẹp, rõ nét làm nổi bậtđược 2 nhóm lớp thuỷ hệ vàthực vật; có thể nhận biết chínhxác yếu tố mặt nước bằng màuxanh nước biển hoặc đen; phânbiệt rõ được ranh giới các vùngrừng già, rừng non mới trồng,vùng đất trồng lúa, trồng màubằng màu xanh lá cây đậm vànhạt; các vùng đất trống haykhu đô thị có màu hồng và màu