XÂY DỰNG BẢN ĐỒ LỚP PHỦ HUYỆN YÊN LẬP TỈNH PHÚ THỌ TỪ ẢNH VIỄN THÁM LANDSAT8

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu của đề tài 2 3. Nội dung nghiên cứu 3 4. Phương pháp nghiên cứu 3 5. Cơ sở dữ liệu 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 1.1.Tổng quan về viễn thám 1 1.1.1. Giới thiệu chung 1 1.1.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám. 2 1.1.3. Phân loại viễn thám 8 1.1.4. Tư liệu viễn thám 10 1.2 Hệ thống thông tin địa lý 14 1.2.1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin địa lý 14 1.2.2. Một số thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 15 1.2.3. Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 19 1.3 Ứng dụng của viễn thám và GIS 22 1.4 Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ Land cover) 22 CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS 25 2.Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bằng phương pháp kết hợp viễn thám và GIS 25 2.1. Tư liệusửdụng 26 2.2. Tiềnxửlý ảnh 29 2.3. Tăng cường chất lượng ảnh 32 2.4. Phân loại và đánh giá ảnh 34 2.4.1. Phân loại 34 2.4.2. Đánh giá kết quả sau phân loại 37 2.5. Biên tập và trình bày 37 CHƯƠNG 3: KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN 38 3.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu 38 3.1.1. Điều kiện tự nhiên 38 3.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội: 40 3.2. Phần mềm sử dụng 41 3.3. Kết quả nghiên cứu 43 3.3.1. Ứng dụng phần mềm ENVI phân loại ảnh 43 3.3.2. Ứng dụng phần mềm Arcgis thành lập bản đồ lớp phủ hoàn chỉnh. 52 3.4. Kết quả và thảo luận 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

NGUYỄN XUÂN TÙNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XÂY DỰNG BẢN ĐỒ LỚP PHỦ HUYỆN YÊN LẬP TỈNH PHÚ THỌ TỪ ẢNH VIỄN THÁM LANDSAT8

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS TRỊNH THỊ HOÀI THU

HÀ NỘI, 2016

Đồ án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiệntrên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức đã được chọn lọc Các tài liệu tham khảohoàn toàn là tài liệu chính thống đã được công bố Đồ án được dựa trên sự hướngdẫn của Th.S Trịnh Thị Hoài Thu – Giảng viên Khoa Trắc Địa – Bản Đồ– TrườngĐại Học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội.

Tôi xin cam đoan đồ án này chưa được công bố ở bất kỳ tài liệu nào

Một lần nữa tôi xin khẳng định sự trung thực của lời cam đoan trên và xin chịuhoàn toàn trách nhiệm về kết quả công bố trong đồ án này

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Xuân Tùng

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Cơ sở dữ liệu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1.Tổng quan về viễn thám 1

1.1.1.Giới thiệu chung 1

1.1.2.Nguyên lý cơ bản của viễn thám 2

1.1.3.Phân loại viễn thám 8

1.1.4.Tư liệu viễn thám 10

1.2 Hệ thống thông tin địa lý 14

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin địa lý 14

1.2.2 Một số thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 15

1.2.3 Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 19

1.3 Ứng dụng của viễn thám và GIS 22

1.4 Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover) 22

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ LỚP PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS 25

2.Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bằng phương pháp kết hợp viễn thám và GIS 25

2.1 Tư liệusửdụng 26

2.3 Tăng cường chất lượng ảnh 32

2.4 Phân loại và đánh giá ảnh 34

2.4.1 Phân loại 34

2.4.2 Đánh giá kết quả sau phân loại 37

2.5 Biên tập và trình bày 37

CHƯƠNG 3: KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN 38

3.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 38

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 38

3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội: 40

3.2 Phần mềm sử dụng 41

3.3 Kết quả nghiên cứu 43

3.3.1 Ứng dụng phần mềm ENVI phân loại ảnh 43

3.3.2 Ứng dụng phần mềm Arcgis thành lập bản đồ lớp phủ hoàn chỉnh 52

3.4 Kết quả và thảo luận 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Y

Bảng 1.1 Độ phủ trùm của một số loại vệ tinh viễn thám quang học 14Bảng 1.2 Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất để sử dụng với dữ liệu viễn thám 23Bảng 2.1 Thông tin các kênh ảnh của Landsat 27Bảng 2.2 Các thế hệ vệ tinh LANDSAT 29Bảng 3.1 Hình ảnh mẫu phân loại 47Bảng 3.2 Thống kê diện tích lớp phủ khu vực huyện Yên Lập – Phú Thọ năm 2015 55

Hình 1.1 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 5

Hình 1.2 : Khả năng phản xạ phổ và hấp thu của nước 6

Hình 1.3 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 7

Hình 1.4 Viễn thám chủ động và viễn thám bị động 8

Hình 1.5 Vệ tinh địa tĩnh(trái) và Vệ tịnh quỹ đạo gần cực (phải) 9

Hình 1.6 Các khuôn dạng dữ liệu trong viễn thám 10

Hình 1.7 So sánh sự khác biệt giữa các độ phân giải không gian 11

Hình 1.8 So sánh sự khác nhau giữa các độ phân giải bức xạ (2bit và 8bit) 12

Hình 1.9 Mô hình trộn màu cơ bản 12

Hình 1.10 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS 15

Hình 1.11 Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS 15

Hình 3.1 Bản đồ địa giới hành chính huyện Yên Lập tỉnh Phú Thọ 39

Hình 3.2 Ảnh vệ tinh Landsat 8 43

Hình 3.3 Ảnh Cắthuyện Yên Lập – Phú Thọ năm 2015 44

Hình 3.4 Ảnh Landsat tổ hợp màu giả RGB 7-6-4 45

Hình 3.5 Kết quả chọn vùng mẫu 48

Hình 3.6 Bảng đánh giá độ chính xác giữa các mẫu 49

Hình 3.7 Kết quả phân loại 50

Hình 3.8 Ảnh sau khi thay đổi màu 51

Hình 3.9 Hình ảnh xử lý sau khi lọc nhiễu 51

Hình 3.10 Ma Trận Đánh Giá Độ Chính Xác Phân Loại 52

Hình 3.11 Làm hiện màu các thuộc tính phân loại 53

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là quốc gia có nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, trên 39triệu ha đất tự nhiên trong đó diện tích đất sử dụng vào các mục đích kinh tế - xãhội, là môi trường sống của con người và sinh vật Nằm trong vùng nhiệt đới ẩmnên Việt Nam có nguồn nước mặt phong phú, mạng lưới sông ngòi dầy đặc, hệđộng thực vật đa dạng nhiều loại động/thực vật quý hiếm được ghi vào danh sáchbảo tồn Đặc điểm địa hình Việt Nam có hơn ¾ diện tích là đồi núi và rừng che phủhơn 30%, rừng Việt Nam là kho tài nguyên quý báu, là bộ phận quan trọng của môitrường sinh thái

Là một nước đang trong kì hội nhập và phát triển, quá trình đô thị hóa đangdiễn ra mạnh mẽ ở Việt Nam Những năm gần đây, dân số Việt Nam tăng một cáchnhanh chóng, đồng thời sự phát triển kinh tế góp phần đẩy mạnh lĩnh vực kinh tế -

xã hội, an ninh quốc phòng Các yếu tố trên (bao gồm yếu tố tự nhiên và nhân tạo)

đã tạo nên bề mặt lớp phủ da dạng, phong phú ở Việt Nam

Theo thời gian lớp phủ mặt đất biến động không ngừng cùng với sự phát triểncủa xã hội Đây là nguồn tài nguyên đặc biệt có thể khai thác sử dụng nhưng khôngthể tăng thêm về mặt số lượng Do đó việc theo dõi, nghiên cứu, quản lý và sử dụngcác loại tài nguyên này một cách hiệu quả và hợp lý là một vấn đề quan trọng.Ngày nay khoa học công nghệ và sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuậtgiúp con người quản lý tốt hơn các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong đó có kỹthuật viễn thám Công nghệ viễn thám đang được sử dụng để theo dõi và đánh giánhững biến đổi của bề mặt trái đất, quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môitrường Nhờ dữ liệu ảnh viễn thám chúng ta có thể xây dựng thành lập bàn đồ lớpphủ mặt đất từ đó tiến hành giải đoán, phân tích, đánh giá biến động của lớp phủtheo thời gian và không gian

Bản đồ lớp phủ mặt đất là sự biểu thị khái quát, thu nhỏ tất cả các thành phầnvật chất tự nhiên và nhân tạo bao phủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thựcvật (mọc tự nhiên hoặc được trồng), các công trình kinh tế - xã hội được xây dựngcủa con người, thổ nhưỡng, nước, dải đất cát…trên mặt phẳng trong một phép chiếuxác định

Bản đồ lớp phủ là một trong những nguồn tài liệu quan trọng giúp các nhàhoạch định, quy hoạch có cái nhìn tổng quan về hiện trạng lớp phủ qua từng thời kì.

Do tính chất thay đổi của bề mặt lớp phủ trong quá trình phát triển kinh tế xã hội và

đô thị hóa của từng địa phương nên việc xây dựng bản đồ lớp phủ là một việc làmcần thiết Trước yêu cầu đòi hỏi phải cập nhật thông tin một cách đầy đủ, nhanhchóng và chính xác nhất nên việc áp dụng phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ sửdụng tư liệu ảnh viễn thám kết hợp với các công cụ phần mềm xử lý ảnh cũng nhưcác phần mềm thành lập bản đồ trở thành phương pháp thành lập bản đồ có ý nghĩathực tiễn và mang tính khoa học cao Ứng dụng công nghệ viễn thám với nhiều loạiảnh vệ tinh khác nhau đã tạo một bước tiến mới trong qua trình thành lập bản đồ.Bản đồ lớp phủ là bản đồ xác định các đơn vị phân bố trong không gian, đượcsắp xếp theo một hệ thống nhất định Thành lập bản đồ lớp theo phương pháp thủcông sẽ gặp nhiều khó khăn, do không có đủ điều kiện để tiến hành lấy mẫu phântích đều khắp vùng

Ảnh vệ tinh với hàm lượng thông tin lớn đang là nguồn dữ liệu phong phú vàtrực quan giúp cho các nghiên cứu về bề mặt và các quá trình tự nhiên trên mặt đấtmột cách hiệu quả

Hiện nay việc áp dụng phương pháp xây dựng thành lập bản đồ lớp phủ bằngcông nghệ viễn thám( sử dụng ảnh vệ tinh) là một phương pháp hiện đại, có nhiều

ưu thế vượt trội so với các phương pháp truyền thống như tiết kiệm kinh phí, thờigian, sức lao động và đem lại hiệu quả cao Nó trở thành một nhu cầu thiết yếutrong công tác nghiên cứu khoa học, đặc biệt là nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên

và địa lý Trong đó, các loại tài nguyên đất, nước và các vấn đề môi trường là mộttrong những hướng được quan tâm nhiều Việc xây dựng bản đồ lớp phủ sẽ là cơ sởcho công tác quy hoạch tổng thể kinh tế xã hội của các địa phương đặc biệt Tuynhiên việc ứng dụng kiến thức đã học của sinh viên ra thực tế còn rất hạn chế

Vì vậy việc nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ khu vực huyện Yên Lập tỉnhPhú Thọ bằng kỹ thuật phân loại giám sát có tính ứng dụng thực tiễn cao

2 Mục tiêu của đề tài

- Thànhlập bản đồ lớp phủ huyệnYênLậptỉnh Phú Thọ

- Khảo sát khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh Landsat 8 trong thành lập bản

đồ lớp phủ

- Ứng dụng viễn thám và GIS trong việc thành lập bản đồ lớp phủ.

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về thực phủ, viễn thám và GIS

- Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh, các số liệu thống kê từ đó tiến hành giải đoán thành lập bản đồ lớp phủ

- Rút ra các kết luận về kết quả đạt được và đánh giá phương pháp thực hiện

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu: Thu thập, tổng hợp các thông tin

và tài liệu có liên quan Xử lý logic các tài liệu để định hướng giải quyết các vấn đềđặt ra

- Phương pháp kế thừa: Tiếp thu và vận dụng các kết quả đã có về cơ sở dữ

liệu nền địa lý và các kĩ thuật phân tích

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thử nghiệm lấy các số liệu thực tế làm

sáng tỏ cơ sở lý thuyết đặt ra

5 Cơ sở dữ liệu

-Phần mềm ENVI

-Ảnh vệ tinh Landsat8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về viễn thám

1.1.1 Giới thiệu chung

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 tượngthông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện Nhữngphương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiệntượng được nghiên cứu

Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu

đơn giản: Viễn thámlà thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà

không có sự tiếp xúc trực tiếp với đốitượng hoặc hiện tượng đó.

Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có

nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các

đối tượng, hiện tượng trêntrái đất"

Dưới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khácnhau

* Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vậttrên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976)

* Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từmột khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó Năng lượng được đo trongcác hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (D A.Land Grete, 1978)

* Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể,một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiệnkhông tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát ".( Lillesand và Kiefer,1986)

Viễn thám là khoa học nghiên cứu phương pháp thu thập, đo lường và phântích thông tin của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng

Hầu hết các đối tượng tự nhiên đều hấp thụ, phản xạ hay bức xạ sóng điện từ

vớ cường độ và theo những cách khác nhau Các đặc trưng này thường được gọi làđặc trưng phổ Thông tin thu được trong viễn thám có liên quan trực tiếp đến nănglượng phản xạ từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của cácđối tượng tự nhiên trên các bước sóng khác nhau đóng vai trò quan trọng trong việckhai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu được

Viễn thám là một mônkhoa 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 từcác vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên viễn thám có lịch sửphát triển lâu đời, bắt đầu từ việc chụp ảnh sử dụng phim ảnh, giấy ảnh

Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ

sự tiến bộ ngành chụp ảnh hàng không Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914-1918)đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đíchquân sự Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều người hoạt động trongviệc làm ảnh và đo ảnh Đó chính là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới đó là

đo đạc ảnh (photogrametry) Đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chínhxác các đối tượng từ tư liệu ảnh chụp Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bịchính xác cao, đáp ứng cho việc phân tích ảnh Vì vậy, sự ra đời của viễn thám gắn liềnvới công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ nghiên cứu Trái Đất và các hành tinh, khíquyển

Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng phần mềm viễn thámđược đẩy mạnh do đáp ứng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng ảnhradar

Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩmphần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số, dạngradar.Thời đại bùng nổ internet, công nghệ thông tin với kỹ thuật xử lý ảnh số, kếthợp vớ Hệ thống thông tin Địa Lý (GIS), cho khả năng nghiên cứu Trái Đất bằngviễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao

1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám.

Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của cácđối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau Kết quả của việc giải

đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữađặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên Nhữngthông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhàchuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượngnghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất củađối tượng.

Các phần mềm xử lý ảnh số được phát triển nhằm cho ra thông tin về phổ bức

xạ của vật thể hoặc các hiện tượng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh, xử lý ảnh

số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ và tách lọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số Dựa vàocác thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra

a Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.

Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhư điều kiện chiếu sang, môi trường, khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bảnthân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, cấu trúc bề mặt, …) Như vậy, cácđối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau Phương pháp viễnthám dựa chủ yếu trên nguyên lý này để nhận biết, phát hiện các đối tượng, hiệntượng trong tự nhiên Các thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của đối tự nhiên sẽgiúp các nhà chuyên môn lựa chọn được kênh phổ tối ưu chứa nhiều thông tin vềđối tượng nghiên cứu Đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất củađối tượng, tiến tới phân loại chúng

Năng lượng mặt trời (Eo) chiếu xuống mặt đất dưới dạng sóng điện từ, khinăng lượng này tác động lên bề mặt một đối tượng nào đó thì một phần bị phản xạtrở lại (Epx), một phần bị đối tượng hấp thụ và chuyển thành dạng năng lượng khác(Eht), phần còn lại bị truyền qua hay còn gọi là hiện tượng thấu quang năng lượng(Etq) Có thể mô tả quá trình trên theo công thức [ 1]

Eo = Epx + Eht + Etq (1.1)Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thểphản xạ toàn phần, phản xạ một phần hoặc tán xạ toàn phần Vì vậy cần phải lưu ýkhi giải đoán ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, nhất là khi xử lý ảnh cần phải có các thôngtin về các khu vực đang khảo sát và phải biết rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị sửdụng, điều kiện chụp ảnh vì các yếu tố này có vai trò nhất định trong việc giải đoán

hoặc xử lý ảnh Đồng thời, năng lượng ảnh của đối tượng được ghi nhận bằng nănglượng phản xạ phổ của các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau.

Chú ý: Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ vào bước sóng,người ta đưa ra khái niệm về khả năng phản xạ phổ Khả năng phản xạ phổ r(A) củabước sóng A được định nghĩa bằng công thức:

r(A) = [Epx(A)/Eo(A)].100% (1.2)Các đối tượng nghiên cứu trên mặt đất rất đa dạng và phức tạp nhưng suy chocùng nó được cấu thành bởi ba loại đối tượng cơ bản, đó là: thổ nhưỡng, thực vật vànước

từ thực vật (Epx) bao gồm:

Epx = E1 + Eg + Eir (1.3)Trong đó thành phần năng lượng (Eg + Eir) chứa đựng những thông tin cầnthiết về bản chất và trạng thái của thực vật, còn phần năng lượng E1 chỉ có tác dụngtạo ra độ chói của đối tượng Sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ của thực vậtđược xác định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài lá cây (chất diệp lục, cấu tạo

mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái cây,…) thời kỳ sinh trưởng (tuổicây, giai đoạn sinh trưởng,…) và các tác động ngoại cảnh (điều kiện chiếu sáng,thời tiết, vị trí địa lý,…) Tuy vậy, đặc trưng phản xạ phổ của lớp thực vật vẫn mangnhững đặc điểm chung, phản xạ mạnh ở vùng sóng hồng ngoại gần với bước sóng >720nm, hấp thụ mạnh ở vùng sóng đỏ bằng 680/720nm)

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản

xạ phổ của nó, đặc biệt là chất diệp lục trong lá cây, ngoài ra còn có một số sắc tốkhác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật [1]

Hình 1.1 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật

Theo đồ thị ta thấy sắc tố hấp của lá cây thuộc bức xạ vùng sóng ánh sángnhìn thấy và vùng cận hồng ngoại Cũng từ đồ thị trên, ta thấy khả năng phản xạphổ của lá cây xanh ở vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp Hay vùng suygiảm khả năng phản xạ phổ này tương ứng với hai dải sóng bị chất diệp lục hấp thụ

Ở hai dải sóng này, chất diệp lục hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậynăng lượng phản xạ của lá cây ko lớn Vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất là vùng ánhsáng lục tương ứng với bước sóng 540nm Do đó, lá cây tươi được mắt ta cảm nhận

có màu lục Khi lá úa hoặc cây bị bệnh - lá cây màu vàng hàm lượng diệp lục trong

lá giảm đi do đó khả năng phản xạ phổ cũng bị thay đổi

Như vậy, có thể thấy 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, vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năngphản xạ phổ khác biệt rõ rệt

-Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi chất diệp lục

có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại bị phản xạ

-Ở vùng cận hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ, ởđây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt

-Ở vùng hồng ngoại, cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của

lá là hàm lượng nước Khi độ ẩm trong lá cao, năng lượng hấp thụ là cực đại, ảnhhưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổkhông lớn bằng hàm lượng nước trong lá

Phần lớn năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới đều bị nước hấp thụ cho quátrình tăng nhiệt độ nước Phần năng lượng phản xạ trên bề mặt kết hợp với phầnnăng lượng sinh ra sau quá trình tán xạ với các hạt vật chất lơ lửng trong nước phản

xạ lại, tạo thành năng lượng phản xạ của nước Vì vậy, năng lượng phản xạ của cácloại nước là thấp và giảm dần theo chiều tăng của bước sóng Bức xạ mặt trời hầunhư bị nước hấp thụ hoàn toàn ở vùng hồng ngoại và cần hồng ngoại Nước đụcphản xạ mạnh hơn nước trong, đặc biệt ở vùng sóng đỏ [1]

Hình 1.2 : Khả năng phản xạ phổ và hấp thu của nước

Trong điều kiện tự nhiên, mặt nước hoặc một lớp nước mỏng sẽ hấp thụ rấtmạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do vậy năng lượng phản xạ

rất ít Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ nên việc sử dụngcác kênh sóng dài để chụp cho ta nhiều khả năng giải đoán các yếu tố thủy văn Vídụ: đường bờ nước sẽ được giải đoán dễ dàng trên ảnh chụp bằng kênh hồng ngoại

và cận hồng ngoại

d Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng.

Thổ nhưỡng là nền của lớp phủ thực vật, cùng với lớp phủ thực vật tạo thànhmột thể thống nhất trong cảnh quan tự nhiên Đặc tính chung nhất của chúng là khảnăng phản xạ phổ theo độ dài của bước sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại vàhồng ngoại [1]

Hình 1.3 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng

Một phần bức xạ mặt trời chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tượng(E1), phần còn lại đi vào bề dày của lớp phủ thổ nhưỡng Một phần năng lượng nàyđược hấp thu làm tăng nhiệt độ của đất, một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ vàcác thành phần vật chất khác có trong đất (nước và các chất khoáng) sẽ phản xạ trởlại (E2) Như vậy, phần năng lượng E2 sẽ chứa đựng những thông tin cơ bản vềthành phần, bản chất các loại đất Có thể biểu diễn năng lượng phản xạ đó dướidạng:

Epx = E1 +E2 (1.4)

Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng phụ thuộc chủ yếu vào bản chất hóa –

Lý của đất, hàm lượng chất hữu cơ, độ ẩm, trạng thái bề mặt, thành phần cơ giới củađất…

Tóm lại: Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu nhận

được về các đối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (Cường độ, dạng đườngcong ở các giải sóng khác nhau) Có thể phân tích, nhận diện và so sánh các đốitượng trên bề mặt Thông tin về phổ phản xạ là thông tin đầu tiên, tiền đề chocác phương pháp phân tích, xử lý ảnh viễn thám, đặc biệt là sử xử lý số

1.1.3 Phân loại viễn thám

Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào yếu tố sau:

 Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh

 Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo

 Dải phổ của các thiết bị thu

 Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận

Có 3 phương pháp phân loại viễn thám chính là:

Phân loại theo nguồn tín hiệu:

- Viễn thám chủ động: nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo,thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay

- Viễn thám bị động: nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vật chất tựnhiên

Hình 1.4 Viễn thám chủ động và viễn thám bị động.

Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo:

- Vệ tinh địa tĩnh: là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của tráiđất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên

- Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực): là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuônggóc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của trái đất Tốc độ quay của vệtinh khác với tốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thuảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu lặplại là cố định đối với 1 vệ tinh (ví dụ LANDSAT 7 là 16 ngày, SPOT là 26 ngày,…)

Hình 1.5 Vệ tinh địa tĩnh(trái) và Vệ tịnh quỹ đạo gần cực (phải)

Phân loại theo bước sóng:

- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: mặt trời là nguồn nănglượng chính Ngoài ra, công nghệ LIDAR sử dụng tia lazer là trường hợp ngoại lệ

Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải sóngnhìn thấy và hồng ngoaị Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế ở0,5–m Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào

sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt Trái đất Các thông tin về vật thể được xácđịnh từ các phổ phản xạ.

Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ một đếnvài chục centimet Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủđộng được chủ động phát ra từ máy phát Kỹ thuật ra đa thuộc viễn thám siêu caotần chủ động Ra đa chủ động phát ra nguồn năng lượng tới các vật thể, sau đó thulại được những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể

Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do chínhvật thể phát ra Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích bức xạ siêucao tần của vật thể

1.1.4 Tư liệu viễn thám

a Khuôn dạng ảnh viễn thám.

Dữ liệu ảnh vệ tinh được lưu trữ theo các khuôn dạng sau đây:

Hình 1.6 Các khuôn dạng dữ liệu trong viễn thám

Theo kiểu BSQ (band sequential): là khuôn dạng trong đó các kênh phổ đượclưu tuần tự kênh này sang kênh khác Nghĩa là mỗi ảnh ứng với một kênh

Theo kiểu BIP (band inteaved pixel): mỗi pixel được lưu tuần tự theo cáckênh, nghĩa là các kênh phổ được ghi theo hàng và cột của từng pixel khác

Theo kiểu BIL (band interleaved by lines): Từng hàng được ghi theo thứ tự của

số kênh, mỗi hàng được ghi tuần tự theo giá trị của các kênh phổ và sau đó lặp lạitheo thứ tự của từng hàng, như vậy sẽ tạo ra các file ảnh chung cho các kênh phổ [2]

b.Độ phân giải ảnh viễn thám.

Trong công nghệ viễn thám có 4 khái niệm độ phân giải

-Độ phân giải không gian:

Là khái niệm dùng để phân biệt đối tượng trên mặt đất Là khoảng cách tối thiểu

để phân biệt hai đối tượng gần nhau, về bản chất khoảng cách đó là độ lớn tối thiểu củamột đối tượng trên mặt đất mà có thể phân biệt được trên ảnh

Hình 1.7 So sánh sự khác biệt giữa các độ phân giải không gian

Độ phân giải không gian phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ phân giải phim ảnh,năng lực của ống kính, đặc điểm hình ảnh lúc chụp, điều kiện khí quyển, điều kiện

in tráng phim ảnh

Độ phân giải không gian cao: 0.6 – vài mét

Độ phân giải không gian trung bình: 15 – 30m

Độ phân giải không gian thấp: > 30m

-Độ phân giải thời gian:

Là khoảng thời gian được xác định để một vệ tinh quay lại một điểm xác định(chính là chu kỳ lặp của mỗi vệ tinh) Độ phân giải thời gian phụ thuộc vào các yếu

tố như: khả năng của vệ tinh và bộ cảm biến, sự chồng chập của các dải quét, vĩ độ[5]

Độ phân giải thời gian trung bình: 4-16

Độ phân giải thời gian thấp: > 16 ngày

-Độ phân giải phổ:

Là số lượng các băng phổ mà bộ cảm biến có thể thu nhận được Số lượng cácbăng phổ không chỉ quan trọng về mặt độ phân giải phổ mà vị trí các bằng phổtrong dải sóng điện từ cũng quan trọng không kém

-Độ phân giải bức xạ:

Độ nhạy của các bộ cảm biến với độ lớn năng lượng điện từ xác định độ phângiải bức xạ Độ phân giải bức xạ của ảnh mô tả khả năng phân biệt sự khác biệt rấtnhỏ trong năng lượng thu được

Hình 1.8 So sánh sự khác nhau giữa các độ phân giải bức xạ

(2bit và 8bit)

Bộ cảm biến có độ phân giải bức xạ càng cao thì càng dễ phát hiện ra sự khácbiệt nhỏ trong năng lượng bức xạ

c Thể hiện hình ảnh tư liệu viễn thám.

Đối với các hệ xử lý ảnh, việc quan trọng đầu tiên là thể hiện tư liệu viễn thámdưới dạng hình ảnh, các màu trong tự nhiên đều được tạo ra bởi 3 màu cơ bản (red –green-blue) Theo phương pháp cộng hoặc trừ màu Vì vậy đối với tư liệu viễn thám

đa phổ có thể sử dụng 3 kênh phổ gán cho 3 màu cơ bản và như vậy sẽ được một tổhợp màu

Hình 1.9 Mô hình trộn màu cơ bản

Trong phương pháp cộng trừ màu từ nhiên được tạo bởi 3 màu nêu trên, hệthống cộng màu thường được sử dụng để thể hiện ảnh trên màn hình máy tính.Ngược lại, mô hình trừ màu được áp dụng chủ yếu trong quá trình in ảnh Các màu

tự nhiên được tạo bởi việc lấy màu trắng trừ dần đi các màu cơ bản (C – Y- M) Với

tư liệu ảnh đa phổ có kênh phổ nhiều hơn 3 thì việc hiện ảnh tổ hợp màu chỉ có thểđược thực hiện tuần tự cho từng tổ hợp 3 kênh một

Trong máy tính, có 02 hệ thống hiện màu ảnh đó là hệ thống RGB và hệ thống

mã màu trong hệ thống đầu, số lượng màu được thể hiện là không hạn chế khi hệthống thứ 2 chỉ cho phép hiển thị được một số hữu hạn các màu

d.Ảnh vệ tinh độ phân giải cao

Một trong số những đặc điểm quan trọng của ảnh vệ tinh là độ phân giảikhông gian, bởi vì chất lượng và tỷ lệ bản đồ phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố này.Trong những năm gần đây, ảnh vệ tinh có độ phân giải cao đang là đề tài nghiêncứu ứng dụng hấp dẫn trên thế giới, phục vụ trước hết là cho việc thành lập và hiệuchỉnh bản đồ Ngoài ra ảnh vệ tinh thăm dò các hiện tượng địa chấn, hoạt động núilửa, dự báo sạt lở,… Do vậy việc nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao

để thành lập bản đồ phục vụ phát triển kinh tế xã hội là một yêu cầu bức xúc, vàngày càng tăng trong xã hội đang phát triển như hiện nay Khả năng ứng dụng củaảnh vệ tinh độ phân giải cao đòi hỏi phải thỏa mãn các yêu cầu như:

-Yêu cầu về độ chính xác của địa hình, địa vật.

-Yêu cầu về cung cấp lượng thông tin cần thiết để đảm bảo nội dung bản đồ

cần thành lập

Trong những năm gần đây, ảnh vệ tinh độ phân giải cao (như SPOT,IKONOS, Quickbird, OrdView) đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế ngày càngnhiều Các nghiên cứu, thực nghiệm đều đi đến kết luận chung về tiềm năng to lớncủa ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong việc thành lập bản đồ, với sự cạnh tranh ngàycàng có ưu thế so với ảnh hàng không như:

-Thời gian đặt chụp nhanh

-Kho lưu trữ dữ liệu phong phú, …

Một số loại vệ tinh độ phân giải cao hiện nay:

Bảng 1.1 Độ phủ trùm của một số loại vệ tinh viễn thám quang học

Độ trùm phủ 60km x 60 km 120km x 120km 17.5 km x17.5 km

1.2 Hệ thống thông tin địa lý

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – gọi tắt là GIS)được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rộng rãi trong 10 năm trở lạiđây GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xãhội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới GIS có khả năng trợ giúp các cơquan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, cá nhân,… đánh giá được hiệntrạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chứcnăng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích, tích hợp các thông tin được gắn với mộtnền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào [3]

Có nhiều cách tiếp cần khác nhau khi định nghĩa GIS Nếu xét dưới góc độ hệthống, thì GIS có thể được hiểu như một hệ thống gôm các thành phần, thì GIS có thểđược hiểu như hệ thống gồm các thành phần: con người, phần cứng, phần mềm, cơ sở

dữ liệu và quy trình kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêuchuẩn, định hướng, chủ trương ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành

và các kiến thức về công nghệ thông tin

Khi xây dựng một hệ thống GIS ta phải quyết định xem GIS sẽ được xây dựngtheo mô hình ứng dụng nào, lộ trình và phương thức tổ chức thực hiện nào Chỉ trên

cơ sở đó người ta mới quyết định xem GIS định xây dựng sẽ phải đảm đương cácchức năng trợ giúp quyết định gì và cũng có thể có các quyết định về nội dung, cấutrúc các hợp phần còn lại của hệ thống cũng như cơ cấu tài chính cần đầu tư choviệc hình thành và phát triển hệ thống GIS Với một xã hội có sự tham gia củangười dân và quá trình quản lý thì sự đóng góp tri thức từ phía cộng đồng đangngày càng trở nên quan trọng và càng ngày càng có vai trò không thể thiếu

1.2.2 Một số thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý

Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là:

-Thiết bị (hardware)

-Phần mềm (Software)

-Số liệu (Geographic data)

-Chuyên viên (Expertise)

Hình 1.10 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS

Một cách chi tiết có thể giải thích bao gồm các hợp phần như sau:

1 Thiết bị (hardware)

Hình 1.11 Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS

Thiết bị bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in (printer),bàn số hóa (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện lưu trữ số liệu(Floppy diskettes, optical catridges, C.D ROM,…)

a Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ xử lý trung tâm hay còn gọi là CPU, là phần cứng quan trọng nhất của máy

vi tính CPU không những thực hành tính toán trên dữ liệu, mà còn điều khiển sắpđặt phần cứng khác mà nó thì cần thiết cho việc quản lý thông tin theo sau thôngqua hệ thống Mặc dù bộ vi xử lý hiện đại rất nhì nó có khả năng thực hiện hàngngàn, hoặc ngay cả hàng triệu thông tin trong một giây (the Cyber 250,máy vi tínhsiêu hạng) có thể thực hiện 200 triệu thông tin trên giây)

b.Bộ nhớ trong (RAM)

Tất cả máy tính có một bộ nhớ trong mà chức năng như là “không gian làmviệc” cho chương trình và dữ liệu Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) này có khảnăng giữ 1 giới hạn số lượng dữ liệu ở một số hạng thời gian (ví dụ, hệ điều hành

MS – DOS mẫu có 640Kb ở RAM) Điều này có nghĩa nó sẽ ít có khả năng thựchiện điều hành phức tạp trên bộ dữ liệu lớn trong hệ điều hành

c Bộ sắp xếp và lưu trữ ngoài (diskette, harddisk, CD – ROM)

Băng có từ tính được giữ không những trong cuộn băng lớn (giống trong cuộnbăng máy hát đĩa) mà còn trong cuộn băng nhỏ (giống như cuốn băng được dùngtrong máy hát nhạc) Thuận lợi của dây băng có từ tính là nó có thể lưu trữ một sốlượng lớn dữ liệu (ví dụ toàn bộ landsat MSS đòi hỏi 8MB của khả năng lưu trữ trênmột băng)

Sự gia tăng khả năng lưu trữ thực hiện bằng các đĩa có từ tính Các đĩa cứngvới khả năng lưu trữ rất lớn (được sử dụng trên PCS phổ biến 20 hoặc30Mb) màcòn ở các đĩa mềm với khả năng giới hạn (2.25 inch, với 360kb hoặc 1.2 Mb hay3.5inch với 720Kb hoặc 1.4Mb) Đĩa cứng thông thường được sử dụng cho lưu trữtạm thời mà thông qua quá trình xử lý, sau khi dữ liệu được gán trong đĩa floppyhoặc dây băng có từ tính

d.Các bộ phận dung để nhập dữ liệu (INOUT DEVICES)

Digitizer: Bảng số hóa bản đồ bao gồm 1 bảng hoặc bàn viết, mà bản đồ đượctrải rộng ra, và 1 cursor có ý nghĩa của các đường thẳng và các điểm trên bản đồđược định vị Trong toàn bộ bàn số hóa (digitizer) việc tổ chức được ghi bởiphương pháp của một cột lưới tốt đã gắn vào trong bảng Dây tóc của cursor phát ra

do sự đẩy của từ tính điện mà nó được tìm thấy bởi cột lượt sắt và được chuyển giaođến máy vi tính như một cặp tương xứng (mm trên 1 bảng XY hệ thống tương hợp)

Hầu như các cursor được vừa vặn với 4 hoặc nhiều nút cho việc chuyển các tín hiệuđặc biệt cho việc điều khiển chương trình, ví dụ để chỉ ra điểm cuối của đườngthẳng.

Scaner: Máy ghi scaner sẽ chuyển các thông tin trên bản đồ tương xứng 1 cách

tự động dưới dạng hệ thống raster Một cách luân phiên nhau, bản đồ có thể đượctrải rộng ra trên bàn mà đầu scaning di chuyển trong 1 loạt đường thẳng song songnhau Các đường quét (Scan) phải được vector hóa trước khi chúng được đưa vào

hệ thống cơ sở dữ liệu vector

-Các bộ phận để in ấn (OUTOUT DEVICES)

-Máy in (Printer)

Là bộ phận dung để in ấn các thông tin, bản đồ, dưới nhiều kích thước khácnhau tùy theo yêu cầu của người sử dụng, thông thường máy in có khổ từ A3 đếnA4 Máy in có thể là máy màu hoặc trắng đen, hoặc là máy in phun mực, Laser,hoặc máy in

Máy vẽ (plotter): Đối với những yêu cầu cần thiết phải in các bản đồ có kíchthước lớn thường máy in không đáp ứng được mà ta phải dung đến mấy plotter.Máy vẽ thường có kích thước của khổ A1 hoặc A0

2 Phần mềm (Software)

Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị điều khiển phần cứng của máy tính thực hiệnmột nhiệm vụ các định, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có thể là một hoặc tổhợp các phần mềm máy tính Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải baogồm các tính năng cơ bản sau:

_ Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input): Bao gồm tất cả các khía cạnh về biến

đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng số tương thích.Đây là giai đoạn rất quan trọng cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý

_ Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic database): lưu trữ và quản lý

cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí (topology) và thông tinthuộc tính (attributes) của các đối tượng địa lý (điểm, đường đại diện cho các đốitượng trên bề mặt trái đất) Hai thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thaotác trên máy tính và sao cho chúng có thể lĩnh hội được bởi người sử dụng hệ thống

_ Xuất dữ liệu(Display and reporting): Dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả

quá trình phân tích tớ người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ (MAP), bảngbiểu (TABLE), biểu đồ, lưu đồ (FIGURE) được thể hiện trên máy tính, máy in, máy

vẽ …

_ Biến đổi dữ liệu (Data transformation): Biến đổi dữ liệu gồm hai lớp điều

hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng Biến đổi dữ liệu cóthể thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộc tính một cách tách biệt hoặctổng hợp cả hai

_ Tương tác với người dung (Query input): Giao tiếp với người dùng là yếu tố

quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào Các giao diện người dùng ở một

hệ thống thông tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó

_ Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay trong khi vực Châu

Á là ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, SPANS, IDRISIW

Hiện nay có rất nhiều phần mềm máy tính chuyện biệt cho GIS, bao gồm cácphần mềm như sau:

_ Phần mềm dùng lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: ER-MAPPER,ATLASGIS, ARCVIEW, MAPINFO

Tùy theo yêu cầu và khả năng ứng dụng trong công việc cũng như khả năng kinhphí của đơn vị, việc lựa chọn một phần mềm máy tính sẽ khác nhau

3 Chuyên viên (Expertise)

Đây là một trong những hợp phần quan trọng của công nghệ GIS, đòi hỏinhững chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thong để thực hiện các chức năng phântích và xử lý các số liệu Đòi hỏi phải thông thạo về việc lựa chọn các công cụ GIS

để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sủ dụng và thông hiểu các tiếntrình đnag và sẽ thực hiện

4 Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data)

Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý (geo – refrenceddata) riễng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu (database) Nhữngthông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính(attributes) của thông tin, mối liên hệ không gian (spatial relationship) của cácthông tin, và thời gian Có 2 dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:

_ Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả ảnh bản đồ được số hóa theo mộtkhuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được Hệ thống thông tin địa lý dùng cơ sở

dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khácnhư máy in, máy vẽ

Số liệu Vector: được trình bày dưới dạng điểm, đường và diện tích, mỗi dạng

có lien quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu

Số liệu Raster: được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều

nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính Số liệu củaảnh Vệ tinh và số liệu bản đồ được quét (Scaned map) là các loại số liệu Raster

Số liệu thuộc tính (Attribute): Được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc hoặc số,

hoặc ký hiệu để mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý

Trong các dạng số liệu trên, số liệu vector là dạng thường sử dụng nhất Tuynhiên, số liệu raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như: nhiệt

độ, cao độ… và thực hiện các phân tích không gian (Spatial analyses) của số liệu.Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ liệu Có nhiều cách để nhập sốliệu, nhưng cách thông thường nhất hiện nay là số hóa (digitizing) bằng bàn số hóa(digitizer), hoặc thông qua việc sử dụng máy quét ảnh (Scaner)

1.2.3 Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin địa lý

Các chức năng của GIS có thể chia làm năm loại như sau:

Thu thập dữ liệu

Xử lý sơ bộ dữ liệu

Lưu trữ và truy nhập dữ liệu

Hiển thị đồ họa và tương tác

1 Thu thập dữ liệu

Quá trình thu nhận dữ liệu theo khuôn mẫu áp dụng được cho GIS Mức độđơn giản nhất của thu thập dữ liệu là chuyển đổi khuôn mẫu dữ liệu có sẵn từ bênngoài Trong trường hợp này GIS phải có modun chương trình hiểu đướ các khuônmẫu dữ liệu chuẩn như DLG, DXF hay các dữ liệu đầu ra của GIS như Mapinfo,ArcInfo, MapObject, … Gis còn phải có khả năng nhập các ảnh bản đồ trong khuônmẫu GIFF, JPEG,… Trên thực tế nhiều kĩ thuật trắc đạc được áp dụng để thu nhập

dữ liệu như qua vệ tinh, máy bay, số hóa những bản đồ giấy,…

Phần lớn dữ liệu không gian là các bản đồ giấy, GIS phải số hóa chúng mớ sửdụng được, trình tự số hóa bao gồm:

-Mã hóa dữ liệu: là tiến trình gắn thuộc tính của đặc trưng vào toàn bộ đối

tượng hình học trên bản đồ, chúng có thể là điểm, đường, vùng … công việc nàythường được thực hiện qua nhập bàn phím

-Kiểm chứng và sửa lỗi là so sánh hình vẽ dữ liệu số hóa với tài liệu nguồn.

Phải đảm bảo mọi đặc trưng trên bản đồ được số hóa vớ độ chính xác cần thiết

-Nhìn chung công việc thu thập dữ liệu là nhiệm vụ khó khăn và nặng nề nhất

trong quá trình xây dựng một ứng dụng GIS

2 Xử lý dữ liệu thô

Hai khía cạnh chính của xử lý dữ thô bao gồm:

-Phát sinh dữ liệu có cấu trúc topo.

-Với dữ liệu ảnh vệ tinh thì phải phân lớp các đặc trưng trong ảnh thành các

hiện tượng quan tâm

Mô hình quan niệm của thông tin không gian bao gồm mô hình hướng đốitượng, mạng và bề mặt Quá trình phân tích trên cơ sở khác nhau đòi hỏi dữ liệuphải được biểu diễn và tổ chức cho phù hợp Điều này đòi hỏi không chỉ chức năngtọa lập mô hình dữ liệu vector có cấu trúc topo và mô hình dữ liệu raster, mà còn cókhả năng thay đổi cách biểu diễn, thay đổi phân lớp và sơ đồ mẫu, làm đơn gản hóahay tổng quát hóa dữ liệu, biến đổi giữa hệ thống trục tọa độ khác nhau và biến đổicác phép chiếu bản đồ

Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữ liệuraster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang raster, hayraster hóa Biến đổi từ raster sang mô hình vector, hay vector hóa, đặc biệt cần thiếtkhi tự động quét ảnh Raster hóa là tiến trình chia đường hay cùng thành các tế bào.Ngược lại, vector hóa là tập hợp các tế bào (pixel) lại thành đường hay vùng Khi sosánh dữ liệu từ các nguồn khác nhau, vấn đề chung nảy sinh là sử dụng hai haynhiều phân lớp hay sơ đồ mã hóa cho cùng hiện tượng Để nhận ra các khía cạnhkhác nhau của hiện tượng vớ dữ liệu có mức độ chi tiết khác nhau, cần phải tiếntrình xấp xỉ hóa hay đơn giản hóa để biến đổi về cùng một sơ đồ Một vấn đề nữanảy sinh khi tích hợp dữ liệu bản đồ là hệ thống tọa độ của chúng được đo vẽ trên

cơ sở nhiều phép chiếu bản đồ khác Các dữ liệu không thể tích hợp trên cùng mộtbản đồ nếu không biến đổi chúng về cùng hệ trục tọa độ nên phải đưa chúng cùng

về một hệ tọa độ địa lý

3 Lưu trữ và truy cập dữ liệu

Chức năng lưu trữ dữ liệu trong GIS liên quan đến tại lập CSDL không gian.Nội dung của CSDL này có thể tổ hợp dữ liệu vector hoặc dữ liệu raster, dữ liệuthuộc tính để nhận danh hiện tượng tham chiếu không gian Thông thường dữ liệuthuộc tính của GIS trên cơ sở đối tượng được lưu trong bảng, chúng chưa chỉ danhduy nhất, tương ứng với đối tượng không gian, kèm theo rất nhiều mục dữ liệuthuộc tính khác nhau Chỉ danh đối tượng không gian duy nhất được dùng đê liênkết giữa dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian tương ứng Đôi khi mục dữ liệutrong bảng thuộc tính bao gồm cả giá trị không gian như độ dài đường, diện tíchvùng mà chúng đã được xuất từ biểu dữ liệu hình học

3 Tìm kiếm và phân tích không gian

Đây là chức năng đóng vai trò rất quan trọng trong GIS Nó tạo nên sức mạnhthực sự của GIS so với các phương pháp khác Tìm kiếm và phân tích dữ liệu khônggian giúp tìm ra những đối tượng đồ họa theo các điều kiện đặt ra hay hỗ trợ việc raquyết định của người dùng GIS Có rất nhiều các phương pháp khác nhau thườngtạo ra các ứng dụng GIS khác nhau

5 Hiển thị đồ hoạ và tương tác

Tầm quan trọng bản chất không gian của thông tin địa lý là khả năng truy vấn

và báo cáo kết quả là nhờ sử dụng bản đồ Do vậy cá chức năng lập bản đồ thườngthấy ở trong GIS Các chức năng này được thể hiện bằng thực đơn như trong cáctrình vẽ bản đồ không phải là GIS thực thụ, để xác định màu, kiểu, mẫu của điểm,đường, vùng Chúng có khả năng trang trí bản đồ bằng xâu ký tự, chú giải với cácthuộc tính khác nhau như loại, cỡ phông, hướng vẽ Nhiều hệ GIS còn có khả năngbiến đổi và vẽ theo các phép chiếu bản đồ khác nhau Gần đây, biểu đồ diện tíchđược quan tâm nhiều đến để hiển thị dữ liệu trong đó, kích thước đặc trưng bản đồđược biến đổi tương ứng với các biến thuộc tính như mật độ dân số hay thu nhập.Kỹ thuật hiển thị khác giúp hiểu dễ dàng một số loại dữ liệu bằng thay đổi độ đâmnhạt hay sắc tố màu thay vì mô tả chính xác các đường biên Biểu diễn thay đổi thời

gian trên bản đồ cũng là nhu cầu thực tế, đôi khi chúng được đánh dấu mũi tên Các

hệ GIS mới thường cố gắng xây dựng cơ chế phát sinh bản đồ hoạt ảnh, trong đóbản đồ tựu thực hiện thay đổi sau khoảng thời gian ngắn Một khả năng khác củaGIS là khả năng hiển thị bản đồ 3D từ các điểm quan sát khác nhau, hiển thị 3D chokhả năng hiểu biết về bản chất của hiện tượng khi nghi cứu thay đổi bề mặt địahình

1.3 Ứng dụng của viễn thám và GIS

Ngày nay công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý (GIS) được ápdụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

Quản lý tài nguyên và môi trường:

- Quản lý tài nguyên đất: lập bản đồ và theo dõi biến động sử dụng đất, lậpbản đồ thổ nhưỡng, nghiên cứu xói mòn, thoái hóa đất, sa mạc hóa,…

- Quản lý và giám sát tài nguyên nước: lập bản đồ phân bố mạng lưới thủyvăn, bản đồ phân bố nước ngầm, theo dõi biến động lòng sông, giám sát chất lượngnước, …

- Giám sát tài nguyên và môi trường biển: lập bản đồ các hệ sinh thái nhạycảm như rừng ngập mặn, đất ngập nước, rạn san hô, theo dõi biến động đường bờ,theo dõi tràn dầu, …

1.4 Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover)

Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặcthông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc được trồng cấy)

và các cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường xá…) bao phủ bề mặt mặt

đất Nước, băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất.(The FAO

AFRICOVER Progamme, 1998)

Phân loại lớp phủ mặt đất

Sokal (1974) đã định nghĩa phân loại là việc sắp xếp các đối tượng theo cácnhóm hoặc các tập hợp khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa chúng Một hệ thốngphân loại miêu tả tên của các lớp và tiêu chuẩn phân biệt chúng Các hệ thống phânloại có hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và không phân cấp Một hệ thống phâncấp thường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp nhiều lớp thông tin, bắt đầu từ cáclớp ở quy mô lớn rồi phân chia thành các phụ lớp cấp thấp hơn nhưng thông tin chi

tiết hơn (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998) Trong phạm vi nghiên cứu của

đề tài đã sử dụng hệ thống phân loại phân cấp, có tham khảo theo hệ thống phân

loại của Mỹ (Anderson và nnk., 1976), được tổng hợp có chọn lọc phù hợp với điều

kiệu thực tiễn ở Việt Nam của Nguyễn Ngọc Thạch (2005)

Bảng 1.2 Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất để sử dụng với dữ liệu viễn thám

(Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)

1 Đô thị hoặc thành phố

11 Khu dân cư

12 Khu thương mại và dịch vụ

13 Nhà máy công nghiệp

22 Cây ăn quả

23 Chuồng trại gia súc