Thành lập bản đồ biến động và nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương

MỤC LỤC 1. Tính cấp thiết của đề tài. 5 2. Mục tiêu và nhiệm vụ. 6 a. Mục tiêu : 6 b. Nhiệm vụ : 6 3. Phương pháp nghiên cứu. 6 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 6 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 6 6. Bố cục đồ án. 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS. 8 1.1. VIỄN THÁM. 8 1.1.1. Giới thiệu chung về viễn thám. 8 1. Khái niệm về viễn thám. 8 2. Phân loại viễn thám. 11 3. Giới thiệu một số hệ thống viễn thám. 12 4. Một số ứng dụng của viễn thám. 17 1.1.2. Công nghệ viễn thám trong theo dõi lớp phủ mặt đất. 18 1. Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh. 18 2. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng nghiên cứu. 21 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS). 26 1.2.1. Tổng quan về GIS. 26 1. GIS là gì? 26 2. Các thành phần của GIS. 27 3. Nhiệm vụ của GIS. 28 4. Các đặc điểm của GIS. 31 5. Dữ liệu GIS. 34 6. Ứng dụng của hệ thông tin địa lý. 35 1.2.2. Cơ sở GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất. 37 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 39 2.1. KHÁI QUÁT LỚP PHỦ MẶT ĐẤT VÀ NHỮNG BIẾN ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ MẶT ĐẤT. 39 2.1.1. Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất. 39 1. Khái niệm lớp phủ mặt đất. 39 2. Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất. 43 2.1.2. Khái niệm chung về biến động. 45 2.1.3. Các phương pháp nghiên cứu biến động. 47 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT BẰNG VIỄN THÁM VÀ GIS. 49 2.2.1. Quy trình công nghệ. 49 2.2.2. Quy trình xử lý ảnh bằng viễn thám 50 1. Chọn tư liệu ảnh viễn thám. 50 2. Nắn chỉnh hình học. 51 3. Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu. 51 4. Phân loại ảnh viễn thám. 52 5. Kiểm chứng. 58 6. Kết quả phân loại. 58 2.2.3.Thành lập bản đồ biến động và tính biến động lớp phủ mặt đất bằng GIS. 58 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIS VÀ VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN KINH MÔN – TỈNH HẢI DƯƠNG. 58 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG HUYỆN KINH MÔN, TỈNH HẢI DƯƠNG. 58 3.1.1. Giới thiệu chung. 58 3.1.2. Vị trí địa lý. 59 3.1.3. Các tài nguyên. 60 3.1.4. Kinh tế. 60 3.1.5. Du lịch. 62 3.1.6.Văn hóa – Giáo dục. 62 3.2. Sử dụng phần mềm ENVI và ArcGIS thành lập bản đồ biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương. 63 3.2.1. Dữ liệu thu thập. 63 3.2.2. Quá trình thực nghiệm. 63 1. Nhập ảnh. 63 2. Cắt ảnh theo file danh giới huyện Kinh Môn trên phần mềm ENVI. 63 3. Phân loại ảnh. 64 3. Biên tập và trình bày bản đồ biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn. 70 3.2.3. Đánh giá chung về tình hình biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương. 75 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 77 1.Kết luận 77 2. Kiến nghị 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Phạm Thị Làn, người đã tận tình chỉbảo, động viên, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoànthiện đồ án tốt nghiệp này

Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong Bộ môn chuyênngành Trắc Địa Mỏ, các thầy cô Trắc địa, các thầy cô khác trong Trường Đại Học MỏĐịa Chất , cùng gia đình, bạn bè đã hỗ trợ, động viên khích lệ, tạo điều kiện thuận lợigiúp đỡ em trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Minh Khiêm

MỤC LỤC

1 Tính cấp thiết của đề tài 5

2 Mục tiêu và nhiệm vụ 6

a Mục tiêu : 6

b Nhiệm vụ : 6

3 Phương pháp nghiên cứu 6

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

6 Bố cục đồ án 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS 8

1.1 VIỄN THÁM 8

1.1.1 Giới thiệu chung về viễn thám 8

1 Khái niệm về viễn thám 8

2 Phân loại viễn thám 11

3 Giới thiệu một số hệ thống viễn thám 12

4 Một số ứng dụng của viễn thám 17

1.1.2 Công nghệ viễn thám trong theo dõi lớp phủ mặt đất 18

1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh 18

2 Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng nghiên cứu 21

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) 26

1.2.1 Tổng quan về GIS 26

1 GIS là gì? 26

2 Các thành phần của GIS 27

3 Nhiệm vụ của GIS 28

4 Các đặc điểm của GIS 31

5 Dữ liệu GIS 34

6 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý 35

1.2.2 Cơ sở GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất 37

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 39

2.1 KHÁI QUÁT LỚP PHỦ MẶT ĐẤT VÀ NHỮNG BIẾN ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 39

2.1.1 Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất 39

1 Khái niệm lớp phủ mặt đất 39

2 Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất 43

2.1.2 Khái niệm chung về biến động 45

2.1.3 Các phương pháp nghiên cứu biến động 47

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT BẰNG VIỄN THÁM VÀ GIS 49

2.2.1 Quy trình công nghệ 49

2.2.2 Quy trình xử lý ảnh bằng viễn thám 50

1 Chọn tư liệu ảnh viễn thám 50

2 Nắn chỉnh hình học 51

3 Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu 51

4 Phân loại ảnh viễn thám 52

5 Kiểm chứng 58

6 Kết quả phân loại 58

2.2.3.Thành lập bản đồ biến động và tính biến động lớp phủ mặt đất bằng GIS 58

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIS VÀ VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN KINH MÔN – TỈNH HẢI DƯƠNG 58

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG HUYỆN KINH MÔN, TỈNH HẢI DƯƠNG 58

3.1.1 Giới thiệu chung 58

3.1.2 Vị trí địa lý 59

3.1.3 Các tài nguyên 60

3.1.4 Kinh tế 60

3.1.5 Du lịch 62

3.1.6.Văn hóa – Giáo dục 62

3.2 Sử dụng phần mềm ENVI và ArcGIS thành lập bản đồ biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương 63

3.2.1 Dữ liệu thu thập 63

3.2.2 Quá trình thực nghiệm 63

1 Nhập ảnh 63

2 Cắt ảnh theo file danh giới huyện Kinh Môn trên phần mềm ENVI 63

3 Phân loại ảnh 64

3 Biên tập và trình bày bản đồ biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn 70

3.2.3 Đánh giá chung về tình hình biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương 75

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 77

1.Kết luận 77

2 Kiến nghị 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Đặc điểm hệ thống máy chụp ảnh vùng nhìn thấy có độ phân giải cao của vệ tinh SPOT 13

Bảng 1.2: Các băng phổ của ảnh đa phổ của ảnh vệ tinh QuikBird 15

Bảng 1.3: Các băng phổ của ảnh đa phổ vệ tinh phân giải siêu cao IKONOS 16

Bảng 1.4: Các vùng sóng có cửa sổ khí quyển 19

Bảng 2.1: Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất 40

Bảng 2.2: Các loại lớp phủ ở huyện Kinh Môn 44

Bảng 2.3: Sơ đồ phương pháp phân tích sau phân loại 46

Bảng 2.4: Sơ đồ phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 47

Bảng 2.5: Sơ đồ phương pháp nhận biết thay đổi phổ 47

Bảng 2.6: Sơ đồ phương pháp kết hợp 48

Bảng 2.7 : Quy trình công nghệ nghiên cứu biến động bằng viễn thám và GIS 48

Bảng 3.1 Thông số ảnh vệ tinh 62

Bảng 3.2: Ma trận chuyển đổi diện tích các lớp phủ giai đoạn 2006 – 2016 (đơn vị: m2 ) 73

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Nguyên lý thu nhận dữ liệu được sử dụng trong viễn thám 11

Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống viễn thám 13

Hình 1.3: Biểu đồ thể hiện tỷ lệ ứng dụng của viễn thám 18

Hình 1.4: Cửa sổ khí quyển 20

Hình 1.5: Cơ chế thu ảnh quang học 22

Hình 1.6: Đặc tính phản xạ phổ của một sô đối tượng tự nhiên 23

Hình 1.7: Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 24

Hình 1.8: Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nước 24

Hình 1.9: Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 25

Hình 1.10: Các thành phần của GIS 28

Hình 1.11: Dữ liệu GIS 30

Hình 1.12: Vùng đệm trong GIS 31

Hình 1.13: Phân lớp thông tin trong mô hình chồng xếp 32

Hình 1.14: Sự thể hiện quang cảnh sự vật dưới các lớp bản đồ khác nhau 33

Hình 1.15: Nguyên lý khi chồng lắp các bản đồ 33

Hình 1.16: Việc chồng lắp các bản đồ theo phương pháp cộng 34

Hình 1.17: Một thí dụ trong việc chồng lắp các bản đồ 34

Hình 1.18: Một thí dụ trong việc phân loại lại một bản đồ 35

Hình 1.19: Ví dụ bản đồ nền 35

Hình 1.20: Ví dụ bản đồ và dữ liệu thương mại 36

Hình 1.21: Ví dụ bản đồ và dữ liệu môi trường 36

Hình 1.22: Ví dụ bản đồ tham khảo chung 36

Hình 3.1: Tượng đài Trần Hưng Đạo - Núi An Phụ - Kinh Môn 60

Hình 3.2: Ảnh năm 2006 và năm 2016 sau khi tổ hợp kênh ảnh 65

Hình 3.3: Ảnh sau khi cắt năm 2006 và năm 2016 65

Hình 3.4: Kết quả lấy mẫu năm 2006 và năm 2016 66

Hình 3.5: Kết quả tính toán độ tách biệt của mẫu ảnh 2006 và ảnh 2016 67

Hình 3.6: Độ trực quan độ tách biệt giữa các mẫu năm 2006 và năm 2016 68

Hình 3.7: Bảng ma trận kappa năm 2006 và năm 2016 69

Hình 3.8: Ảnh sau khi được phân loại năm 2006 và năm 2017 70

Hình 3.9: Sửa lớp dân cư bị nhầm lẫn năm 2006 70

Hình 3.10: Sửa lớp dân cư bị nhầm lẫn năm 2016 71

Hình 3.11: Quy trình thành lập bản đồ biến động lớp phủ 71

Hình 3.12: Sơ đồ đánh giá biến động 72

Hình 3.13: Bản đồ biến động lớp phủ huyện Kinh Môn 73

Hình 3.14: Bảng thống kê diện tích các lớp phủ của 2 năm (m 2 ) 74

Hình 3.15: Biểu đồ biến động diện tích lớp phủ (ha) 74

Hình 3.16 : Biểu đồ biến động diện tích các lớp phủ theo ma trận biến động 76

trong giai đoạn năm 2006 và năm 2016 76

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài.

Nước ta là một nước nông nghiệp Với tốc độ đô thị hóa nhanh như hiện nay,diện tích đất nông nghiệp ngày một bị thu hẹp và chia cắt Thay vào đó là các khucông nghiệp, khu đô thị từng bước hình thành Sự biến động này có những thuận lợisong cũng có những khó khăn hết sức phức tạp vì nó có tác động đến tất cả các lĩnhvực kinh tế-văn hóa, xã hội, tập quán của nhân dân Những mặt tiêu cực do quá trình

đô thị hóa mang lại như sự giảm dần của các hoạt động nông nghiệp và sự phát triểncủa các hoạt động phi nông nghiệp khác, sự gia tăng các vấn đề xã hội, môi trường và

cả những vấn đề về cơ sở hạ tầng chưa kịp đáp ứng các đòi hỏi mới sẽ xuất hiện Do

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

Mặc dù hàng năm đều có các báo cáo về hiện trạng và tình hình biến động củalớp phủ mặt đất nhưng các báo cáo này chủ yếu dựa trên các phương pháp truyềnthống là đo vẽ, thành lập bản đồ, tính toán diện tích đất, đó là một công việc phức tạp

và đòi hỏi nhiều thời gian Hơn nữa, khi sử dụng các tài liệu thống kê và tài liệu bản

đồ không phải bao giờ cũng có thể khai thác những thông tin hiện thời nhất vì việc sửdụng đất luôn biến động Phương pháp Viễn Thám và thông tin địa lý GIS đang dầnkhắc phục những nhược điểm này Kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đốitượng ở các độ phân giải phổ và không gian từ trung bình đến siêu cao và chu kỳ chụplặp lại từ một tháng đến 1 ngày kết hợp với các dữ liệu GIS cho phép chúng ta quan sát

và xác định nhanh chóng lượng cũng như vị trí của thông tin biến động lớp phủ mặtđất và đặc biệt là xu hướng của biến động Đối với các nhà quản lý, thông tin ở tầng vĩ

mô là rất cần thiết, vì vậy các kết quả quan sát biến động lớp phủ mặt đất sẽ trợ giúp

họ về mặt khoa học trong quản lý vĩ mô, quy hoạch sử dụng đất…

Các kết quả phân loại từ viễn thám được tích hợp với các dữ liệu thống kê kinh

tế xã hội trong môi trường GIS, thực hiện các chức năng phân tích không gian và tìmkiếm dữ liệu sẽ giúp ta đưa ra những phân tích nhận định về nguyên nhân, ảnh hưởng,

và xu hướng biến động của lớp phủ mặt đất Chính vì vậy, phương pháp viễn thám và

GIS đang và sẽ là phương pháp quan trọng trong cấu trúc hệ thống quan trắc biến độnglớp phủ mặt đất.

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

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

- Nghiên cứu tổng quan phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủmặt đất

- Nghiên cứu cơ sở phản xạ của các đối tượng

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

- Tiến hành phân loại ảnh

- Giải thích kết quả

- Phân tích biến động lớp phủ mặt đất và đánh giá biến động qua 2 năm 2006 và năm

2016 khu vực huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập thông tin, tài liệu : là phương pháp trên cơ sở mục đích, yêu cầu của đề tài đề ra để sưu tầm những tài liệu có liên quan Từ đó chọn lọc, sắp xếp, thống kê tài liệu theo yêu cầu của đề tài

- Phương pháp phân tích tổng hợp đánh giá : là phương phương pháp trên cơ sở tài liệuthu thập được, tiến hành phân tích, tổng hợp từ đó rút ra nhận định cần thiết

- Phương pháp bản đồ : là phương pháp sử dụng tranh ảnh, bảng số liệu …để phân tích, đánh giá và thành lập bản đồ biến động

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Trong những năm qua,tình trạng sử dụng đất không theo quy hoạch xảy ra phổ biến

ở khá nhiều nơi ở nước ta, điều này đã gây nhiều khó khăn trong công tác quản lý đất đai Đặc biệt đối với các vùng núi hay vùng sâu, vùng xa làm tác động xấu tới sự bền vững của các nguồn tài nguyên đất đai cũng như giảm thiểu độ che phủ của rừng, nguồn nước ngầm cung cấp cho sinh hoạt và canh tác giảm mạnh …

Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, việc sử dụng ảnh vệ tinh đa phổ có độ phân giải cao trong việc tìm hiểu biến động của lớp phủ mặt đất sẽ giúp chúng ta tiến hành đánh giá được quá trình tác động của con người tới thảm thực vật trong nhiều năm, để từ đó kết hợp với các nghiên cứu đa nghành khác phục vụ quá trình sử dụng đất tốt hơn

Những kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần cho công tác điều tra tài nguyên của các vùng đất, cũng như rút ra được kết luận khoa học về khả năng ứng dụng viễn thám và gis trong nghiên cứu, đánh giá biến động lớp phủ mặt đất qua nhiều giai đoạn

để phục vụ cho công tác quản lý đất đai, đẩy mạnh sự phát triển kinh tế xã hội của nước ta

6 Bố cục đồ án.

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

+ Chương 1: Tổng quan về GIS và Viễn thám

+ Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu lớp phủ mặt đất

+ Chương 3: Ứng dụng phương pháp GIS và Viễn thám trong nghiên cứu lớp phủmặt đất huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS.

1.1 VIỄN THÁM.

1.1.1 Giới thiệu chung về viễn thám.

1 Khái niệm về viễn thám.

Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của công nghệ vũ trụ,phương pháp chụp ảnh và thu nhận thông tin của các đối tượng trên mặt đất

Hiện nay, ảnh vệ tinh độ phân giải cao (14m) đang được các chuyên gia sửdụng theo hướng tích hợp với GPS (Global Positioning System) và GIS (GoegraphicalInformation System), nhằm khai thác dữ liệu không gian hiệu quả phục vụ công tácthành lập bản đồ thành phố, quy hoạch giao thông, giám sát biến động sử dụng đất…Trong đó, vệ tinh Ikonos được phóng vào tháng 4 năm 1999 đã cung cấp ảnh với độphân giải không gian 1m và đặc biệt là vệ tinh Quickbird được phóng vào tháng 10năm 2001 cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 0.61m Ảnh đa phổ độ phân giảikhông gian cao đã góp phần quan trọng trong việc phát triển ứng dụng viễm thámtrong nhiều lĩnh cực, đáp ứng đòi hỏi mức độ cung cấp thông tin chi tiết và chính xác

Ngoài việc thu thập thông tin từ ảnh đa phổ độ phân giải cao, ảnh rada được thuthập bởi kỹ thuật viễn thám siêu cao tần cũng đã được sử dụng phổ biến từ đầu thế kỷnày

a Viễn thám là gì?

o Khái niệm về viễn thám :

Viễn thám được định nghĩa là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu thập,

đo lường và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng.

Thuật ngữ viễn thám được sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm tất

cả các lĩnh vực như không ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh…

Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua nănglượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệ nhằm xác định vànhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng riêng về

sự phản xạ và bức xạ.

b Phương pháp viễn thám.

Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện từ (ánh sáng nhiệt,sóng cực ngắn) như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đốitượng

c Bộ cảm biến.

Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi

là bộ cảm biến (Sensor) Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét

d Vật mang.

Phương tiện đưa bộ cảm biến (sensors) tới độ cao, vị trí mong muốn để thunhận năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể trên bề mặt đất tạo ra ảnh quang họchay ảnh Radar được gọi là vật mang Vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàucon thoi hoặc vệ tinh

Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời,năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộcảm biến đặt trên vật mang

Chụp ảnh máy bay là dạng đầu tiên của viễn thám, và tồn tại như một phươngpháp được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Việc phân tích ảnh hàng không đã gópphần đáng kể trong việc phát hiện nhiều mỏ dầu và khoáng sản trầm tích Sự thànhcông này sử dụng dải nhìn thấy của sóng điện từ và có thể hiệu quả hơn nếu sử dụngcác dải sóng khác Từ 1960, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật cho phép thu được cáchình ảnh của dải sóng khác nhau, bao gồm cả dải sóng hồng ngoại và cực ngắn Sựphát triển và sử dụng các loại tàu vũ trụ có người điều khiển và vệ tinh không có ngườiđiều khiển bắt đầu từ 1960 đã cung cấp khả năng từ trên quỹ đạo thu được hình ảnhcủa trái đất

Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ghi nhận bởi ảnh viễnthám thông qua xử lý tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinhnghiệm của chuyên gia Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể

và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khácnhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường…

e Quỏ trỡnh thu nhận và xử lý ảnh viễn thỏm.

Viễn thỏm được thực hiện từ nhiều khoảng cỏch, độ cao khỏc nhau:

- Tầng mặt đất

- Tầng mỏy bay

- Tầng vũ trụ

Súng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thụng tin

về cỏc vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước súng đó xỏc định

Đo lường và phõn tớch năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thỏm, chophộp tỏch thụng tin hữu ớch về từng loại lớp phủ mặt đất khỏc nhau do sự tương tỏcgiữa bức xạ điện từ và vật thể

Hỡnh 1.1: Nguyờn lý thu nhận dữ liệu được sử dụng trong viễn thỏm.

Dữ liệu số

T liệu ảnh

Tưưliệuư

mặtưđất

Năng lượng sóng điện từ sau khi tới bộ cảm biến được chuyển thành tín hiệu số

và truyền về trạm thu trên mặt đất Sau khi được xử lý ảnh viễn thám sẽ cung cấpthông tin tương ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong giải phổ

2 Phân loại viễn thám.

Viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản ứng với vùng bước sóng sửdụng

- Loại 1: Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy (0.4-0.7m) và cận hồng ngoại(0.7-3mm)

Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời và ảnh viễn thám nhận được dựavào sự đo lường năng lượng vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từvật thể và bề mặt trái đất Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi chung làảnh quang học

- Loại 2: Viễn thám hồng ngoại nhiệt (3-104m)

Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra, hầu nhưmỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự sinh ra một bức xạ Ảnh thu được bởi kỹthuật viễn thám này được gọi là ảnh nhiệt

- Loại 3: Viễn thám siêu cao tần(1mm-1m)

Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được

áp dụng Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động , vệ tinh cung cấp năng lượng riêng

và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lại năng lượng do sóng phản xạ lại được đolường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thámsiêu cao tần chủ động được gọi là ảnh radar

Sự phân chia thành các dải phổ liên quan đến tính chất bức xạ tự nhiên của cácđối tượng, từ đó tạo thành các phương pháp viễn thám khác nhau

Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo hình sin với tốc độgần 3 × 10 m/s (tốc độ ánh sáng)

Khoảng cách giữa các cực trị được gọi là bước sóng (λ) với đơn vị là độ dài.) với đơn vị là độ dài

Số lượng các cực trị truyền qua một điểm nhất định trong thời gian 1 giây được

gọi là tần số (υ - đơn vị: herzt)

3 Giới thiệu một số hệ thống viễn thám.

Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của hệ thống viễn thám.

-Vệ tinh Landsat:

Landsat là vệ tinh viễn thám đầu tiên được NASA phóng lên quỹ đạo vào năm

1972 Từ năm 1994 ảnh vệ tinh Landsat do công ty EOSAT phân phối, tuy nhiênnhững ảnh quá đát 2 năm được đưa vào lưu trữ và do trung tâm dữ liệu Cục Địa chất

Mỹ phân phối

Vệ tinh đầu tiên trong serie Landsat là ERTS–1 phóng ngày 23–7-1972 Sau đổitên là Landsat–1, Landsat–2 phóng ngày 22/1/1972 Các vệ tinh tiếp theo là Landsat–3phóng năm 1978, Landsat – 4 phóng năm 1982 và Landsat – 5 phóng năm 1984,Landsat–6 phóng tháng 10/1993 nhưng đã không thành công, Landsat–7 phóng tháng4/1999 Hiện nay có hai vệ tinh hoạt động là Landsat-5 và 7

*Quỹ đạo vệ tinh Landsat–5 và 7 được đặc trưng bởi các thông số chính sau:

- Độ cao bay: 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 980

- Quỹ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp lại

- Thời điểm bay qua xích đạo 9h30 sáng

- Chu kỳ lặp lại 17 ngày

2

á m

3 ám

Thông số kỹ thuật của bộ cảm TM

Bộ cảm này cho thông tin về phổ nhiều hơn MSS

SPOT (systeme protatoire d’opservastion de la terre)

là chương trình viễn thám do các nước Pháp, Bỉ, Thuỵ Điển

hợp tác SPOT – 1 được phóng lên quỹ đạo tháng 2/1986,

SPOT – 2 được đưa lên quỹ đạo ngày 22/1/1992, SPOT – 3

vào tháng 4/1993, SPOT - 4 vào tháng 4/1998

SPOT có quỹ đạo tròn cận cực đồng bộ mặt trời với độ cao bay chụp là 830 km

và góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.70

Thời điểm bay qua xích đạo là 10h30 sáng

Chu kỳ lặp lại một điểm nào đó trên mặt đất là 26 ngày trong chế độ quan sátbình thường

Vệ tinh SPOT được trang bị một bộ quét đa phổ HRV gồm 2 máy HRV – 1 vàHRV – 2 (hisgh resolution visible) Bộ cảm HRV là máy quét điện tử CCD, HRV cóthể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng, gương cho phép thay đổi hướngquan sát từ 0o đến 27o so với phương thẳng đứng HRV là máy chụp ảnh đa phổ trên bakênh ảnh trắng đen XS và một kênh ảnh toàn sắc P (Panrtromantic) Máy HRV sửdụng hai tế bào quang điện (detecter), một dãy gồm 3000 tế bào và một dãy gồm 6000

tế bào quang điện ghi nhận hình ảnh, các tế bào quang điện được đặt vuông góc vớihướng bay do vậy khi vệ tinh chuyển động sẽ ghi được hình ảnh mặt đất trên một dảirộng 60km, nếu chụp phối cảnh 27o thì độ rộng dải quét sẽ là 80km SPOT có khả năngchụp ảnh mặt đất trong dải hành lang 950km song song với quỹ đạo bay Trên vệ tinhSPOT – 4 trang bị thêm máy chụp “thực vật”

Bảng 1.1: Đặc điểm hệ thống máy chụp ảnh vùng nhìn thấy có độ phân giải cao của

Vệ tinh RADARSAT được trang bị máy chụp ảnh Radar SAR 5 (SyntheticAperture Radar) sử dụng kênh C Có khả năng chọn lực phân giải từ 10 m tới 100m vàdải chụp có độ rộng từ 35 km tới 500 km Góc chụp nghiêng trong khoảng từ 200 đến

có thể vẽ đường bình độ những vùng núi cao thường xuyên mây mù bao phủ hoặcnhững thung lũng quanh năm đầy mây mà để chụp ảnh máy bay thì gặp rất nhiều khókhăn

-Vệ tinh phân giải siêu cao QuikBird :

- Vệ tinh này được phóng ngày 24 tháng 9 năm 1999

- Góc nghiêng quỹ đạo: 97.2 

- GSD: khi nghiêng 26 : 0.72m trong dải phổ PAN, 2.88 m trong dải phổ MS

- Độ rộng băng quét: theo dây dọi và nghiêng 26: 16.5 km

- Số pixel trên mỗi hàng: Trên PAN 13 818, trên MS 3 454

- Thời gian vệ tinh đi qua xích đạo: 10:30 a.m

- Thời gian tái quan trắc một điểm: Khoảng 3 ngày

- Độ phân giải bức xạ (radio): 11 bit

Bảng 1.2: Các băng phổ của ảnh đa phổ của ảnh vệ tinh QuikBird.

Band 1 0.45 - 0.52 µm (blue) 2.44 - 2.88 m

Band 2 0.52 - 0.60 µm (green) 2.44 - 2.88 m

Band 3 0.63 - 0.69 µm (red) 2.44 - 2.88 m

Band 4 0.76 - 0.90 µm (near infra-red) 2.44 - 2.88 m

-Vệ tinh phân giải siêu cao IKONOS :

- Vệ tinh này được phóng ngày 18 tháng 10 năm 2001

- Góc nghiêng quỹ đạo : 98.1 

- Vận tốc trên quỹ đạo: 7.5 km/s

- GSD: khi nghiêng 26 : 1.0m trong dải phổ PAN, 4.0 m trong dải phổ MS

- Độ rộng băng quét: Theo dây dọi và nghiêng 26: 11.3 km và 13.8 km

- Số pixel trên mỗi hàng: Trên PAN 27 832, trên MS 6 856.

- Thời gian vệ tinh đi qua xích đạo: 10:30 a.m

- Thời gian tái quan trắc một điểm: Khoảng 3 ngày

- Độ phân giải bức xạ (radio): 11 bit

Bảng 1.3: Các băng phổ của ảnh đa phổ vệ tinh phân giải siêu cao IKONOS.

Hình 1.3: Biểu đồ thể hiện tỷ lệ ứng dụng của viễn thám.

- Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để thành lập bản đồ

- Viễn thám trong nghiên cứu địa chất

- Viễn thám trong nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ mặt đất

- Sử dụng kỹ thuật viễn thám để điều tra và quản lý tài nguyên

- Viễn thám trong nghiên cứu thuỷ văn

- Viễn thám trong nghiên cứu môi trường

- Viễn thám trong nghiên cứu các tai biến tự nhiên

- Viễn thám trong nghiên cứu cảnh quan và cảnh quan ứng dụng

1.1.2 Công nghệ viễn thám trong theo dõi lớp phủ mặt đất.

1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh vệ tinh.

a Cơ sở vật lý.

Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo các thông tin vềđối tượng Viễn thám thu nhận, xử lý các thông tin này, từ các thông tin phổ nhận biết,xác định được các đối tượng Bức xạ điện từ truyền năng lượng điện từ dựa trên các

dao động của trường điện từ trong không gian cũng như trong lòng vật chất Quá trìnhlan truyền này tuân theo định luật Maxwel tại các dải sóng có bước sóng khác nhau

Một số vấn đề vật lý ảnh:

Bề mặt trái đất và các đầu đo viễn thám được ngăn cách bởi bầu khí quyển vàchính khí quyển đó làm biến đổi tín hiệu mà đầu đo viễn thám thu nhận được từ mặttrái đất Nguyên nhân gây nên sự biến đổi này là các nhiễu làm thay đổi một số tínhchất vật lý của sóng điện từ

Độ lớn của các nhiễu này phụ thuộc vào sự hiện diện thực tế của các phân tửkhí và phân tử chất lỏng hoặc chất rắn có trong khí quyển và gây ra ba hiện tượng :hấp thụ, tán xạ và khúc xạ Khí quyển có cấu tạo phân lớp do sự phân bố của các phân

tử biến đổi trong không gian và theo thời gian Điều này làm khí quyển có tác dụngnhư là một tấm màng lọc tác động rất mạnh đến quá trình ghi nhận dữ liệu bằng cácthiết bị viễn thám

Hiện tượng hấp thụ, truyền qua và các cửa sổ khí quyển.

Sự hấp thụ sóng điện từ của khí quyển diễn ra là do có sự biến đổi trạng thái nộitại của các nguyên tử và phân tử trong dải sóng nhìn thấy, hồng ngoại gần và do có sựtồn tại của các trạng thái quay và trạng thái dao động của các phân tử trong dải hồngngoại xa và dải sóng siêu cao tần Các loại khí hấp thụ sóng điện từ trong khí quyểnbao gồm có Oxy (O2), O zôn (O3), hơi nước (H2O), khí cácbonnic (CO2), nitơ (N2), oxítcácbon (CO) và mêtan (CH4) Quá trình hấp thụ sẽ làm giảm tín hiệu trên đường đicủa nó Bức xạ điện từ sẽ bị khí quyển hấp thụ rồi sau đó được phát xạ lại dưới dạngbức xạ nhiệt Sự thay đổi về mặt nhiệt lượng này sẽ tạo ra sự khác biệt về nhiệt độ và

độ ẩm tương đối với các khối không khí ở các kiểu khí hậu khác nhau

Trong viễn thám chúng ta chỉ quan tâm đến khả năng lan truyền và khả năngtán xạ của khí quyển vì các hiện tượng này sẽ tác động mạnh đến tín hiệu mà đầu đoviễn thám sẽ nhận được và làm thay đổi thông tin mà các tín hiệu này cung cấp Khíquyển có một đặc điểm rất quan trọng là có phản ứng khác nhau đối với các bức xạđiện từ có bước sóng khác nhau Đối với các bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn0,35 m (tia cực tím) gần vùng nhìn thấy thì khí quyển là một dạng vật chất chắnsáng và tại các vùng này quá trình lan truyền sẽ không thể xảy ra được

Trong khoảng từ 0,4 m đến gần 14  m, quá trình lan truyền qua khí quyểnlại có thể xảy ra ở một số bước sóng nhất định nằm giữa hai ngưỡng này Trong vùng

từ 14 m đến 1 mm thì khả năng truyền qua của khí quyển lại bị hạn chế một cáchđáng kể Cuối cùng, hệ số truyền qua của khí quyển lại tăng lên ở khoảng từ 1mm đến

8 cm và đạt mức tối đa ở dải sóng siêu cao tần Dưới đây là hình thể hiện các vùng cửa

sổ khí quyển, là những vùng phổ mà vệ tinh không thu nhận được

Hình 1.4: Cửa sổ khí quyển.

Bảng 1.4: Các vùng sóng có cửa sổ khí quyển.

Cửa sổ khí quyển Từ bước sóng Đến bước sóng

VÙNG PHỔ KHÔNG THU ĐƯỢC ẢNH

Cực tím và nhìn thấy 0,35 m 0,75 m

1,0 m1,19 m

0,91 m1,12 m1,34 mHồng ngoại trung bình 1,55 m

2,05 m

1,75 m2,4 mHồng ngoại nhiệt 3,35 m

4,5 m8,0 m10,2 m17,0 m

4,16 m5,0 m9,2 m12,4 m22,0 m

3,0 mm7,5 mm20,0 mm

3,75 mm11,5 mm

và dài hơn

Chỉ trong các vùng bước sóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho

bộ cảm

b Nguyên lý thu nhận hình ảnh

Hình 1.5: Cơ chế thu ảnh quang học.

• Bề mặt quan sát được rời rạc hóa (quantumizing) thành các pixel có kích thướckhác nhau tùy thuộc vệ tinh

• Xung điện từ “tích hợp” phát ra từ từng pixel sẽ đi qua gương quét để đến bộ

tách sóng để tạo ra tín hiệu đơn phổ theo thiết kế của bộ cảm.

• Sau khi được khuyếch đại, tín hiệu đơn phổ thuộc các băng sóng khác nhau sẽđược ghi vào bộ nhớ của vệ tinh dưới dạng mã nhị phân.

• Dữ liệu sẽ được truyền về Trạm thu ảnh

Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện bằng cáccách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Đặc trưngnày sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bềmặt đất Kể cả đối với giải đoán bằng mắt thì việc hiểu biết về đặc trưng phổ của cácđối tượng sẽ cho phép giải thích đựơc mối quan hệ giữa đặc trưng phổ và sắc, tôngmầu trên ảnh tổ hợp mầu để giải đoán đối tượng

2 Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng nghiên cứu.

Thông tin thu được từ các đối tượng trong quá trình chụp ảnh vệ tinh là nhờ sựkhác biệt của phản ứng với sóng điện từ của các đối tượng khác nhau (các phản ứng:phản xạ, hấp thụ, tán xạ sóng điện từ)

Những đối tượng trên mặt đất có thể tổng quát thành ba đối tượng chủ yếu là:Lớp phủ thực vật, đất trồng (cát, đá, các công trình xây dựng) và nước Mỗi loại đốitượng này có mức độ phản xạ khác nhau với sóng điện từ tại các bước sóng khác nhau

Sau đây tóm tắt đặc điểm phổ phản xạ các đối tượng tự nhiên chính trong viễn thám:

Sở dĩ có thể phân biệt được các đối tượng trên là do phổ phản xạ ánh sáng mặttrời của chúng khác nhau, nghĩa là tín hiệu phản xạ do vệ tinh thu được khác nhau ở

từng đối tượng Vì vậy, hình dạng của đường cong phổ phản xạ phụ thuộc rất nhiều

vào tính chất của các đối tượng Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tượng haycủa một nhóm đối tượng cũng rất khác nhau Nhưng về cơ bản chúng dao động xungquanh giá trị trung bình

1 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của thực vật.

2 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của đất khô.

3 - Đường đặc trưng phản xạ phổ của nước

Hình 1.6: Đặc tính phản xạ phổ của một sô đối tượng tự nhiên.

-Đặc tính phản xạ phổ của thực vật:

Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước sóng Trên

đồ thị (hình 1.7) thể hiện đường đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng phản

 Những dải phổ hấp thụ

Hình 1.7: Đặc tính phản xạ phổ của thực vật.

Trong vùng sóng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặctính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin trong lá cây, ngoài ra còn một sốchất sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật.

Hình 1.8: Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nước.

Theo đồ thị trên ta thấy sắc tố hấp thụ bức xạ vùng sóng ánh sáng nhìn thấy và

ở vùng cận hồng ngoại, do trong lá cây có nước nên hấp thụ bức xạ vùng hồng ngoại.Cũng từ đồ thị trên ta có thể thấy khả năng phản xạ phổ của lá xanh ở vùng sóng ngắn

và vùng ánh sáng đỏ là thấp Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ phổ này tương ứngvới hai dải sóng bị clorophin hấp thụ Ở hai dải sóng này, clorophin hấp thụ phần lớnnăng lượng chiếu tới, do vậy năng lượng phản xạ của lá cây không lớn Vùng sóng bịphản xạ mạnh nhất tương ứng với sóng 0,54 tức là vùng sóng ánh sáng lục Do đó lácây tươi được mắt ta cảm nhận có màu lục Khi lá úa hoặc có bệnh, hàm lượngclorophin trong lá giảm đi lúc đó khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị thay đổi và lá cây sẽ

có mầu vàng đỏ

Ở vùng hồng ngoại ảnh hưởng chủ yếu lên khả năng phản xạ phổ của lá cây làhàm lượng nước trong lá Khả năng hấp thụ năng lượng (r) mạnh nhất ở các bước

sóng 1,4; 1,9 và 2,7 Bước sóng 2,7 hấp thụ mạnh nhất gọi là dải sóng cộng

hưởng hấp thụ, ở đây sự hấp thụ mạnh diễn ra đối với sóng trong khoảng từ 2,66

Khi hàm lượng nước trong lá giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của lá cây cũngtăng lên đáng kể

- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi clorophin

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 xạphổ, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt

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

lá là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm trong lá cao, năng lượnghấp thụ là cực đại Ảnh hưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồngngoại đối với khả năng phản xạ phổ là không lớn bằng hàm lượng nướctrong lá

Nước: Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (Blue) và yếu

dần khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (Red) Khi nước bịđục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng Sựthay đổi về tính chất của nước (độ đục, độ mặn, độ sâu, hàm lượng Clorophyl, ) cũngđều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng

Đất khô: Đường cong phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản, ít có

những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hưởng đếntính chất phổ của đất khô phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật Tuy nhiên quyluật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía có bước sóng dài

Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở vùng 1,4; 1,9 và 2,7 m.Bên cạnh đó, trong một vài trường hợp nhất định, khả năng phản xạ của cácđối tượng khác nhau lại giống nhau, đặc biệt là với các đối tượng thực vật Khi đó,chúng ta rất khó hoặc không thể phân biệt được các đối tượng này, nghĩa là bị lẫn Đây

là một trong những hạn chế của ảnh vệ tinh

Thông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng người tathiết kế các thiết bị thu nhận sao cho tại khoảng bước sóng đó các đối tượng có độphản xạ phổ là khác, dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng này

Hiện nay, những thách thức chính mà chúng ta phải đối mặt - bùng nổ dân số, ônhiễm, phá rừng, thiên tai chiếm một không gian địa lý quan trọng

Khi xác định một công việc kinh doanh mới (như tìm một khu đất tốt cho trồngchuối, hoặc tính toán lộ trình tối ưu cho một chuyến xe khẩn cấp), GIS cho phép tạolập bản đồ, phối hợp thông tin, khái quát các viễn cảnh, giải quyết các vấn đề phức tạp,

và phát triển các giải pháp hiệu quả mà trước đây không thực hiện được GIS là mộtcông cụ được các cá nhân, tổ chức, trường học, chính phủ và các doanh nghiệp sửdụng nhằm hướng tới các phương thức mới giải

Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thicác công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ Trước côngnghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết để sử dụng thông tin địa

lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các quyết định

Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô la với sự tham gia củahàng trăm nghìn người trên toàn thế giới GIS được dạy trong các trường phổ thông,trường đại học trên toàn thế giới Các chuyên gia của mọi lĩnh vực đều nhận thức đượcnhững ưu điểm của sự kết hợp công việc của họ và GIS

b Phần mềm.

Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ,phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:

 Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý

 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)

 Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý

 Giao diện đồ hoạ người-máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng

c Dữ liệu.

Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Các dữ liệuđịa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc đượcmua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian vớicác nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ và quản lý

dữ liệu

d Con người.

Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệthống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể lànhững chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùngGIS để giải quyết các vấn đề trong công việc

dữ liệu dạng số được gọi là quá trình số hoá Công nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện

tự động hoàn toàn quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn, nhữngđối tượng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hoá thủ công (dùng bàn số hoá) Ngàynay, nhiều dạng dữ liệu địa lý thực sự có các định dạng tương thích GIS Những dữliệu này có thể thu được từ các nhà cung cấp dữ liệu và được nhập trực tiếp vào GIS

b Thao tác dữ liệu.

Có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng và thao táctheo một số cách để có thể tương thích với một hệ thống nhất định Ví dụ, các thôngtin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (hệ thống đường phốđược chi tiết hoá trong file về giao thông, kém chi tiết hơn trong file điều tra dân số và

có mã bưu điện trong mức vùng) Trước khi các thông tin này được kết hợp với nhau,chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết) Ðây cóthể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầuphân tích Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu khônggian và cho loại bỏ dữ liệu không cần thiết

c Quản lý dữ liệu.

Hình 1.11: Dữ liệu GIS

Ðối với những dự án GIS nhỏ, có thể lưu các thông tin địa lý dưới dạng các fileđơn giản Tuy nhiên, khi kích cỡ dữ liệu trở nên lớn hơn và số lượng người dùng cũngnhiều lên, thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) để giúp choviệc lưu giữ, tổ chức và quản lý thông tin Một DBMS chỉ đơn giản là một phần mềnquản lý cơ sở dữ liệu Có nhiều cấu trúc DBMS khác nhau, nhưng trong GIS cấu trúcquan hệ tỏ ra hữu hiệu nhất Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ ở dạng cácbảng Các trường thuộc tính chung trong các bảng khác nhau được dùng để liên kết cácbảng này với nhau Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và triển khaikhá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS

d Hỏi đáp và phân tích.

Một khi đã có một hệ GIS lưu giữ các thông tin địa lý, có thể bắt đầu hỏi cáccâu hỏi đơn giản như:

- Ai là chủ mảnh đất ở góc phố?

- Hai vị trí cách nhau bao xa?

- Vùng đất dành cho hoạt động công nghiệp ở đâu?

Và các câu hỏi phân tích như:

- Tất cả các vị trí thích hợp cho xây dựng các toà nhà mới nằm ở đâu?

- Kiểu đất ưu thế cho rừng sồi là gì?

- Nếu xây dựng một đường quốc lộ mới ở đây, giao thông sẽ chịu ảnh hưởng nhưthế nào?

GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp đơn giản "chỉ và nhấn" và các công cụ phântích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân tích

e Phân tích liền kề.

- Tổng số khách hàng trong bán kính 10 km khu hàng?

- Những lô đất trong khoảng 60m từ mặt đường?

Ðể trả lời những câu hỏi này, GIS sử dụng phương pháp vùng đệm để xác địnhmối quan hệ liền kề giữa các đối tượng

Hình 1.12: Vùng đệm trong GIS

f Phân tích chồng xếp.

Hình 1.13: Phân lớp thông tin trong mô hình chồng xếp.

Chồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thông tin khác nhau Các thao tác phântích đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết vật lý Sự chồng xếp này,hay liên kết không gian, có thể là sự kết hợp dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật hoặc

sở hữu đất với định giá thuế

g Hiển thị.

Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị tốt nhấtdưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ Bản đồ khá hiệu quả trong lưu giữ và trao đổi thôngtin địa lý GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính nghệ thuật vàkhoa học của ngành bản đồ Bản đồ hiển thị có thể được kết hợp với các bản báo cáo,hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác (đa phương tiện)

4 Các đặc điểm của GIS.

Hệ thống thông tin đầu vào và hệ thống hiển thị thông tin đòi hỏi những đặc thùriêng về độ chính xác

Hình 1.14: Sự thể hiện quang cảnh sự vật dưới các lớp bản đồ khác nhau.

Một hệ thống thông tin địa lý có thể bao gồm các đặc điểm chính sau:

Hình 1.16: Việc chồng lắp các bản đồ theo phương pháp cộng.

Hình 1.17: Một thí dụ trong việc chồng lắp các bản đồ.

b Khả năng phân loại các thuộc tính ( Reclassification).

Một trong những điểm nổi bật trong tất cả các chương trình GIS trong việcphân tích các thuộc tính số liệu thuộc về không gian là khả năng của nó để phân loạicác thuộc tính nổi bật của bản đồ Nó là một quá trình nhằm chỉ ra một nhóm thuộctính thuộc về một cấp nhóm nào đó Một lớp bản đồ mới được tạo ra mang giá trị mới,

mà nó được tạo thành dựa vào bản đồ trước đây

Việc phân loại bản đồ rất quan trọng vì nó cho ra các mẩu khác nhau Một trong

những vùng thích nghi cho việc phát triển đô thị hoặc nông nghiệp mà hầu hết đượcchuyển sang phát triển dân cư Việc phân loại bản đồ có thể được thực hiện trên 1 haynhiều bản đồ.

Hình 1.18: Một thí dụ trong việc phân loại lại một bản đồ.

b Bản đồ và dữ liệu thương mại.

Bao gồm dữ liệu liên quan đến dân số, nhân khẩu, người tiêu thụ, dịch vụthương mại, bảo hiểm sức khoẻ, bất động sản, truyền thông, quảng cáo, cơ sở kinhdoanh, vận tải, tình trạng tội phạm

Hình 1.20: Ví dụ bản đồ và dữ liệu thương mại.

c Bản đồ và dữ liệu môi trường.

Bao gồm các dữ liệu liên quan đến môi trường, thời tiết, sự cố môi trường, ảnh

vệ tinh, địa hình và các nguồn tài nguyên thiên nhiên

Hình 1.21: Ví dụ bản đồ và dữ liệu môi trường.

d Bản đồ tham khảo chung.

Bản đồ thế giới và quốc gia, các dữ liệu làm nền cho các cơ sở dữ liệu riêng

Hình 1.22: Ví dụ bản đồ tham khảo chung.

6 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý.

Hệ thông tin địa lý tìm thấy vị trí đúng của mình trong đại đa số các ngành khoahọc, bởi nó có chức năng bản đồ Chức năng phân tích không gian đều liên quan đếntất cả các ngành khoa học về Trái đất sử dụng dữ liệu địa lý Các chức năng phân tíchthuộc tính liên quan đến các dữ liệu thống kê xã hội học Chức năng liên kết khônggian tìm kiếm hỏi đáp và định vị liên quan đến khoa học quân sự, viễn thám, hàng hải.Muốn có một hệ thông tin cho cơ sở dữ liệu mạnh đòi hỏi phải có sự liên kết và pháttriển phần mềm mạnh và như vậy GIS liên quan trực tiếp đến toán học tin học Vấn đềgiao thông cũng được quản lý bằng GIS Sau đây sẽ nêu sự cần thiết của hệ thông tin

địa lý, tính kinh tế và người sử dụng GIS để qua đó có thể hiểu được GIS có thể đượcứng dụng cụ thể trong ngành nào và với mục đích gì.

GIS tham gia vào việc ghi nhận điều kiện thiên nhiên, tìm ra vùng thích hợp vàtiềm năng GIS được ứng dụng trong quy hoạch và phát triển Vấn đề quy hoạch vàphát triển một khu dân cư mới đòi hỏi về dữ liệu GIS, đặc biệt là các dữ liệu về địahình Các dữ liệu cơ sở hạ tầng với sự trợ giúp của máy tính mà GIS đóng vai trò quantrọng trong việc tổ hợp, thiết kế và tính toán phương án tối ưu Trong nhiều vấn đềnhư: Lắp đặt đường dây, đường ống và cáp ngầm GIS sẽ là công cụ hữu hiệu GISgiúp cho quy hoạch và quản lý giao thông GIS tính toán để tìm ra giải pháp tối ưu để

từ một vị trí cho trước sẽ đi bằng đường nào kinh tế nhất, nhanh nhất đến bất kì địađiểm nào Các dữ liệu GIS được dùng trong quân sự như địa hình số Dữ liệu này phục

vụ hướng dẫn hàng không, mô phỏng đường bay Trong các công việc đó dữ liệu GISnhư ảnh vệ tinh hoặc hệ định vị toàn cầu GPS được sử dụng

GIS là một hệ thông tin đa lĩnh vực Bản thân GIS được hình thành trên nềntảng của các ngành toán học (đặc biệt là toán tin) và địa lý (khoa học, bản đồ) để gắncác đối tượng không gian của thế giới thực, cùng các hiện tượng xảy ra tại một vị tríkhông gian trong một thời điểm (thời gian ) nhất định Như vậy, GIS không phải theonguồn gốc hình thành chỉ để phục vụ trực tiếp hai ngành toán tin và địa lý mà GISđược ứng dụng và là công cụ hữu hiệu được sử dụng trong nhiều ngành nghiên cứu-ứng dụng khác nhau Bản thân chữ địa lý (geographic) ở đây cần phải được hiểu nghĩasâu và rộng là đối tượng không gian trên Trái Đất, được định vị bằng vị trí địa lý củachúng theo một hệ tọa độ quy chiếu dùng cho Trái Đất GIS từ bản thân định nghĩa của

nó là gắn liền với các thực thể không gian được tham chiếu (referenced) với hệ toạ độdùng cho Trái Đất (hệ toạ độ địa lý, UTM hoặc Gauss ) Toán trong GIS đã được ứngdụng rộng vì chính GIS được viết trên ngôn ngữ và các thuật toán không gian logic.Trong GIS, các phép phân tích về không gian và các chức năng phân tích logic(Boolean ) thống kê, nội suy và mô hình không gian được phát huy triệt để Bản thânthực thể bề mặt Trái Đất đã được GIS mô phỏng bằng các chức năng phân tích khônggian như hướng dốc, góc dốc GIS cho phép thể hiện đối tượng không gian mà nónghiên cứu trên một mô hình không gian ba chiều với sự kết hợp hài hòa giữa số liệu

số độ cao của địa hình (DEM) và các ảnh vệ tinh phân giải cao làm nền Như vậy, GIS,

trước hết cho ta dữ liệu số về hiện trạng thế giới thực trên Trái Đất GIS đối với cáclĩnh vực khác sẽ tùy theo mục đích sử dụng và kinh nghiệm về GIS của người sử dụng

mà có thể áp dụng GIS trong từng ngành riêng biệt

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

Trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất, GIS đóng vai trò quan trong trongviệc tập hợp và phân tích cơ sở dữ liệu Mục đích là tổng hợp, hệ thống hóa và thốngnhất nguồn dữ liệu phục vụ cho việc theo dõi đánh giá và dự báo biến động lớp phủ bềmặt

Mặt mạnh của GIS thể hiện qua chức năng phân tích không gian Phân tíchkhông gian thường để tạo thêm các thông tin địa lý bằng cách sử dụng các thông tin đã

có hay phát triển các cấu trúc không gian hoặc mối liên hệ giữa các thông tin địa lý.Trong phân tích biến động lớp phủ thực vật, ta thường dùng một số kỹ thuật sau:

 Tạo thêm thông tin địa lý qua chồng lớp dữ liệu hoặc tạo vùng đệm: Chồng lớp

dữ liệu (Overlay) là một kỹ thuật phổ biến trong phân tích không gian Nhiềulớp dữ liệu được chồng lên nhau theo một phép toán đại số hoặc logic nào đó để

có một dữ liệu mới Tạo vùng đệm là xác định khu vực nằm trong một bán kínhnhất định so đối tượng với một điểm hoặc đường nào đó Thông thường, độ dàicủa bán kính vùng đệm được xác định do ảnh hưởng của điểm hoặc đường tớixung quanh

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

có được kết quả cần thiết

Ngoài ra, để tìm kiếm dữ liệu thỏa mãn một điều kiện đặt ra ta còn sử dụng cácchức năng truy vấn không gian của GIS Có 2 loại truy vấn không gian:

 Truy vấn dữ liệu thuộc tính: Tức là tìm một phân bố không gian hay một vùngthỏa mãn một số điều kiện thuộc tính

 Truy vấn dữ liệu địa lý: Tìm kiếm tất cả các dữ liệu thỏa mãn một điều kiện địa

lý đã cho như vị trí, hình dạng , điểm giao cắt…

Ngoài ra, để tìm kiếm dữ liệu thỏa mãn một điều kiện đặt ra ta còn sử dụngchức năng truy vấn không gian của GIS Có 2 loại truy vấn không gian là truy vấn dữliệu thuộc tính (tức là tìm một phân bố không gian hay một vùng thỏa mãn một số điều

kiện thuộc tính) và truy vấn dữ liệu địa lý (tìm kiếm tất cả các dữ liệu thỏa mãn mộtđiều kiện địa lý đã cho như vị trí, hình dạng, hay điểm giao cắt,…)

Việc tìm kiếm và phân tích dữ liệu phụ thuộc vào khả năng liên kết hai kiểu dữliệu này Khả năng liên kết càng lớn thì việc tìm kiếm và phân tích dữ liệu càng hiệuquả Người sử dụng có thể truy nhập dữ liệu bảng thuộc tính thông qua bản đồ hoặc cóthể tạo ra bản đồ thông qua dữ liệu bảng Để truy cập và hiển thị dữ liệu này, máy tínhcần phải lưu trữ cả dữ liệu dạng bảng và dữ liệu đồ họa theo khuôn dạng có tổ chức và

có thể tìm kiếm được

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIẾN

ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT

2.1 KHÁI QUÁT LỚP PHỦ MẶT ĐẤT VÀ NHỮNG BIẾN ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ MẶT ĐẤT

2.1.1 Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất.

1 Khái niệm lớp phủ mặt đất.

Lớp phủ mặt đất là trạng thái vật chất của bề mặt trái đất, là sự kết hợp củanhiều thành phần như thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc, mặt nước… chịu sự tác động củacác nhân tố tự nhiên như nắng, gió, mưa bão và nhân tạo như khai thác đất trồng trọt,xây dựng nhà cửa, công trình phục vụ cuộc sống của con người Sự kết hợp này tạo ralớp phủ mặt đất phong phú đa dạng nhưng nhìn tổng thể lớp phủ mặt đất chia ra làm 2nhóm chính là mặt đất và mặt nước

Mặt nước gồm có nước lục địa như hệ thống sông, suối, kênh mương, hồ ao vànước đại dương Biển phủ trùm phần lớn diện tích bề mặt trái đất, phần diện tích ít hơn

là mặt đất nhưng lại là nơi tập trung hầu hết những hoạt động của con người cũng nhưnhiều loài sinh vật khác trên trái đất và là nơi đang biến đổi từng ngày, từng giờ,những hoạt động đó đã tạo nên sự phong phú của loại hình lớp phủ mặt đất Lớp phủmặt đất như thực phủ gồm cỏ, cây bụi, rừng, đất canh tác đang có cây sinh trưởng…,dân cư đô thị, nông thôn, mạng lưới giao thông, khu công nghiệp, thương mại và cácđối tượng đất chuyên dùng khác, các vùng đất trống, đồi núi trọc, cồn cát, bãi cát…Trong đó chiếm phần diện tích chủ yếu của lớp phủ mặt đất chính là lớp phủ thực vật

Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng củachúng lại có sự tương quan mật thiết Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử dụngđất và các hoạt động kinh tế- xã hội xảy ra trên mặt đất, những hoạt động này là sự tácđộng trực tiếp lên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụng đất cũng là đốitượng của lớp phủ mặt đất Ví dụ như đất đô thị và đất nông nghiệp Một số loại hình

sử dụng đất khác như công viên theo góc độ lớp phủ bao gồm: Thảm cỏ , rừng cây haycác công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ phân loại lớp phủ mặt đất hiệnhành đều phải xét đến khía cạnh sử đất và đưa vào loại hình lớp phủ nhân tạo có thựcphủ