Chiết tách bề mặt không thấm từ tư liệu viễn thám đa thời gian nhằm nghiên cứu quá trình mở rộng đô thị quận Hoàng Mai, Hà Nội

MỤC LỤC TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 7 CHƯƠNG 1: 9 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM TRONG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ HÀ NỘI 9 1.1.Những vấn đề chung về bề mặt không thấm 9 1.1.1. Khái niệm, đặc điểm 9 1.1.2. Các nguyên nhân và ảnh hưởng của quá trình biến động bề mặt không thấm tới môi trường 10 1.2. Các phương pháp xác định bề mặt không thấm 13 1.2.1. Phương pháp đo đạc truyền thống 13 1.2.2. Phương pháp đo đạc trên ảnh hàng không 13 1.2.3. Phương pháp đo đạc trên ảnh viễn thám 14 1.3. Xu hướng gia tăng bề mặt không thấm quận Hoàng Mai 15 1.3.1. Vị trí địa lý khu vực quận Hoàng Mai 15 1.3.2. Tình hình kinh tế xã hội 15 1.3.3. Hiện trạng bề mặt không thấm 16 Kết luận chương 1…………………………………………………………………….17 CHƯƠNG 2 17 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 17 CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 17 2.1. Tổng quan về viễn thám 17 2.1.1. Định nghĩa 17 2.1.2. Cơ sở khoa học về viễn thám 18 2.1.3. Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 19 2.1.4. Đặc điểm dữ liệu ảnh viễn thám 23 2.1.5. Một số vệ tinh viễn thám cơ bản 25 2.2. Ứng dụng tư liệu viễn thám trong xác định bề mặt không thấm 30 2.2.1. Phân loại bằng mắt 31 2.2.2. Phân loại ảnh vệ tinh bằng phương pháp xử lý số 34 2.2.3. So sánh hai phương pháp phân loại định hướng đối tượng và phân loại dựa trên pixel 40 Kết luận chương 2……………………………………………………………………36 CHƯƠNG 3 41 ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA QUẬN HOÀNG MAI HÀ NỘI TỪ CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 41 3.1. Dữ liệu thực nghiệm 41 3.1.1. Tư liệu sử dụng 41 3.1.2. Đặc điểm của dữ liệu ảnh sử dụng 42 3.1.3. Dữ liệu khác 43 3.2. Xây dựng bảng chú giải 43 3.3. Quy trình nghiên cứu 45 3.3.1. Tiền xử lý ảnh 46 3.3.2. Phân loại ảnh 47 3.3.3. Kiểm tra độ chính xác phân loại ảnh vệ tinh 52 3. 4. Xây dựng bản đồ hiện trạng bề mặt không thấm 57 3.5. Thành lập bản đồ biến động bề mặt không thấm 59 3.6. Đánh giá quá trình mở rộng đô thị Quận Hoàng Mai Hà Nội ………………… 52 Kết luận chương 3…………………………………………………………………….54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Tr ườ ng Đ i h c M - Đ a ch t Đ án t t ạ ọ ỏ ị ấ ồ ố

nghi p ệ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: 12

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM TRONG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ HÀ NỘI 12

1.1 N HỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM 12 1.1.1 K HÁI NIỆM , ĐẶC ĐIỂM 12 1.1.2 C ÁC NGUYÊN NHÂN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM TỚI MÔI TRƯỜNG 13 1.2 C ÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BỀ MẶT KHÔNG THẤM 16 1.2.1 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRUYỀN THỐNG 16 1.2.2 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRÊN ẢNH HÀNG KHÔNG 17 1.2.3 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRÊN ẢNH VIỄN THÁM 17 1.3 X U HƯỚNG GIA TĂNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM QUẬN H OÀNG M AI 18 1.3.1 V Ị TRÍ ĐỊA LÝ KHU VỰC QUẬN H OÀNG M AI 18 1.3.2 T ÌNH HÌNH KINH TẾ XÃ HỘI 19 1.3.3 H IỆN TRẠNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM 19 CHƯƠNG 2 21

TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 21

CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 21

2.1 T ỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM 21 2.1.1 Đ ỊNH NGHĨA 21 2.1.2 C Ơ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỄN THÁM 21 2.1.3 Đ ẶC ĐIỂM PHẢN XẠ PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN 22 2.1.4 Đ ẶC ĐIỂM DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM 27 2.1.5 M ỘT SỐ VỆ TINH VIỄN THÁM CƠ BẢN 29 2.2 Ứ NG DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH BỀ MẶT KHÔNG THẤM 34 2.2.1 P HÂN LOẠI BẰNG MẮT 35 2.2.2 P HÂN LOẠI ẢNH VỆ TINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ 38 2.2.3 Đ ÁNH GIÁ CÁC ĐIỀU KIỆN THỨC TẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI PHÙ HỢP 42 CHƯƠNG 3 43

ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA QUẬN HOÀNG MAI, HÀ NỘI TỪ CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 43

3.1 D Ữ LIỆU THỰC NGHIỆM 43 3.1.1 T Ư LIỆU SỬ DỤNG 43 3.1.2 Đ ẶC ĐIỂM CỦA DỮ LIỆU ẢNH SỬ DỤNG 44 3.1.3 D Ữ LIỆU KHÁC 45 3.2 X ÂY DỰNG BẢNG CHÚ GIẢI 45 3.3 Q UY TRÌNH NGHIÊN CỨU 47 3.3.1 T IỀN XỬ LÝ ẢNH 47 3.3.2 P HÂN MẢNH ẢNH VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG ĐỐI TƯỢNG ẢNH 49 3.3.4 K IỂM TRA ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI ẢNH VỆ TINH 54 BẢNG 3.3.2: BẢNG MA TRẬN LẪN 2009 58

Tr ườ ng Đ i h c M - Đ a ch t Đ án t t ạ ọ ỏ ị ấ ồ ố

nghi p ệ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI CẢM ƠN 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: 12

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM TRONG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ HÀ NỘI 12

1.1 N HỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM 12 1.1.1 K HÁI NIỆM , ĐẶC ĐIỂM 12 1.1.2 C ÁC NGUYÊN NHÂN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM TỚI MÔI TRƯỜNG 13 Hình1.1: Nguyên nhân chính làm gia tăng bề mặt không thấm 13

Hình1.2: Ảnh hưởng của bề mặt không thấm đến môi trường đô thị 14

1.2 C ÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BỀ MẶT KHÔNG THẤM 16 1.2.1 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRUYỀN THỐNG 16 1.2.2 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRÊN ẢNH HÀNG KHÔNG 17 1.2.3 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRÊN ẢNH VIỄN THÁM 17 1.3 X U HƯỚNG GIA TĂNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM QUẬN H OÀNG M AI 18 1.3.1 V Ị TRÍ ĐỊA LÝ KHU VỰC QUẬN H OÀNG M AI 18 Hình1.3: Ranh giới quận Hoàng Mai 18

1.3.2 T ÌNH HÌNH KINH TẾ XÃ HỘI 19 1.3.3 H IỆN TRẠNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM 19 CHƯƠNG 2 21

TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 21

CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 21

2.1 T ỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM 21 2.1.1 Đ ỊNH NGHĨA 21 2.1.2 C Ơ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỄN THÁM 21 Hình 2.1: Mô hình nguyên tắc hoạt động của viễn thám 22

2.1.3 Đ ẶC ĐIỂM PHẢN XẠ PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN 22 Hình 2.2: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng 23

Hình 2.4: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng chính trong đô thị 25

Hình 2.5: Đường cong phản xạ phổ của thực vật 26

2.1.4 Đ ẶC ĐIỂM DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM 27 Hình 2.6: Độ phân giải không gian 28

Hình 2.7: Độ phân giải phổ 28

Hình 2.8: Phân giải thời gian 29

2.1.5 M ỘT SỐ VỆ TINH VIỄN THÁM CƠ BẢN 29 Hình 2.9: Ảnh vệ tinh Spot 30

Hình 2.10: Hình vệ tinh Landsat và ảnh chụp được 32

Hình 2.11: Vệ tinh QuickBird 33

2.2 Ứ NG DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH BỀ MẶT KHÔNG THẤM 34 2.2.1 P HÂN LOẠI BẰNG MẮT 35 Hình 2.12: Kích thước và hình dạng của nhà là khác nhau: nhà ở, sân vận động, sân tennis, bụi cây… 36

Hình 2.13: Bóng của đối tượng 36

Hình 2.14: Độ đậm nhạt và màu sắc của: nước biển, nước hồ, rừng… 37

Hình 2.15: Cấu trúc mịn của nước biển và cỏ, cấu trúc thô của cây 37

Hình 2.16: Hình mẫu đều của nhà trong khu dân cư, hình mẫu không đều của cây trong công viên và dọc đường giao thông 38

Hình 2.17: Chiều cao, vị trí, sự kết hợp 38

Tr ườ ng Đ i h c M - Đ a ch t Đ án t t ạ ọ ỏ ị ấ ồ ố

nghi p ệ

CHƯƠNG 3 43

ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA QUẬN HOÀNG MAI, HÀ NỘI TỪ CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 43

3.1 D Ữ LIỆU THỰC NGHIỆM 43 3.1.1 T Ư LIỆU SỬ DỤNG 43 Hình 3.1: Dữ liệu ảnh 2 năm: (a) Năm 2003; (b) Năm 2009 44

3.1.2 Đ ẶC ĐIỂM CỦA DỮ LIỆU ẢNH SỬ DỤNG 44 3.1.3 D Ữ LIỆU KHÁC 45 3.2 X ÂY DỰNG BẢNG CHÚ GIẢI 45 3.3 Q UY TRÌNH NGHIÊN CỨU 47 Hình3.2: Sơ đồ quy trình thực hiện 47

3.3.1 T IỀN XỬ LÝ ẢNH 47 3.3.2 P HÂN MẢNH ẢNH VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG ĐỐI TƯỢNG ẢNH 49 Hình 3.4: Tăng cường chất lượng ảnh để việc khảo sát đạt hiệu quả tốt nhất 50

Hình 3.5: Thiết kế thông số phân mảnh cho các đối tượng 50

Hình 3.6: Thiết kế các lớp cho các đối tượng cần khảo sát 51

3.3.3.Phân loại theo định hướng đối tượng 51

Hình 3.7: Sử dụng các chỉ số của đất, nước, thực vật để chiết tách các đối tượng riêng biệt với nhau 52

Hình 3.8: Kết quả phân loại tự động theo các đối tượng trên phần mềm eCognition 54

Hình 3.9: so sánh kết quả phân loại tự động so với ảnh thực tế khi chỉnh sửa bằng tay 54

3.3.4 K IỂM TRA ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI ẢNH VỆ TINH 54 Hình 3.10: Một số hình ảnh ngoài thực địa : (a) – khu đô thị mới Linh Đàm, (b) – hồ Linh Đàm, (c)-đường Định Công Thượng 56

BẢNG 3.3.2: BẢNG MA TRẬN LẪN 2009 58

3 4 K ẾT QUẢ BẢN ĐỒ PHÂN BỐ BỀ MẶT KHÔNG THẤM Q UẬN H OÀNG M AI - H À N ỘI 60 Hình 3.11: Bản đồ hiện trạng bề mặt không thấm năm 2003 60

61

Hình 3.11: Bản đồ hiện trạng bề mặt không thấm năm 2009 61

3.5 T HÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM 61 Hình 3.14.1 Biểu đồ biến động bề mặt quận Hoàng Mai giai đoạn năm 2003 - 2009 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

1 K ẾT LUẬN 65 2 K IẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Tr ườ ng Đ i h c M - Đ a ch t Đ án t t ạ ọ ỏ ị ấ ồ ố

nghi p ệ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI CẢM ƠN 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: 12

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM TRONG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ HÀ NỘI 12

1.1 N HỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM 12 1.1.1 K HÁI NIỆM , ĐẶC ĐIỂM 12 1.1.2 C ÁC NGUYÊN NHÂN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM TỚI MÔI TRƯỜNG 13 Hình1.1: Nguyên nhân chính làm gia tăng bề mặt không thấm 13

Hình1.2: Ảnh hưởng của bề mặt không thấm đến môi trường đô thị 14

1.2 C ÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BỀ MẶT KHÔNG THẤM 16 1.2.1 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRUYỀN THỐNG 16 1.2.2 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRÊN ẢNH HÀNG KHÔNG 17 1.2.3 P HƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TRÊN ẢNH VIỄN THÁM 17 1.3 X U HƯỚNG GIA TĂNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM QUẬN H OÀNG M AI 18 1.3.1 V Ị TRÍ ĐỊA LÝ KHU VỰC QUẬN H OÀNG M AI 18 Hình1.3: Ranh giới quận Hoàng Mai 18

1.3.2 T ÌNH HÌNH KINH TẾ XÃ HỘI 19 1.3.3 H IỆN TRẠNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM 19 CHƯƠNG 2 21

TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 21

CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 21

2.1 T ỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM 21 2.1.1 Đ ỊNH NGHĨA 21 2.1.2 C Ơ SỞ KHOA HỌC VỀ VIỄN THÁM 21 Hình 2.1: Mô hình nguyên tắc hoạt động của viễn thám 22

2.1.3 Đ ẶC ĐIỂM PHẢN XẠ PHỔ CỦA CÁC ĐỐI TƯỢNG TỰ NHIÊN 22 Hình 2.2: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng 23

Hình 2.4: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng chính trong đô thị 25

Hình 2.5: Đường cong phản xạ phổ của thực vật 26

2.1.4 Đ ẶC ĐIỂM DỮ LIỆU ẢNH VIỄN THÁM 27 Hình 2.6: Độ phân giải không gian 28

Hình 2.7: Độ phân giải phổ 28

Hình 2.8: Phân giải thời gian 29

2.1.5 M ỘT SỐ VỆ TINH VIỄN THÁM CƠ BẢN 29 Hình 2.9: Ảnh vệ tinh Spot 30

Bảng 2.1: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT 5 30

Hình 2.10: Hình vệ tinh Landsat và ảnh chụp được 32

Bảng 2.2: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh Landsat TM, ETM, OLI 32

Hình 2.11: Vệ tinh QuickBird 33

Bảng 2.3: Một số thông số các kênh phổ của ảnh IKONOS 34

2.2 Ứ NG DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH BỀ MẶT KHÔNG THẤM 34 2.2.1 P HÂN LOẠI BẰNG MẮT 35 Hình 2.12: Kích thước và hình dạng của nhà là khác nhau: nhà ở, sân vận động, sân tennis, bụi cây… 36

Hình 2.13: Bóng của đối tượng 36

Hình 2.14: Độ đậm nhạt và màu sắc của: nước biển, nước hồ, rừng… 37

Tr ườ ng Đ i h c M - Đ a ch t Đ án t t ạ ọ ỏ ị ấ ồ ố

nghi p ệ

Hình 2.15: Cấu trúc mịn của nước biển và cỏ, cấu trúc thô của cây 37

Hình 2.16: Hình mẫu đều của nhà trong khu dân cư, hình mẫu không đều của cây trong công viên và dọc đường giao thông 38

Hình 2.17: Chiều cao, vị trí, sự kết hợp 38

2.2.2 P HÂN LOẠI ẢNH VỆ TINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ 38 2.2.3 Đ ÁNH GIÁ CÁC ĐIỀU KIỆN THỨC TẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI PHÙ HỢP 42 CHƯƠNG 3 43

ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA QUẬN HOÀNG MAI, HÀ NỘI TỪ CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 43

3.1 D Ữ LIỆU THỰC NGHIỆM 43 3.1.1 T Ư LIỆU SỬ DỤNG 43 Hình 3.1: Dữ liệu ảnh 2 năm: (a) Năm 2003; (b) Năm 2009 44

3.1.2 Đ ẶC ĐIỂM CỦA DỮ LIỆU ẢNH SỬ DỤNG 44 Bảng 3.1: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT 5 45

3.1.3 D Ữ LIỆU KHÁC 45 3.2 X ÂY DỰNG BẢNG CHÚ GIẢI 45 Bảng 3.2 Hệ thống chú giải lớp phủ bề mặt khu vực quận Hoàng Mai, Hà Nội 46

3.3 Q UY TRÌNH NGHIÊN CỨU 47 Hình3.2: Sơ đồ quy trình thực hiện 47

3.3.1 T IỀN XỬ LÝ ẢNH 47 3.3.2 P HÂN MẢNH ẢNH VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG ĐỐI TƯỢNG ẢNH 49 Hình 3.4: Tăng cường chất lượng ảnh để việc khảo sát đạt hiệu quả tốt nhất 50

Hình 3.5: Thiết kế thông số phân mảnh cho các đối tượng 50

Hình 3.6: Thiết kế các lớp cho các đối tượng cần khảo sát 51

3.3.3.Phân loại theo định hướng đối tượng 51

Hình 3.7: Sử dụng các chỉ số của đất, nước, thực vật để chiết tách các đối tượng riêng biệt với nhau 52

Hình 3.8: Kết quả phân loại tự động theo các đối tượng trên phần mềm eCognition 54

Hình 3.9: so sánh kết quả phân loại tự động so với ảnh thực tế khi chỉnh sửa bằng tay 54

3.3.4 K IỂM TRA ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI ẢNH VỆ TINH 54 Hình 3.10: Một số hình ảnh ngoài thực địa : (a) – khu đô thị mới Linh Đàm, (b) – hồ Linh Đàm, (c)-đường Định Công Thượng 56

BẢNG 3.3.2: BẢNG MA TRẬN LẪN 2009 58

Bảng 3.4: Bảng kết quả đánh giá độ chính xác kết quả phân loại 59

3 4 K ẾT QUẢ BẢN ĐỒ PHÂN BỐ BỀ MẶT KHÔNG THẤM Q UẬN H OÀNG M AI - H À N ỘI 60 Hình 3.11: Bản đồ hiện trạng bề mặt không thấm năm 2003 60

61

Hình 3.11: Bản đồ hiện trạng bề mặt không thấm năm 2009 61

Bảng 3.5: Diện tích bề mặt lớp phủ được chiết tách từ kết quả phân loại ảnh vệ tinh 61

3.5 T HÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG THẤM 61 Hình 3.14.1 Biểu đồ biến động bề mặt quận Hoàng Mai giai đoạn năm 2003 - 2009 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

1 K ẾT LUẬN 65 2 K IẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của Khoa Trắc địa Trường đại học Mỏ - Địa chất, sự đồng ý

của Giáo viên ThS.Phạm Thị Làn nhóm sinh viên đã thực hiện đề tài “Chiết tách bề mặt không thấm từ tư liệu viễn thám đa thời gian nhằm nghiên cứu quá trình mở rộng đô thị quận Hoàng Mai, Hà Nội”

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn sựgiúp đỡ của các cán bộ thuộc phòng Công nghệ Viễn thám, GIS & GPS thuộc việnCông nghệ vũ trụ Việt Nam

Xin chân thành cảm ơn Giáo viên hướng dẫn ThS.Phạm Thị Làn, cùng các thầy

cô trong Bộ môn trắc địa Mỏ đã giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình học tập cũng nhưthời gian thực hiện đề tài

Mặc dù sinh viên đã cố gắng thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất nhưng

do thời gian thực hiện có hạn, hạn chế trong việc tiếp cận với thực tế sản xuất cũngnhư hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm chuyên môn nên không thể tránh khỏinhững thiếu sót nhất định Nhóm sinh viên rất mong nhận được sự đóng góp của quýThầy, Cô giáo và các bạn sinh viên để đề tài của tôi hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bề mặt không thấm là các bề mặt do con người tạo ra, bao gồm các loại bề mặtngăn chặn quá trình nước không thể xâm nhập vào đất, chẳng hạn như đường giaothông, vỉa hè, bãi đậu xe, mái nhà, v.v Trong những năm gần đây, bề mặt không thấm

đã nổi lên không chỉ là một chỉ số về mức độ đô thị hóa, mà còn là một chỉ số chính vềchất lượng môi trường Sự gia tăng bề mặt không thấm sẽ dẫn đến sự gia tăng về quy

mô, thời gian và cường độ của dòng chảy đô thị Gia tăng biện tích bề mặt không thấm

sẽ tác động và gây ô nhiễm nguồn nước, bao gồm các tác nhân gây bệnh, các chất độchại gây ô nhiễm nước mặt và nước ngầm Ngoài ra, sự gia tăng này cũng sẽ làm giảmdiện tích thảm thực vật trong các khu đô thị Sự xuất hiện với mức độ dày đặc trênkhông gian của bề mặt không thấm có thể ảnh hưởng đáng kể đến khí hậu đô thị bằng

cách thay đổi luồng nhiệt hợp lý và tiềm ẩn nguy cơ gây gia tăng nhiệt độ đô thị dẫnđến hiện tượng đảo nhiệt tại các đô thị Do đó, bề mặt không thấm hiện đang là mộtchủ đề nghiên cứu thống nhất cho tất cả những người tham gia ở tất cả các lĩnh vực,bao gồm cả các nhà hoạch định chính sách, các kỹ sư, kiến trúc sư cảnh quan, các nhàkhoa học xã hội, các nhà khoa học tự nhiên và các quan chức địa phương Bởi vì, cácbản đồ phân bố không gian của khu vực bề mặt không thấm từ các nghiên cứu cungcấp đầu vào hữu ích cho các hoạt động lập kế hoạch và quản lý tại các thành phố vớiquy mô cấp khu vực

Vì vậy, việc lựa chọn một phương pháp và một thuật toán tối ưu để chiết táchchính xác bề mặt không thấm từ dữ liệu viễn thám được đặt ra, đặc biệt việc chiết táchcác bề mặt không thấm dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT, một loại dữ liệu có độ phângiải không gian lớn và độ phân giải thời gian ngắn phù hợp để nghiên cứu những yếu

tố môi trường trên bề mặt đất.Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tìm hiểu và lựa chọnphương pháp phân loại theo hướng đối tượng sử dụng phần mềm eCognition để chiếttách bề mặt không thấm từ ảnh vệ tinh SPOT ở khu vực quận Hoàng Mai, Hà Nội

2 Mục tiêu đề tài

Phân tích quá trình đô thị hóa ở quận Hoàng Mai-Hà Nội dựa trên cơ sở chiết táchcác thông tin bề mặt không thấm

3 Nhiệm vụ của đề tài

- Thu thập dữ liệu khu vực quận Hoàng Mai (vị trí địa lý, tình hình kinh tế xãhội, dân cư…)

- Thu thập tài liệu về bản đồ nền, ảnh viễn thám của khu vực quận Hoàng Mai

- Tổng quan các vấn đề chung về bề mặt không thấm cũng như những tác độngcủa bề mặt không thấm tới môi trường đô thị

- Tổng quan về các phương pháp phân loại ảnh viễn thám hiện nay (đặc điểm,

ưu nhược điểm của từng phương pháp …)

- Thực nghiệm các phương pháp phân loại và kiểm chứng các kết quả phân loại

- Đánh giá, phân tích quá trình đô thị hóa từ việc xác định biến động bề mặtkhông thấm khu vực quận Hoàng Mai-Hà Nội giai đoạn 2003-2009

4 Giới hạn đề tài

Phạm vi không gian: Giới hạn khu vực nghiên cứu là lãnh thổ hành chính quậnHoàng Mai-Hà Nội

Phạm vi thời gian: Từ năm 2003 đến năm 2009

5 Phương pháp nghiên cứu

Phân loại ảnh viễn thám bằng phương pháp phân loại định hướng đối tượng (sửdụng phần mềm eCognition)

6 Ý nghĩa của đề tài

Trong phương pháp phân loại định hướng đối tượng, việc tính đếm đến bốicảnh là rất quan trọng, các đối tượng có cùng đặc trưng bức xạ lại có thể có ý nghĩachuyên đề khác nhau tùy thuộc vào bối cảnh Có hai loại bối cảnh: Bối cảnh tổng thể

và bối cảnh cục bộ Bối cảnh thổng thể giúp mô tả khung cảnh thu nhận ảnh và bốicảnh cục bộ mô tả mối quan hệ qua lại giữa các đối tượng với nhau Với phương phápphân loại định hướng đối tượng thì sự nhận biết đối tượng bằng mắt thường là quantrọng vì căn cứ vào các nhận định về bối cảnh mà người giải đoán sẽ quyết định cácthông số sử dụng trong phân loại Để có được các thông tin về bối cảnh thì các khuvực trên ảnh phải được đặt vào một số quan hệ

CHƯƠNG 1:

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ BỀ MẶT KHÔNG THẤM TRONG KHÔNG GIAN

ĐÔ THỊ HÀ NỘI 1.1 Những vấn đề chung về bề mặt không thấm

1.1.1 Khái niệm, đặc điểm

Tính không thấm nước (gọi tắt là tính không thấm) là đơn vị vật lý được đặctrưng bởi sự đóng kín bề mặt từ các vật liệu xây dựng và ngăn cản sự thẩm thấu nướcvào trong lòng đất (Barnes, Morgan và Roberge et al., 2001) Đây là yếu tố chỉ thị rấthữu ích dùng để tính tác động của phát triển đất đai lên cảnh quan, tính chất nàythường được thể hiện dưới các dạng bề mặt không thấm

Trong những năm gần đây, bề mặt không thấm được biết đến như là một chỉ sốchính để nhận dạng quá trình đô thị hóa và cường độ phát triển đô thị cũng như sự pháttriển đô thị bền vững và quy hoạch nguồn tài nguyên thiên nhiên Dưới đây là một sốkhái niệm định nghĩa về bề mặt không thấm

Theo Dougherty et al.,2004 : “Bề mặt không thấm nước bao gồm các mái củacác tòa nhà, đường phố đường cao tốc, vỉa hè, bãi đỗ xe mà nước không thể xâm nhập,trực tiếp ảnh hưởng đến lượng dòng chảy làm cho suối, hồ, ao và điểm bắt đầu ônhiễm và thẩm mỹ cảnh quan.”

“Bề mặt không thấm là bất kỳ bề mặt nào mà nước không thể xâm nhập vàođất, chẳng hạn như đường giao thông, đường lái xe vào, vỉa hè, bãi đậu xe, mái nhà.Trong những năm gần đây, bề mặt không thấm nước đã nổi lên không chỉ là một chỉ số

về mức độ đô thị hóa , mà còn là một chỉ số chính về chất lượng môi trường” theoArnold và Gibbons, 1996

“Là những bề mặt không cho nước xâm nhập vào đất, bề mặt không thấm chủyếu là các loại hình phục vụ cho giao thông (đường phố, đường cao tốc, bãi đỗ xe, vỉahè) Và mái của các tòa nhà đại diện cho sự phát triển của cảnh quan.” theo civco et.2002

Như vậy từ các định nghĩa trên ta có thể thấy bề mặt không thấm là các bề mặtcứng ngăn cản cũng như làm hạn chế sự xâm nhập của nước vào trong đất khiến chonước chảy tràn trên bề mặt với lượng rất lớn hoặc với tỷ lệ dòng chảy cao Các mặtkhông thấm là các mặt xây dựng như mái nhà, lối đi bộ, đường giao thông, bãi đỗ, kho

chứa được phủ bởi các vật liệu không thấm như nhựa đường, bê tông và đá.

1.1.2 Các nguyên nhân và ảnh hưởng của quá trình biến động bề mặt không thấm tới môi trường

- Các nguyên nhân gây gia tăng các bề mặt không thấm

Mặt không thấm là mặt nhân tạo, được xem là yếu tố chỉ thị về môi trường bởi

vì có liên quan đến việc xây dựng lên chúng Quá trình đô thị hóa mở rộng không gian

đô thị ở Hà Nội nói riêng và trên cả nước nói chung dẫn đến sự gia tăng các bề mặtkhông thấm Dưới đây là một số nguyên nhân tiêu biểu dẫn đến sự gia tăng bề mặtkhông thấm

Hình1.1: Nguyên nhân chính làm gia tăng bề mặt không thấm

Sự gia tăng dân số dẫn đến nhu cầu về nhà ở của người dân tăng cao Để đápứng nhu cầu đó đòi hỏi việc phải xây dựng nhà ở, mở rộng các khu dân cư, các khu đôthị Việc xây dựng các khu dân cư, nhà ở cho người dân làm gia tăng các bề mặt khôngthấm như bê tông, nhựa, sỏi, đá…

- Ảnh hưởng của quá trình biến động bề mặt không thấm đến môi trường đô thị.Liên quan đến môi trường đô thị, tác động của các mặt không thấm đa dạng vàliên kết với nhau Rất quan trọng và cần thiết khi xem xét các tác động này trong các

dự án tăng trưởng dân số và kiểm soát sự phát triển bành trướng đô thị, bảo vệ đất đainông nghiệp và các dự án môi trường tương tự khác Sự gia tăng lên về diện tích các

bề mặt không thấm gây nên nhiều ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của môi trường nhưcảnh quan, khí hậu đô thị và nguồn tài nguyên nước và ảnh hưởng trực tiếp đến cuộcsống của mỗi chúng ta Chúng được thể hiện ở những điểm sau:

Gia tăng dân số

Công nghiệp hóa- hiện đại hóa

Gia tăng bề mặt không thấmPhát triển

Hình1.2: Ảnh hưởng của bề mặt không thấm đến môi trường đô thị

Các bề mặt không thấm trực tiếp ảnh hưởng đến dòng chảy nước mưa và chấtlượng nước Hơn nữa, các phản ứng nhiệt độ và đặc tính phản quang của bề mặt khôngthấm được liên kết với "đảo nhiệt đô thị" có hiệu lực, mà ảnh hưởng đến cuộc sống vàsức khỏe con người vì những thay đổi trong dòng nhiệt hợp lý và nồng độ của ô nhiễmkhông khí Gia tăng bề mặt không thấm cũng dẫn đến sự thay đổi kịch tính về thẩm

mỹ của cảnh quan môi trường sống Cho thấy sự thay đổi từ phong cảnh sống tự nhiên,nông thôn thành các khu vực đô thị Đây có thể là thước đo cho sự mở rộng, phát triển

Tác động đến chất lượng nước:

Các bề mặt không thấm ngăn cả sự thâm nhập của nước vào trong đất dẫn đếnviệc tích tụ lại của nước trong các khu vực trũng Đồng thời trong đó cũng bao hàmmột lượng lớn các chất thải, hóa chất, các chất gây ô nhiễm môi trường(chất gây ônhiễm thông thường: chất dinh dưỡng, vi khuẩn, các chất hữu cơ Hay như các kim

Sự thay đổi định

lượng nước mặt

Thay đổi về chất lượng nước mặtGia tăng bề

mặt không thấmSuy thoái, mất mát,

và chia cắt môi

trường sống

Thay đổi để cân đối năng lượng địa phương và vi khí hậu (Tăng nhiệt độ đô thị)Thay đổi sông

suối và cảnh quan thẩm mỹ

loại nặng và các chất độc hại khác như xăng dầu theo Clark, 1985; Whipple, 1977).Khi mưa lớn các chất này cũng theo dòng chảy trên các bề mặt không thấm chảy rasông ngòi, kênh rạch, ao hồ dẫn đến việc ô nhiễm suy giảm sinh học, hóa học, và đặctính vật lý của các hồ, suối, và cửa sông tiếp nhận nước thải đô thị

Thay đổi cân bằng năng lượng và vi khí hậu:

Do sự phát triển thay đổi đất từ rừng, đồng cỏ, và đất canh tác sang thành các bềmặt không thấm nước, cân bằng giữa năng lượng mặt trời bị hấp thụ ở bề mặt và nănglượng trên mặt đất phản xạ cũng được thay đổi Bức xạ mặt trời truyền đến bề mặt tráiđất được phản xạ, hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt hợp lý hoặc sử dụng trong quátrình bốc hơi Điều quan trọng cần lưu ý là không khí được làm nóng chủ yếu bởi nănglượng tỏa ra khỏi bề mặt của trái đất và không phải bằng cách làm nóng năng lượngmặt trời trực tiếp Do đó vật liệu ảnh hưởng đến lượng phản xạ hoặc hấp thụ, và cũngảnh hưởng đến dòng chảy của nhiệt từ bề mặt vào khí quyển

Làm thoái hóa, mất mát và phân mảnh môi trường sống:

Phát triển, đặc biệt là không gian phân tán các hình thức như một gia đình lớnnhiều nhà ở, kết quả không chỉ với số lượng lớn hơn các bề mặt không thấm trên toànkhu vực, nhưng trong sự hủy diệt và sự phân mảnh của môi trường sống trên cạn tácđộng của sự phân mảnh môi trường sống được biểu hiện chậm hơn và thường tích lũydần Các môi trường sống trên cạn thường được bao quanh bởi hoặc tiếp giáp vớiđường giao thông, khu dân cư, khu thương mại, hoặc đất canh tác

Phá hủy thẩm mỹ học của sông suối và cảnh quan:

Xu hướng phát triển về phía bề mặt không thấm nước làm thay đổi hình ảnhcủa sông suối và cảnh quan của nó Đối với một số cá nhân, mở rộng đô thị, với

bề mặt không thấm nước, tốt hơn là khu vực nông nghiệp và nông thôn để phát triển.Tiêu biểu như các bờ suối đô thị thường bóc tách thực vật một cách nghiêm trọng và bịxói mòn thường xuyên

Tóm lại việc chuyển đổi từ đất thấm sang bề mặt không thấm là một mối đe dọanghiêm trọng đến tính toàn vẹn của cả hai môi trường tự nhiên và xây dựng và ảnhhưởng đến sự thoải mái và chất lượng tổng thể của cuộc sống cho mình cư dân Sự giatăng bề mặt không thấm đang gia tăng đáng kể khối lượng của nước mưa Dòng chảytăng này tạo ra mối nguy hiểm lũ lụt và ô nhiễm nước mặt với các chất ô nhiễm tích tụ

trên các đường phố, đường cao tốc, bãi đậu xe, và thậm chí cả sân cỏ của khu vực đôthị hoá, trong khi làm giảm chất lượng vật lý của dòng suối Do sự đóng góp của các

bề mặt không thấm nước để các hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, Thủy sản và môi trườngsống trên cạn bị phân hủy hoặc thay thế bằng các khu thương mại, công nghiệp, dân cư

và sử dụng đất tiêu thụ nhiều hơn và nhiều không gian Cuối cùng, sự phá hủy và thayđổi của dòng kênh và chuyển đổi rừng và đất canh tác thành đất dân cư, trung tâmthương mại và bãi đỗ xe đang làm xuống cấp chất lượng thẩm mỹ của nhiều dòng chảy

và cảnh quan

1.2 Các phương pháp xác định bề mặt không thấm

Để xác định được các bề mặt không thấm trong không gian đô thị ta có thể tiếnhành đo đạc trực tiếp bằng công tác truyền thống ngoài thực địa cũng như có thể sửdụng các công nghệ hiện đại sử dụng các tư liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh viễnthám để đánh giá diện tích các bề mặt không thấm

1.2.1 Phương pháp đo đạc truyền thống

Phương pháp đo đạc truyền thống đó là công việc đo đạc trực tiếp từng đốitượng sau đó thống kê tổng hợp để thành lập bản đồ hiện trạng bề mặt không thấmcũng như bản đồ biến động

Ưu điểm:

- Tiếp cận trực tiếp được với các đối tượng cần nghiên cứu

- Phân loại một cách chi tiết các đối tượng

- Kết quả thu được có độ chính xác cao

Nhược điểm:

- Mất nhiều thời gian và tốn kém về mặt kinh tế

- Phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết và địa hình khu đo do phương phápnày phụ thuộc vào các điều kiện ngoại nghiệp

- Không thu được dữ liệu một cách liên tục theo thời điểm cần quan trắc biếnđộng

- Phương pháp này gặp nhiều hạn chế trong nghiên cứu biến động các yếu tốmôi trường

1.2.2 Phương pháp đo đạc trên ảnh hàng không

Đây chính là phương pháp đo đạc gián tiếp các đối tượng bề mặt không thấmqua các hình ảnh thu được từ các thiết bị chụp ảnh hàng không, giúp ta xác định được

vị trí, hình dáng, kích thước, mỗi quan hệ tương hỗ giữa các đối tượng đo từ đó xâydựng các bản đồ hiện trạng cũng như biến động các bề mặt không thấm

Ưu điểm:

- Có khả năng đo đạc tất cả các đối tượng đo mà không nhất thiết phải tiếp xúchoặc đến gần chúng, miễn các đối tượng này có thể chụp ảnh được (bằng phim toànsắc, phim màu hoặc phim quang phổ)

- Nhanh chóng thu được các tư liệu đo đạc trong thời gian chụp ảnh, giảm nhẹcông tác ngoài trời, tránh các ảnh hưởng của thời tiết đối với công tác đo đạc

- Có thể đo trong cùng một thời điểm tại nhiều điểm đo khác nhau của các đốitượng đo

Nhược điểm:

- Nhược điểm chủ yếu của phương pháp đo ảnh là trang bị kỹ thuật cồng kềnh

và đắt tiền, đòi hỏi những điều kiện nhất định trong sử dụng và bảo quản, đặc biệt làđối với khí hậu nhiệt đới ở nước ta

- Yêu cầu trình độ trình độ của cán bộ chuyên môn cao.

1.2.3 Phương pháp đo đạc trên ảnh viễn thám

Để khắc phục những hạn chế của các phương pháp đo đạc truyền thống, viễnthám đã được đưa vào sử dụng đối với công việc ước tính thông tin bề mặt không thấmvới nhiều ưu điểm nổi trội

Ưu điểm của phương pháp:

- Độ phủ trùm không gian của tư liệu, phương pháp này có thể nghiên cứu biếnđộng trên các khu vực có phạm vi khác nhau, ở các thời điểm khác nhau

- Phương pháp có thể được áp dụng nghiên cứu trên những khu vực có điềukiện địa hình, thời tiết phức tạp nơi mà phương pháp đo đạc truyền thống khó có thểthực hiện được

- Xử lý nhanh và có hiệu quả kinh tế

- Đảm bảo được độ chính xác cần có và các yêu cầu kỹ thuật

- Thuận tiện trong nghiên cứu biến động các yếu tố môi trường

Nhược điểm của phương pháp:

- Với khu vực nhỏ, chi phí cho nghiên cứu bằng phương pháp viễn thám và GIS

sẽ đắt hơn các phương pháp truyền thống

- Phương pháp này đòi hỏi yêu cầu trình độ của cán bộ chuyên môn phải cao,đội ngũ cán bộ làm được còn hạn chế

- Nhiều dạng đối tượng có thể bị lẫn vào nhau, không phân biệt được trên ảnh

1.3 Xu hướng gia tăng bề mặt không thấm quận Hoàng Mai

1.3.1 Vị trí địa lý khu vực quận Hoàng Mai

+ Vị trí địa lý: Tọa độ: 20°58′05″B 105°50′54″Đ

Hình1.3: Ranh giới quận Hoàng Mai

Quận Hoàng Mai nằm ở phía Tây Bắc của Hà Nội,gồm 14 phường: ĐạiKim • Định Công • Giáp Bát • Hoàng Liệt • Hoàng Văn Thụ • Lĩnh Nam • MaiĐộng • Tân Mai • Thanh Trì • Thịnh Liệt • Trần Phú • Tương Mai • Vĩnh Hưng • YênSở

+ Địa giới hành chính: phía Bắc giáp quận Thanh Xuân, Hai Bà Trưng, phíaTây và Nam giáp huyện Thanh Trì, phía Đông giáp sông Hồng-quận Long Biên

+ Địa hình: Quận Hoàng Mai nằm trong khu vực có địa hình bằng phẳng,thoải dần từ Đông sang Tây và từ Bắc xuống Nam

Hoàng Mai có diện tích 4104 ha ( 41,04 km² )

1.3.2 Tình hình kinh tế xã hội

+ Dân cư : Dân số của quận 365000 người (cuối năm 2013), mật độ dân số là

9050 người/km2, quận Hoàng Mai có mật độ dân số khá cao trong các quận nộithành

+ Kinh tế : Dưới sự chỉ đạo của thành uỷ, UBND Thành phố và sự lãnh đạo trựctiếp của Quận uỷ,HĐND, UBND quận, các tầng lớp nhân dân trong quận đã chung sứcchung lòng phấn đấu không ngưng nghỉ xây dựng Hoàng Mai trở thành một quận phát triển, diện mạo đổi thay từng ngày với nhiều công trình nhà chung cư cao tầng hiện đại, các khu đô thị mới khang trang như Định Công, Linh Đàm, Đền Lừ… Đặc biệt, cơcấu kinh tế chuyển dịch tích cực theo hướng công nghiệp hoá - hiện đại hoá với tỷ trọng giá trị thương mại - du lịch - công nghiệp ngày càng cao Nông nghiệp phát triển theo chiều sâu với các loại cây có giá trị cao được đưa vào thâm canh tạo ra sản lượng hàng hoá cho thu nhập cao…

Trên cơ sở kinh tế phát triển mạnh mẽ, các hoạt động văn hoá xã hội ngày càng được quan tâm và nâng cao chất lượng, hiệu quả nhất là trong sự nghiệp giáo dục-đào tạo, sự nghiệp chăm sóc sức khoẻ nhân dân và xây dựng dời sống văn hoá trên địa bàn quận Chính hệ thống chính trị được xây dựng và củng cố vững mạnh là nền tảng vữngchắc tạo nên những thành tựu đáng phấn khởi của quận Hoàng Mai trong những năm qua

Thành tích đạt được không chỉ thể hiện hiệu quả công tác lãnh đạo điều hành của các cấp uỷ, chính quyền, hoạt động của các đoàn thể quần chúng và tổ chức chính trị,

sự nỗ lực cao của các tầng lớp nhân dân mà còn là nguồn cổ vũ, động viên rất lớn, là niềm tự hào của Đảng bộ và nhân dân trong quận trong hành trình vươn tới tương lai, trong sự nghiệp đổi mới và quá trình hội nhập Vinh dự đón nhận Huân chương Lao động hạng Ba

bề mặt không thấm của quân Hoàng Mai Theo báo cáo về hiện trạng sử dụng đất năm

2009 của quận Hoàng Mai ta thấy tổng diện tích đất của quận 41,04 km²

Kết luận chương 1: Quá trình đô thị hóa ở các thành phố thường liên quan đến

các mặt không thấm, bởi vì chúng liên quan đến quá trình bê tông hóa bề mặt Các mặtkhông thấm đại diện cho quá trình phát triển của cảnh quan Xét về góc độ sử dụngđất, chúng liên quan với các kiểu thực phủ đô thị và biến động thực phủ Do đó, mặtkhông thấm là tham số thích hợp cho việc xem xét quá trình đô thị hóa của một khuvực Để có thể xác định được hiện trạng cũng như sự thay đổi của các bề mặt khôngthấm ta có thể tiến hành đo đạc trực tiếp ngoài thực địa Phương pháp này cho kết quả

có độ chính xác cao tuy nhiên lại tốn rất hiều công sức, tiền bạc cũng như phụ thuộcnhiều vào ngoại cảnh Vì vậy để khắc phục những nhược điểm đó viễn thám đã đượcđưa vào sử dụng Góp phần đo đạc xác định được các bề mặt không thấm một cáchchính xác, hiệu quả trên một phạm vi rộng, đảm bảo tính liên tục cũng như giảm thiểucông sức, chi phí cho việc đo đạc

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

CÁC BỀ MẶT KHÔNG THẤM 2.1 Tổng quan về viễn thám

2.1.1 Định nghĩa

Thuật ngữ viễn thám (Remote Sensing) – điều tra từ xa, xuất hiện từ năm 1960

do một nhà địa lý người Mỹ là E Pruit đặt ra (Thomas,1999) Kỹ thuật viễn thám làmột kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhautrong các công đoạn khác nhau như:

- Thu thập thông tin

- Tiền xử lý thông tin

- Phân tích và giải đoán thông tin

- Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp

Vì vậy có thể định nghĩa Viễn thám là sự thu nhận thông tin về đối tượng màkhông có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng nghiên cứu Bằng các công cụ kỹ thuật,viễn thám có thể thu nhận các thông tin, dữ liệu về các vật thể, các hiện tượng tự nhiênhoặc một vùng lãnh thổ nào đó ở một khoảng cách nhất định

2.1.2 Cơ sở khoa học về viễn thám

Theo Tiến Sĩ Nguyễn Văn Trung (2010), trong viễn thám, nguyên tắc hoạt độngcủa nó liên quan giữa sóng điện từ từ nguồn phát và vật thể quan tâm

- Nguồn phát năng lượng: yêu cầu đầu tiên của viễn thám là có nguồn nănglượng phát xạ để cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm

- Sóng điện từ và khí quyển: khi năng lượng truyền từ nguồn phát đến đốitượng, nó sẽ đi vào và tương tác với khí quyển mà nó đi qua Sự tương tác này có thểxảy ra lần thứ 2 khi năng lượng truyền từ đối tượng tới bộ cảm biến Sự tương tác vớiđối tượng: một khi năng lượng gặp đối tượng sau khi xuyên qua khí quyển, nó tươngtác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà nănglượng phản xạ hay bức xạ của đối tượng có sự khác nhau

- Việc ghi năng lượng của bộ cảm biến: sau khi năng lượng bị tán xạ hoặc phát

xạ từ đối tượng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng điện từ

- Sự truyền tải, nhận và xử lý: năng lượng được ghi nhận bởi bộ cảm biến phảiđược truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý Năng lượng được truyền đi thường ởdạng điện Trạm thu nhận sẽ xử lý năng lượng này để tạo ra ảnh dưới dạng hardcopyhoặc là số

- Sự giải đoán và phân tích: ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽ được giải đoántrực quan hoặc được phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tượng

- Ứng dụng: đây là thành phần cuối cùng trong qui trình xử lý của công nghệviễn thám Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để hiểu tốt hơn

về đối tượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn

đề cụ thể

Hình 2.1: Mô hình nguyên tắc hoạt động của viễn thám

2.1.3 Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Do các tính chất của vật thể (thực vật, đất, nước, nhà ở…) có thể được xác địnhthông qua năng lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệgiúp xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua nhữngđặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ

Các đối tượng khác nhau sẽ có sự phản xạ, hấp thụ và xuyên qua đối với sóngđiện từ khác nhau theo từng bước sóng Thuộc tính quan trọng này có thể cho phép cácnhà khoa học có thể xây dựng một đường cong phản xạ phổ cho từng đối tượng Trên

cơ sở so sánh đường cong phản xạ phổ giữa các đối tượng với nhau, có thể giúp pháthiện và tách biệt các đối tượng này (Trần Thống Nhất, Nguyễn Kim Lợi, 2009)

Hình 2.2: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng

Những đối tượng trên mặt đất có thể tổng quát thành ba đối tượng chính lớpphủ thực vật, đất (cát, đá, các công trình xây dựng) và nước Mỗi loại đối tượng này có

Hình 2.3: Cơ chế phản xạ phổ của đấtNăng lượng mặt trời (Fo) khi chiếu xuống mặt đất, một phần (F1) sẽ phản xạ lạimôi trường ngay khi tiếp xúc với bề mặt đất tạo nên độ chói trên ảnh viễn thám Phầncòn lại đi vào bề mặt lớp đất phủ, phần lớn năng lượng này bị đất hấp thụ và chuyểnhóa thành năng lượng khác, phần nhỏ còn lại (F2) sẽ bị phản xạ khi gặp các hạt vậtchứa trong đất Như vậy F2 là năng lượng chứa đựng các thông tin về thành phần, bảnchất các loại đất, đá (Phạm Quang Vinh 2004) Khả năng phản xạ phổ của đất trốngphụ thuộc vào bản chất hóa lý của đất như: loại đất, hàm lượng các vật chất hữu cơ, độ

ẩm, trạng thái bề mặt, thành phần cơ giới của đất

Trên ảnh viễn thám (ở tất cả các kênh) đất trống thường có màu trắng sánghơn các đối tượng khác, đất càng khô, ảnh càng sáng và lóa, gây ảnh hưởng đến thunhận thông tin đối tượng khác Do đó khi nghiên cứu các thuật toán triết xuất thôngtin trên ảnh cần tính giảm các sai số tối đa về phổ do ánh hưởng sáng hóa của đất.Tuy nhiên quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng cóbước sóng dài Các cực trị hấp thụ phổ do hơi nước cũng diễn ra ở vùng 1,4; 1,9 và2,7 µm

Bên cạnh các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cơ bản, Root vàMille nghiên cứu và đưa ra các đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng chínhtrong đô thị như bê tông, ván lợp, nhựa đường và đất trống các đặc trưng này là thông

tin quan trọng giúp giải đoán các đối tượng bề mặt không thấm trong đô thị (Hình 2.4).

Hình 2.4: Đường cong phản xạ phổ của các đối tượng chính trong đô thị

Ta thấy đường bê tông có độ phản xạ cao nhất tăng đều từ vùng sóng tử ngoại.Đối tượng có đường cong phản xạ biến thiên nhiều nhất là đất trống và ván lợp Cácđường cong phản xạ của đối tượng như sỏi và nhựa đường tăng đồng đều không biếnthiên nhiều Như vậy với các loại đất có thành phần cấu tạo hữu cơ và vô cơ khácnhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau Tùy thuộc vào thành phần hợp chất mà biên

độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạphổ của đất là cấu trúc bề mặt của đất, độ ẩm của đất, thành phần hợp chất hữu cơ, vô

cơ có trong đất

Thực vật: Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bướcsóng Trên đồ thị thể hiện đường đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng xạphổ chính

Hình 2.5: Đường cong phản xạ phổ của thực vật

Khả năng phản xạ phổ của mỗi thực vật một khác nhau và đặc tính chung nhất

Nước: Cũng như các đối tượng thực vật, khả năng phản xạ phổ của nước thay đổitheo bước sóng của bức xạ trong nước và thành phần vật chất có trong nước Khả năngphản xạ phổ ở đây còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước Trên kênhhồng ngoại và cận hồng ngoại đường bờ được phát hiện rất dễ dàng, còn một số đặc tínhcủa nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy để nhận biết Thông thường trong nướcchứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của nước phụthuộc vào thành phần, trạng thái của nước: Nước đục có khả năng phản xạ cao hơnnước trong, nhất là ở những dải sóng dài

Tóm lại, phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về cácđối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóngkhác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt

2.1.4 Đặc điểm dữ liệu ảnh viễn thám

Tư liệu ảnh viễn thám bao gồm các loại ảnh hàng không và ảnh vệ tinh ở dạngtương tự và dạng số Vệ tinh viễn thám sử dụng các bộ cảm gắn trên vệ tinh nhân tạohoạt động ở nhiều bước sóng từ 400 nm đến 25 cm để thu dữ liệu về đối tượng nghiêncứu trên trái đất Một số bộ cảm hoạt động trong vùng nhìn thấy và cận hồng ngoại củadải phổ cung cấp các thông số liên hệ với màu của đối tượng, thường liên quan đếntính hóa học hay khoáng vật của đối tượng Dữ liệu thu được từ các bộ cảm hồngngoại nhiệt cho biết giá trị liên quan đến nhiệt độ và các tính chất nhiệt của đối tượng.Với những thông tin về độ nhám bề mặt và độ ẩm, có thể chiết xuất từ dữ liệu thuđược từ bước vi sóng (radar)

Ảnh vệ tinh ngày càng đa dạng cung cấp nhiều thông tin Việc ứng dụng viễnthám trong theo dõi sự biến động các bề mặt không thấm nói riêng và trong quan trắcmôi trường nói chung đòi hỏi phải chú ý lựa chọn dữ liệu sao cho phù hợp Các thông

số quan trọng đặc trưng cho thông tin của một ảnh vệ tinh cần lựa chọn cho đối tượngnghiên cứu đó là độ phân giải không gian, đọ phân giải phổ và độ phân giải thời gian

Độ phân giải không gian

Ý nghĩa quan trọng nhất của độ phân giải không gian là cho ta biết các đốitượng nhỏ nhất mà có thể phân biệt được trên ảnh Ví dụ, ảnh có độ phân giải khônggian là 30 x 30m sẽ cho phép phân biệt được các đối tượng có kích thước lớn hơn 30 x

30m Tuy hiện nay đã có những nghiên cứu về phương pháp phân loại dưới pixel,nhưng để áp dụng rộng rãi cần được nghiên cứu thêm

Hình 2.7: Độ phân giải phổ

Độ phân giải thời gian:

Vệ tinh viễn thám chuyển động trên quỹ đạo và chụp ảnh Trái đất Sau mộtkhoảng thời gian nhất định, nó quay lại và chụp lại vùng đã chụp Khoảng thời giannày gọi là độ phân giải thời gian của vệ tinh Rõ ràng là với khoảng thời gian lặp càngnhỏ thì thông tin thu thập (hay ảnh chụp) càng nhiều

Hình 2.8: Phân giải thời gian

Tóm lại, thông tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đốitượng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nước và đất được ghi nhận thành từngpixel ảnh có độ phân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và vàomột thời gian xác định

2.1.5 Một số vệ tinh viễn thám cơ bản

Loại có độ phân giải thấp (>100 m ): MODIS (500m); SPOT Vegetation;

Loại có độ phân giải trung bình (15-100 m ): LANDSAT TM/ETM(30m): baogồm 7 kênh phổ, thường dùng để làm bản đồ hiện trạng sử dụng đất, hiệu chỉnh bản đồ

tỷ lệ nhỏ; SPOT: ảnh đen trắng độ phân giải 5m, ảnh lập thể có thể dùng cho ứng dụng3D; ASTER (15m);

Loại có độ phân giải cao (<10 m ): Quickbird: ảnh toàn sắc có độ phân giải từ

0,6-1m, ảnh đa phổ có độ phân giải 2,44-4m; Corona (5m); IKONOS: ảnh đơn kênh có

độ phân giải 1m, ảnh đa phổ (4 kênh) độ phân giải 4m, thường dùng để hiệu chỉnh bản

đồ địa chính, tỷ lệ trung bình và lớn

Các loại ảnh vệ tinh thường dùng hiện nay:

Ảnh vệ tinh SPOT

Hình 2.9: Ảnh vệ tinh Spot

Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT do Trung tâm Nghiên cứu Không gian(Centre National d’Etudes Spatiales - CNES) của Pháp chế tạo và phát triển Vệ tinhđầu tiên SPOT- 1 được phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT- 2, SPOT- 3,SPOT- 4 và SPOT- 5 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002

Các thế hệ vệ tinh SPOT 1, 2, 3 có đầu thu HRV với kênh toàn sắc độ phân giải10m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20m Mỗi cảnh có độ bao phủ mặt đất là 60 km x60km Vệ tinh SPOT 4 với kênh toàn sắc độ phân giải 10m; ba kênh đa phổ củaHRVIR tương đương với 3 kênh phổ truyền thống của HRV có độ phân giải 20m vàđầu thu ảnh kênh thực vật (Vegetation Instrument)

Vệ tinh SPOT- 5, được trang bị một cặp đầu thu HRG (High ResolutionGeometric) là loại đầu thu ưu việt hơn các loại trước đó Mỗi một đầu thu HRG có thểthu được ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10m mầu Với kỹ thuật xử lý ảnh đặcbiệt, có thể đạt được ảnh độ phân giải 2,5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnhvẫn đạt 60km đến 80km Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT-5, điều mà các loại ảnh

vệ tinh cùng thời khác ở độ phân giải này đều không đạt được

Bảng 2.1: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh SPOT 5

(µm) không gian (m)Độ phân giải

Panchromatic 0,48-0,71 2,5 or 5

Ảnh vệ tinh LANDSAT:

LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do Cơ quan Hàng không và Vũ trụ(National Aeronautics and Space Administration- NASA) quản lý Cho đến nay đã có

7 thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển

Hình 2.10: Hình vệ tinh Landsat và ảnh chụp được

Bảng 2.2: Một số thông số về các kênh phổ của ảnh Landsat TM, ETM, OLI

Vệ tinh Kênh phổ Dải phổ(µm) Độ phân giải khônggian (m)

Ảnh vệ tinh QuickBird:

Hình 2.11: Vệ tinh QuickBird.

Ảnh vệ tinh IKONOS