...Giao trinh GIS-VT trong QLDD.pdf

...Giao trinh GIS-VT trong QLDD.pdf tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các l...

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

******

Nguyễn An Thịnh (chủ biên), Trần Văn Trường, Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Thị Hồng Hạnh

GIÁO TRÌNH

GIS VÀ VIỄN THÁM ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI

(Giáo trình giảng dạy Sau Đại học chuyên ngành Quản lý Đất đai)

Hà Nội, 2016

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 8

PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM 11

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GIS, VIỄN THÁM TRÊN PHẠM VI TOÀN CẦU VÀ NHỮNG QUY ĐỊNH PHÁP LÝ TRONG LĨNH VỰC ĐẤT ĐAI TẠI VIỆT NAM 12

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GIS TRÊN PHẠM VI TOÀN CẦU 12

1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRÊN PHẠM VI TOÀN CẦU 16

1.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GIS VÀ VIỄN THÁM Ở VIỆT NAM 20

1.4 QUY ĐỊNH PHÁP LÝ VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC ĐẤT ĐAI 22

Chương 2 GIS ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI 38

2.1 GIS CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO 38

2.2 CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA GIS TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI 78

Chương 3 VIỄN THÁM ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI 89

3.1 VIỄN THÁM CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO 89

3.2 CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI 131

Chương 4 CÁC PHẦN MỀM GIS VÀ VIỄN THÁM ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC ĐẤT ĐAI 139

4.1 PHẦN MỀM MAPINFO PROFESSIONAL 139

4.2 PHẦN MỀM ARCGIS 141

4.3 PHẦN MỀM ENVI 145

PHẦN 2: CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI 150

Chương 5 CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TÍCH HỢP VỚI GIS VÀ VIỄN THÁM 151

5.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÁC MÔ HÌNH TÍCH HỢP 151

5.2 CÁC MÔ HÌNH PHI KHÔNG GIAN 155

5.3 CÁC MÔ HÌNH KHÔNG GIAN 158

Chương 6 TÍCH HỢP GIS, VIỄN THÁM VỚI CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐA BIẾN PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ ĐẤT ĐAI VÀ RA QUYẾT ĐỊNH SỬ DỤNG ĐẤT ĐA MỤC TIÊU 163

6.1 MÔ HÌNH TÍCH HỢP ALES-GIS TRONG ĐÁNH GIÁ ĐẤT ĐAI 163 6.2 KẾT HỢP MÔ HÌNH PHÂN TÍCH NHÂN TỐ VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ

ĐẤT ĐAI 166 6.3 TÍCH HỢP MÔ HÌNH RA QUYẾT ĐỊNH ĐA TIÊU CHUẨN (MCDM) VÀ GIS

TRỢ GIÚP RA QUYẾT ĐỊNH SỬ DỤNG ĐẤT 179

Chương 7 ỨNG DỤNG GIS, VIỄN THÁM VÀ CÁC MÔ HÌNH PHÂN

TÍCH ĐA CHỈ TIÊU (MCA) TRONG ĐỊNH GIÁ ĐẤT VÀ XÂY DỰNG

BẢN ĐỒ VÙNG GIÁ TRỊ ĐẤT ĐAI 187

7.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ỨNG DỤNG GIS, VIỄN THÁM VÀ CÁC MÔ HÌNH

PHÂN TÍCH ĐA CHỈ TIÊU (MCA) TRONG ĐỊNH GIÁ ĐẤT VÀ XÂY DỰNG

BẢN ĐỒ VÙNG GIÁ TRỊ ĐẤT ĐAI 187 7.2 QUY TRÌNH ĐỊNH GIÁ ĐẤT VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ VÙNG GIÁ TRỊ

ĐẤT ĐAI 195

TÀI LIỆU THAM KHẢO 204

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Nhận biết vị trí điểm toạ độ thuộc các múi chiếu 23

Bảng 1.2 Quy định múi chiếu 60 cho Việt Nam 23

Bảng 1.3 Quy định múi chiếu 30 cho Việt Nam 23

Bảng 1.4 Quy định kinh tuyến trục cho các tỉnh, thành phố của Việt Nam 23

Bảng 3.1 Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám 91

Bảng 3.2 Đặc điểm của một số bộ cảm vệ tinh chính 100

Bảng 4.1 Các modul chính của phần mềm ArcGIS Desktop 143

Bảng 4.2 Ứng dụng các phần mở rộng của ArcGIS trong lĩnh vực quản lý đất đai 145

Bảng 4.3 Các chức năng cơ bản của phần mềm ENVI 147

Bảng 5.1 Phân loại các mô hình không gian mô phỏng biến động sử dụng đất 152

Bảng 5.2 Các kiểu phát triển đô thị theo mô hình SLEUTH (Clarke, 2009) 161

Bảng 6.1 Bảng điểm mức độ ưu tiên (Saaty, 1980) 180

Bảng 6.2 Biến ngôn ngữ và giá trị mờ của biến trong so sánh cặp (Saaty, 1980; Srdjevic và Medeiros, 2008; Onut và nnk., 2010) 183

Bảng 7.1 Các phương pháp định giá đất 192

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ của John Snow thể hiện các cụm dịch tả ỏ London năm 1854 13

Hình 1.2 Hệ thống GIS đầu tiên được đề xuất bởi Tomlinson 14

Hình 1.3 Ứng dụng của GIS ở khía cạnh khoa học, công nghệ và dịch vụ 16

Hình 1.4 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 17

Hình 1.5 Các mốc thời gian đánh dấu sự phát triển của hệ thống vệ tinh Landsat 19

Hình 1.6 Mô hình cơ sở dữ liệu đất đai (quy định trong Thông tư Quy định kỹ thuật về cơ sở dữ liệu đất đai số 75/2015/TT-BTNMT ngày 28 tháng 12 năm 2015 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường) 32

Hình 1.7 Mô hình dữ liệu không gian đất đai (quy định trong Thông tư Quy định kỹ thuật về cơ sở dữ liệu đất đai số 75/2015/TT-BTNMT ngày 28 tháng 12 năm 2015 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường) 32

Hình 1.8 Mô hình dữ liệu thuộc tính đất đai (quy định trong Thông tư Quy định kỹ thuật về cơ sở dữ liệu đất đai số 75/2015/TT-BTNMT ngày 28 tháng 12 năm 2015 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường) 33

Hình 1.9 Sơ đồ quy trình công nghệ tổng quát cập nhật cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý 35

Hình 2.1 Các thành phần của một hệ thông tin địa lý 41

Hình 2.2 Mô tả một số khái niệm vector nguồn: điểm, đường và vùng 46

Hình 2.3 Đặc điểm của dữ liệu raster 49

Hình 2.4 Sự khác nhau giữa dữ liệu vector và dữ liệu raster 52

Hình 2.5 Hệ tọa độ địa lý 55

Hình 2.6 Các hệ tọa độ địa lý và các phép chiếu thường được sử dụng 57

Hình 2.7 Phép chiếu và hệ thống đánh số cùng của UTM 59

Hình 2.8 Cấu trúc toàn vùng 62

Hình 2.9 Cấu trúc Spaghetti 62

Hình 2.10 Cấu trúc dữ liệu topology 63

Hình 2.11 Phương thức mã hóa theo kiểu chia bốn 65

Hình 2.12 Mô hình quản lý dữ liệu theo kiểu phân cấp 66

Hình 2.13 Quản lý dữ liệu theo kiểu mô hình mạng 67

Hình 2.14 Quản lý dữ liệu theo kiểu mô hình quan hệ 67

Hình 2.15 GIS sử dụng nhiều nguồn và nhiều loại dữ liệu đa dạng 69

Hình 2.16 Chức năng tạo vùng đệm (từ trên xuống dưới : đầu vào, vùng đệm riêng rẽ từng đối tượng, vùng đệm kết hợp các đối tượng) 72

Hình 2.17 Ví dụ về chồng xếp nhiều lớp thông tin có trọng số 73

Hình 2.18 Mô hình số độ cao DEM dạng raster 75

Hình 2.19 Mô hình số độ cao DEM dưới dạng TIN 76

Hình 2.20 Minh họa vệ tinh chụp ảnh Trái Đất để tạo DEM 76

Hình 2.21 Mô hình lớp phủ bề mặt đất trên nền DEM dạng 3D dựa trên công nghệ

chụp ảnh lập thể từ vệ tinh 77

Hình 2.22 Bản đồ đường đồng mức 77

Hình 2.23 Một số ứng dụng của GIS 78

Hình 2.24 Các thành phần của quản lý đất đai (Dale và McLaren, 1999) 79

Hình 2.25 Một số ứng dụng của GIS trong quản lý đất đai 79

Hình 2.26 Cấu trúc của hệ thống thông tin đất đai quốc gia của Anh 82

Hình 2.27 Minh họa khả năng phân tích của GIS trong xác định đối tượng khách hàng 84

Hình 2.28 Tích hợp dữ liệu không gian cho phân tích quy hoạch đô thị 85

Hình 2.29 Ví dụ quy trình đánh giá đất lựa chọn vị trí cho xây đập thủy lợi 86

Hình 2.30 Ví dụ việc đánh giá đất cho lựa chọn vị trí xử lý chất thải 87

Hình 3.1 Nguyên lý thu nhận tín hiệu viễn thám 90

Hình 3.2 Hai hợp phần của bức xạ điện từ: Điện trường (E) và Từ trường (M) 92

Hình 3.3 Dải tần số sử dụng trong viễn thám quang học 93

Hình 3.4 Phổ phản xạ của một số bề mặt chính 94

Hình 3.5 Viễn thám bị động (trái) và viễn thám chủ động (phải) 96

Hình 3.6 Đường đặc trưng phổ của vật đen tuyệt đối 104

Hình 3.7 Một số loại phản xạ 105

Hình 3.8 Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên (1 Thực vật; 2 Đất khô; 3 Mặt nước) 106

Hình 3.9 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 107

Hình 3.10 Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nước 108

Hình 3.11 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 108

Hình 3.12 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 109

Hình 3.13 Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm 109

Hình 3.14 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước 111

Hình 3.15 Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước 111

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa các không gian màu RGB và IHS 116

Hình 3.17 Tổ hợp màu cho ảnh Landsat 5-TM khu vực Enschede và phụ cận Ba tổ hợp màu được thể hiện: Màu thật, màu tự nhiên giả và màu giả 117

Hình 3.18 Quá trình phân loại ảnh số; thành phần quan trọng nhất là việc thu thập mẫu và lựa chọn thuật toán 123

Hình 3.19 Các bước cơ bản trong phương pháp phân loại có kiểm định 125

Hình 3.20 Nguyên lý của phân loại xác suất cực đại 127

Hình 3.21 Nguyên lý của phân loại theo khoảng cách ngắn nhất 128

Hình 3.22 Nguyên lý của phân loại theo hình hộp 128

Hình 3.23 Quy trình lý thuyết phân loại hiện trạng sử dụng đất từ nguồn ảnh viễn

thám 133

Hình 4.1 Lịch sử phát triển của phần mềm MapInfo Professional (nguồn: Wikipedia) 139

Hình 5.1 Hệ thống tích hợp mô hình phi không gian và GIS trong nghiên cứu biến động sử dụng đất (nguồn: Nguyễn An Thịnh, 2013) 153

Hình 5.2 Sơ đồ các bước dự tính mô phỏng biến đổi sử dụng đất trong tương lai dựa trên mô hình Markov- Cellular Automata 154

Hình 5.3 Mô hình đồ họa về biến động sử dụng đất với ba kiểu trạng thái 1, 2 và 3 được xem xét trong ba thời điểm 156

Hình 5.4 Ví dụ về mô hình CA một chiều: (a) mô hình CA một chiều có hai trạng thái và một lân cận có kích thước bằng 3; (b) cơ chế chuyển trạng thái của các CA cơ bản: trạng thái = 2, kích thước lân cận k = 3, do đó có 23 = 8 tổ hợp 158

Hình 5.5 Ví dụ về kết quả ứng dụng mô hình CA dự báo biến động sử dụng đất 160

Hình 5.6 Sáu thành phần đầu vào (S-L-E-U-T-H) và bốn kết quả của mô hình SLEUTH: sơ đồ xác suất mở rộng đô thị hàng năm; sơ đồ xác suất biến đổi từng loại hình sử dụng đất hàng năm; sơ đồ sử dụng đất theo từng năm dự báo; sơ đồ ước tính từng loại hình sử dụng đất 162

Hình 6.1 Cấu trúc và chức năng của mô hình tích hợp ALES-GIS 165

Hình 6.2 Quy trình tích hợp GIS và mô hình phân tích nhân tố trong đánh giá đất đai (Nguyễn An Thịnh và nnk., 2002) 168

Hình 6.3 Mô hình quay Varimax 2 nhân tố: biến V1 ban đầu có giá trị 0.7 và 0.6 tương ứng trong nhân tố 1 và nhân tố 2 Sau khi quay nhân tố thì có sự thay đổi đến giá trị 0.9 và 0.2 tương ứng với các nhân tố 1 và 2 được quay 178

Hình 6.4 Sơ đồ cấu trúc thứ bậc (Saaty 1980) 179

Hình 6.5 Mô hình tích hợp GIS-AHP trong đánh giá đất đai 182

Hình 6.6 Quá trình tính toán lồng ghép mô hình kết hợp Fuzzy AHP, TOPSIS và GIS trợ giúp ra quyết định sử dụng đất đai 185

Hình 7.1 Chuyển đổi dữ liệu sang MapInfo 197

Hình 7.2 Chuyển đổi dữ liệu sang ArcGIS 197

Hình 7.3 Tính hệ số vị trí 198

Hình 7.4 Bản đồ giá đất và bản đồ vùng giá trị đất đai 203

MỞ ĐẦU

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và viễn thám là những công nghệ không gian hiện đại có ưu thế vượt trội trong nghiên cứu, giám sát, quản lý tài nguyên và môi trường Trong đào tạo và nghiên cứu trình độ sau đại học chuyên ngành quản lý đất đai, công nghệ GIS và viễn thám được sử dụng phục vụ thành lập bản đồ chuyên đề, phân tích không gian, giải các bài toán về đánh giá đất đai, quy hoạch xây dựng, quy hoạch sử dụng đất, phân vùng chức năng, quản lý tổng hợp tài nguyên đất, thích ứng biến đổi khí hậu và phòng tránh thiên tai, định giá đất và xây dựng bản đồ vùng giá trị đất đai, xây dựng và cập nhật cơ sở dữ liệu đất đai

Giáo trình ”GIS và viễn thám ứng dụng trong quản lý đất đai” được xây dựng

phục vụ công tác đào tạo bậc sau đại học chuyên ngành Quản lý đất đai Nội dung giáo trình đề cập tới các kiến thức nâng cao về GIS và viễn thám, cơ sở khoa học và cơ sở pháp lý, các phần mềm và các mô hình ứng dụng GIS và viễn thám trong lĩnh vực đất đai Kết cấu và nội dung của toàn bộ giáo trình nhằm trang bị cho học viên cao học hệ thống kiến thức cập nhật, nâng cao về mặt lý luận và có khả năng sử dụng các phần mềm GIS và viễn thám thực hiện những nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể

Toàn bộ giáo trình được trình bày trong 2 phần, 7 chương với các nhóm chủ đề

cơ bản:

* Phần 1 trình bày hệ thống lý thuyết cơ bản và nâng cao về GIS và viễn thám

Phần này gồm 3 chương:

- Chương 1 đề cập tới sự phát triển của GIS và viễn thám cập nhật cho tới thời

điểm viết giáo trình; các quy định pháp lý của Việt Nam về ứng dụng GIS và viễn thám trong công tác quản lý đất đai

- Chương 2 và chương 3 trình bày hệ thống tri thức về GIS, viễn thám cơ bản và

nâng cao; những nội dung lý luận cụ thể về cấu trúc, vai trò, chức năng và khả năng ứng dụng GIS (chương 2) và viễn thám (chương 3) trong công tác quản lý đất đai Đây

là hệ thống kiến thức không có nhiều trong các tài liệu cả trong và ngoài nước Các kiến thức được cập nhật dựa trên hệ thống tài liệu khoa học ở ngoài nước

- Chương 4 trình bày chức năng và khả năng sử dụng bộ ba phần mềm GIS và

viễn thám phổ biến nhất hiện nay là Mapinfo 15.0 (phần mềm GIS/hãng PITNEY BOWES), ArcGIS 12.2 (phần mềm GIS/hãng ESRI), ENVI 5.2 (phần mềm viễn thám/hãng EXELIS VIS) trong lĩnh vực đất đai Chương này được xây dựng với quan điểm đào tạo hiện nay là gắn kết lý thuyết với thực hành Những hướng dẫn cụ thể ở

mức cơ bản đảm cho học viên có thể sử dụng được bộ 3 phần mềm này định hướng giải quyết các bài toán cụ thể trong lĩnh vực đất đai

* Phần 2 trình bày các mô hình hiện đại, ứng dụng phổ biến của GIS và viễn

thám trong lĩnh vực đất đai đã được các nhà quản lý, các nhà nghiên cứu, các tổ chức nghiên cứu và đào tạo có uy tín trên thế giới và Việt Nam giới thiệu Cấu trúc phần này gồm 3 chương:

- Chương 5 giới thiệu hướng tích hợp GIS, viễn thám với các mô hình mô phỏng

biến động sử dụng đất Các mô hình phi không gian được giới thiệu bao gồm ma trận chuyển, vectơ biến động sử dụng đất và mô hình Markov Các mô hình không gian được giới thiệu bao gồm mô hình Cellular Automata (CA) và mô hình SLEUTH Các

mô hình không gian về bản chất đã tích hợp với dữ liệu GIS Trong khi đó, các mô hình phi không gian được sử dụng với GIS và viễn thám hình thành nên một hệ thống không gian tích hợp

- Chương 6 trình bày các hệ thống tích hợp GIS, viễn thám với các mô hình đánh giá đất đai và ra quyết định đa mục tiêu (MCDM) trợ giúp ra quyết định sử dụng đất đai đa mục tiêu, bao gồm: hệ thống đánh giá đất đai tự động (ALES), mô hình phân tích nhân tố (factor analysis), mô hình quá trình phân tích thứ bậc (AHP), tích hợp quá trình phân tích thứ bậc mờ (Fuzzy AHP) và Kỹ thuật ưu tiên lựa chọn các giải pháp lý tưởng tương đồng (TOPSIS)

- Chương 7 trình bày quy trình ứng dụng GIS, viễn thám và mô hình phân tích đa chỉ tiêu trong định giá đất và xây dựng bản đồ vùng giá trị đất đai

Để đáp ứng nhu cầu đào tạo trình độ cao trong lĩnh vực quản lý đất đai, trong

giáo trình “GIS và viễn thám ứng dụng trong quản lý đất đai” đã đưa vào những

hướng tiếp cận hiện đại, những nội dung khoa học mới không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới Có thể liệt kê trong nội dung về khoa học và kỹ thuật phục vụ nghiên cứu, quản lý đất đai: lý luận về ứng dụng của GIS, viễn thám trong lĩnh vực quản lý đất đai; các hệ thống tích hợp GIS, viễn thám và mô hình mô phỏng biến động sử dụng đất; các hệ thống tích hợp GIS, viễn thám với các mô hình đánh giá đất đai và ra quyết định đa mục tiêu (MCDM) trợ giúp ra quyết định sử dụng đất đai đa mục tiêu; ứng dụng GIS, viễn thám và mô hình phân tích đa chỉ tiêu trong định giá đất và xây dựng bản đồ vùng giá trị đất đai

Những nội dung đề cập trong giáo trình cần thiết đối với công tác đào tạo ở bậc sau đại học ngành Quản lý Đất đai tại Việt Nam Bên cạnh nội dung lý thuyết, giáo trình đề cập cụ thể tới các bài học kinh nghiệm, hệ thống câu hỏi ôn tập và bài tập thực hành sát với nội dung lý thuyết

Để hoàn thành được cuốn giáo trình này, tập thể tác giả chân thành cám ơn sự động viên, khích lệ của lãnh đạo Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội cùng tập thể cán bộ Khoa Quản lý Đất đai Tập thể tác giả trân trọng cám ơn những ý kiến góp ý sâu sắc của PGS.TS Trần Duy Kiều, TS Dương Đăng Khôi (Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội), TS Lưu Văn Năng (Tổng cục Quản lý Đất đai, Bộ Tài nguyên và Môi trường)

Trong quá trình biên soạn chắc chắn vẫn còn nhiều sai sót, các tác giả thành thật mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý bạn đọc, các nhà khoa học để cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn, phục vụ hiệu quả cho công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học bậc sau đại học chuyên ngành Quản lý Đất đai

Chủ biên: PGS.TS Nguyễn An Thịnh