Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam) (Luận văn thạc sĩ)

HÀ NỘI, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN DUY QUYẾT

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG HÓA TÁCH RANH GIỚI NƯỚC - ĐẤT LIỀN TỪ TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT PHỤC VỤ CÔNG TÁC XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ (THỰC NGHIỆM TẠI KHU VỰC VÙNG BIỂN

PHÍA NAM VIỆT NAM)

HÀ NỘI, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN DUY QUYẾT

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG HÓA TÁCH RANH GIỚI NƯỚC - ĐẤT LIỀN

TỪ TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT PHỤC VỤ CÔNG TÁC XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ (THỰC NGHIỆM TẠI KHU VỰC VÙNG BIỂN

PHÍA NAM VIỆT NAM)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ DANH TUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn: TS Vũ Danh Tuyên

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Chu Hải Tùng

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS Trần Xuân Trường

Luận văn được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 31 tháng 12 năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 31 tháng12 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Duy Quyết

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Vũ Danh Tuyên –người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Trắc địa Bản

đồ cùng tập thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại nhà trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban lãnh đạo Trung tâm Dịch vụ viễn thám và địa tin học thuộc Cục Viễn Thám quốc gia, các đồng nghiệp phòng Ứng dụng công nghệ viễn thám và địa tin học đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn luôn động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

THÔNG TIN LUẬN VĂN x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Khái quát về nghiên cứu biến động đường bờ 6

1.1.1 Một số khái niệm 6

1.1.2 Nguyên nhân gây biến động đường bờ 8

1.1.3 Ảnh hưởng của biến động đường bờ 9

1.2 Tổng quan về công nghệ viễn thám 10

1.2.1 Khái niệm về viễn thám 10

1.2.2 Nguyên lý cơ bản của công nghệ viễn thám 11

1.2.3 Ưu điểm của công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biến động đường bờ 16

1.3 Đặc điểm tư liệu ảnh vệ tinh LANDSAT 18

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu tách ranh giới nước - đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ ở trong và ngoài nước 21

1.4.1 Trên thế giới 21

1.4.2 Trong nước 26

1.5 Biến động đường bờ khu vực ven biển phía nam Việt Nam 29

Chương 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÁCH RANH GIỚI NƯỚC - ĐẤT LIỀN TỪ TƯ LIỆU

VIỄN THÁM 34

2.1 Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên 34

2.1.1 Đặc trưng phản xạ phổ của đất 35

2.1.2 Đặc trưng phản xạ phổ của nước 37

2.1.3 Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật 39

2.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp chiết tách thông tin ranh giới nước – đất liền từ tư liệu viễn thám 42

2.3 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Landsat trong chiết tách thông tin ranh giới nước – đất liền 44

2.3.1 Tiền xử lý ảnh vệ tinh Landsat 44

2.3.2 Xác định phản xạ phổ bề mặt 46

Chương 3: THỰC NGHIỆM TÁCH RANH GIỚI NƯỚC - ĐẤT LIỀN KHU VỰC VÙNG BỜ BIỂN PHÍA ĐÔNG TỈNH CÀ MAU TỪ TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT 53

3.1 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 53

3.1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình 53

3.1.2 Đặc điểm sông ngòi, thủy văn 54

3.1.3 Đặc điểm tài nguyên biển 55

3.2 Dữ liệu khu vực nghiên cứu 56

3.3 Kết quả xử lý tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian phục vụ chiết tách thông tin ranh giới nước - đất liền 58

3.4 Kết quả chiết tách thông tin ranh giới nước - đất liền 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

NDVI Normalized diffirence vegetation

NDWI Normalized Difference Water Index Chỉ số khác biệt nước

MNDWI Modified Normalized Difference

Water Index

Chỉ số khác biệt nước điều chỉnh

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

UTM Universal Trasverse Mercator Hệ tọa độ vuông góc

NASA National Aeronautics and Space

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ phức hợp nguyên nhân của xói lở, bồi tụ bờ biển (chỉnh

sửa từ Gegar, 2007) 8

Hình 1.2 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám 12

Hình 1.3 Các dải sóng điện từ 13

Hình 1.4 Ảnh Landsat và kết quả tính chỉ số NDWI 23

Hình 1.5 Ảnh Landsat và kết quả tính chỉ số MNDWI 24

Hình 1.6 So sánh các chỉ số NDWI (c), MNDWI (d), AWEI (e) và WNDWI (f) từ ảnh vệ tinh Landsat 5 năm 2017 24

Hình 1.7 Kết quả chiết tách thông tin ranh giới nước - đất liền giai đoạn 1989 - 2001 trong nghiên cứu của Alesheikh 25

Hình 1.8 Kết quả xác định biến động đường bờ hồ Núi Cốc giai đoạn 1993 - 2007 27

Hình 1.9 Ảnh vệ tinh đa thời gian khu vực cửa Tư Hiền, Thừa Thiên Huế 28

Hình 1.10 Biến động đường bờ khu vực Hàm Tiến, Phan Thiết 28

Hình 2.1 Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên 34

Hình 2.2 Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc độ ẩm của đất 36

Hình 2.3 Khả năng thấu quang của một số loại nước 39

Hình 2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thực vật 41

Hình 2.5 Mô hình xây dựng bản đồ ranh giới nước - đất liền theo phương pháp tỉ số ảnh Alesheikh 42

Hình 2.6 Hệ tọa độ ảnh và các điểm khống chế GCP 46

Hình 3.1 Ảnh vệ tinh Landsat 5 TM ngày 17/03/2002 ở tổ hợp màu 543 56

Hình 3.2 Ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+ ngày 03/02/2007 ở tổ hợp màu 543 57

Hình 3.3 Ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI ngày 14/02/2017 ở tổ hợp màu 654 58

Hình 3.4 Kết quả phân ngưỡng ở kênh 5 ảnh Landsat 5 ngày 17/03/2002 (ảnh 1) 59 Hình 3.5 Kết quả tính ảnh tỉ lệ kênh 2/kênh 4 (a) và kênh 2/kênh 5 (b) đối với ảnh vệ tinh Landsat 5 TM ngày 17/03/2002 60 Hình 3.6 Kết quả tính ảnh tỉ lệ kênh 2/kênh 4 >1 and kênh 2/kênh 5 >1 (ảnh 2) đối với ảnh vệ tinh Landsat năm 2002 60 Hình 3.7 Kết quả nhân ảnh 1 và 2 trong phương pháp tỉ lệ ảnh Alesheikh đối với ảnh Landsat 5 TM ngày 17/03/2002 (ảnh 3) 61 Hình 3.8 Kết quả lọc nhiễu ảnh 3 đối với ảnh vệ tinh Landsat 5 ngày 17/03/2002 61 Hình 3.9 Kết quả phân ngưỡng ở kênh 5 ảnh Landsat 7 ngày 03/02/2007 (ảnh 1) 62 Hình 3.10 Kết quả tính ảnh tỉ lệ kênh 2/kênh 4 (a) và kênh 2/kênh 5 (b) đối với ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+ ngày 03/02/2007 62 Hình 3.11 Kết quả tính ảnh tỉ lệ kênh 2/kênh 4 >1 and kênh 2/kênh 5 >1 (ảnh 2) đối với ảnh vệ tinh Landsat năm 2007 63 Hình 3.12 Kết quả nhân ảnh 1 và 2 trong phương pháp tỉ lệ ảnh Alesheikh đối với ảnh Landsat 7 ETM+ ngày 03/02/2002 (ảnh 3) 63 Hình 3.13 Kết quả lọc nhiễu mảnh 3 đối với ảnh vệ tinh Landsat 7 ngày 03/02/2007 64 Hình 3.14 Kết quả phân ngưỡng ở kênh 5 ảnh Landsat 8 ngày 14/02/2017 (ảnh 1) 65 Hình 3.15 Kết quả tính ảnh tỉ lệ kênh 3/kênh 5 (a) và kênh 3/kênh 6 (b) đối với ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 14/02/2017 65 Hình 3.16 Kết quả tính ảnh tỉ lệ kênh2/kênh4 >1 and kênh2/kênh5 >1 (ảnh 2) đối với ảnh vệ tinh Landsat năm 2017 65

Hình 3.17 Kết quả nhân ảnh 1 và 2 trong phương pháp tỉ lệ ảnh Alesheikh đối với ảnh Landsat 8 ngày 14/02/2017 (ảnh 3) 66 Hình 3.18 Kết quả lọc nhiễu ảnh 3 đối với ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 14/02/2017 66 Hình 3.19 Kết quả tách ranh giới nước - đất liền khu vực nghiên cứu 68 giai đoạn 2002 – 2017 68 Hình 3.20 Kết quả chồng xếp ranh giới nước - đất liền khu vực phía Đông bờ biển tỉnh Cà Mau giai đoạn 2002 - 2017 68

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các dải phổ của sóng điện từ 14 Bảng 1.2 Đặc trưng bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 19 Bảng 2.1 Độ thấu quang của nước phụ thuộc bước sóng 38 Bảng 2.2 Giá trị hệ số Lmax, Lmin đối với các kênh ảnh LANDSAT 5 TM 47 Bảng 2.3 Giá trị hệ số Lmax, Lmin đối với các kênh ảnh LANDSAT 7 ETM+ 47 Bảng 2.4 Giá trị M L, A L đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8 48 Bảng 2.5 Giá trị ESUNλ đối với các kênh phổ ảnh LANDSAT 5 TM 49 Bảng 2.6 Giá trị ESUNλ đối với các kênh phổ ảnh LANDSAT 7 ETM+ 49

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Nguyễn Duy Quyết

Cán bộ hướng dẫn: TS Vũ Danh Tuyên

Tên đề tài: Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường

bờ (Thực nghiệm tại vùng biển phía nam Việt Nam)

- Từ khóa: Phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước - đất liền

- Tóm tắt nội dung:

Về lý thuyết, luận văn nghiên cứu cơ sở khoa học và lựa chọn phương pháp chiết tách ranh giới nước - đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh landsat phục vụ cho công tác xác định biến động đường bờ Về thực nghiệm, luận văn đã tiến hành thực nghiệm tại vùng biển phía đông tỉnh Cà Mau Kết quả cho thấy, phương pháp tỷ lệ ảnh do Alesheikh đề xuất năm 2006 có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác (tổ hợp màu, phân ngưỡng, sử dụng các chỉ số mặt nước…) trong chiết tách ranh giới nước - đất liền Trong điều kiện tư liệu hiện có cũng như điều kiện cụ thể ở Việt Nam có thể áp dụng hiệu quả phương pháp này trong tự động tách ranh giới nước - đất liền phục vụ xác định biến động đường bờ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một quốc gia ven biển, chịu tác động rất lớn của hiện tượng biến động đường bờ biển Biến động đường bờ biển là kết quả của các tác động địa chất và tác động của sóng biển diễn ra trong thời gian dài Việc điều tra, quan trắc, đo đạc hiện tượng biến động đường bờ này là rất cần thiết Với sự gia tăng không ngừng dân cư và các khu kinh tế phát triển dọc đới ven bờ thì việc nghiên cứu các hiện tượng xói lở, bồi tụ, thay đổi đường

bờ nói trên có ý nghĩa cực kỳ quan trọng Nó cho phép dự báo, cảnh báo về tình trạng biến động đường bờ từ đó đưa ra các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu thiệt hại do chúng gây ra

Ngày nay với sự bùng nổ của lĩnh vực công nghệ thông tin, tư liệu ảnh viễn thám là tư liệu ưu việt nhất để thực hiện các mục đích nói trên, bởi vì chúng được thu thập theo một chu kỳ nhất định tạo nên dữ liệu đa thời gian,

có thể quan trắc một vùng rộng lớn

Những phương pháp nghiên cứu truyền thống dựa trên kết quả điều tra, thăm dò, đo đạc thực địa thường khó giải quyết được bài toán ở quy mô rộng lớn cũng như tốn kém về sức người, sức của

Việc ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám trong nghiên cứu, phân tích đánh giá biến động đường bờ trên thế giới đã được áp dụng rộng rãi Công nghệ xử

lý ảnh kết hợp với các công cụ của GIS cũng phát triển nhanh chóng đáp ứng các nhu cầu thực tế

Ở Việt Nam công nghệ viễn thám phát triển muộn hơn rất nhiều so với thế giới nhưng cũng đạt được một số kết quả nghiên cứu nhất định như:

- Nghiên cứu của Vũ Danh Tuyên, Trịnh Lê Hùng (2013), Nghiên cứu phương pháp xác định biến động đường bờ từ kết quả phân loại ảnh viễn thám

đa thời gian, Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường, số 01(2013)

- Nghiên cứu của Phạm Thị Phương Thảo (2011), Ứng dụng viễn thám

và GIS trong theo dõi và tính toán biến động đường bờ khu vực Phan Thiết, Tạp chí khao học và công nghệ biển T11 (2011) Số 3.Tr 1-13

- Nghiên cứu của Lâm Đạo Nguyên và nnk (2010), Phân tích biến động đường bờ sông Cửu Long sử dụng tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian, Kỷ yếu viện địa lý Tài nguyên TP Hồ Chí Minh

Tóm lại, Các công trình nghiên cứu trước đây ở Việt Nam nói trên đã cung cấp những cơ sở quan trọng liên quan đến xác định biến động đường bờ, một số nghiên cứu đã đề cập đến các phương pháp tách ranh giới nước đất liền từ tư liệu ảnh viễn thám (nghiên cứu của Vũ Danh Tuyên và Trịnh Lê Hùng - 2013), tuy nhiên chưa lựa chọn phương pháp nào tốt nhất để tự động xác định ranh giới nước - đất liền Các nghiên cứu khác mới chỉ dừng lại ở mức mô tả chưa có phân tích quy trình tách ranh giới nước - đất liền (nghiên cứu của Phạm Thị Phương Thảo - 2011), một số nghiên cứu chỉ tập trung vào xác định biến động đường khu vực sông và cửa sông (Nghiên cứu của Lâm Đạo Nguyên và nnk -2010)

Dải ven biển phía Nam Việt Nam là vùng đất đa dạng về sinh học, với nhiều ngành nghề phát triển như: Nông nghiệp, thủy sản, lâm nghiệp, diêm nghiệp và du lịch…Đây là vùng đất có nhiều tiềm năng và điều kiện thuận lợi cho việc phát triển kinh tế - xã hội Qua điều tra, thống kê các tài liệu lịch sử, tổng hợp kết quả của các nghiên cứu, cho thấy biến động hình thái dải ven biển khu vực này hết sức phức tạp Ở một số đoạn bờ biển như: Bờ biển Gò Công tỉnh Tiền Giang, Thạnh Phú tỉnh Bến Tre, Hiệp Thạnh tỉnh Trà Vinh, Vĩnh Châu tỉnh Sóc Trăng, Gành Hào tỉnh Bạc Liêu và Cà Mau, xói lở diễn ra khá nghiêm trọng, đe dọa trực tiếp đến sự an toàn của các tuyến đê biển vốn được xem là lá chắn hữu hiệu trước những tác động bất lợi từ biển

Trước tình hình trên, việc nghiên cứu, lựa chọn phương pháp tự động hóa xác định ranh giới nước – đất liền phục vụ công tác giám sát diễn biến đường

bờ là một bài toán có tính khoa học và thực tiễn cao Do đó, học viên đã lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu phương pháp tự động hóa tách ranh giới nước - đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (thực nghiệm tại khu vực vùng biển phía nam Việt Nam)”

2 Mục tiêu

* Nghiên cứu cơ sở khoa học và lựa chọn phương pháp chiết tách ranh giới nước - đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ (thực nghiệm tại khu vực vùng ven biển phía nam Việt Nam) Từ đó bổ sung cơ sở khoa học tự động tách ranh giới nước - đất liền từ

tư liệu ảnh viễn thám phục vụ công tác xác định biến động đường bờ

* Sản phẩm dự kiến:

- Kết quả đánh giá biến động đường ranh giới nước - đất liền giai đoạn

2002 - 2017;

- Báo cáo luận văn tốt nghiệp

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám trong xác định ranh giới nước - đất liền;

- Phương pháp viễn thám: Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh (tỉ số ảnh, tổ hợp màu, hiệu chỉnh bức xạ );

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước trong đánh giá biến động đường bờ từ tư liệu viễn thám

đa thời gian, trong đó có ảnh vệ tinh Landsat;

- Phương pháp kế thừa: Phân tích, lựa chọn sáng tạo các mô hình thích hợp trong tự động hóa tách ranh nước - đất liền từ tư liệu ảnh viễn thám Landsat

4 Phạm vi và khối lượng nghiên cứu

Khu vực vùng biển phía nam Việt Nam trải dài từ bờ biển TP Hồ Chí minh đến Kiên Giang, do điều kiện về tư liệu và thời gian nghiên cứu của luận văn, tác giả chỉ tiến hành thực nghiệm tại “vùng biển phía Đông tỉnh Cà Mau” giai đoạn 2002 - 2017 Kết quả thực nghiệm này có thể áp dụng tương

tự cho vùng bờ khu vực khác

Dữ liệu ảnh vệ tinh đa phổ ảnh LANDSAT các năm 2002, 2007, 2017 cho khu vực bờ biển phía đông Cà Mau

Xử lý ảnh số nhằm tách ranh giới nước - đất liền khu vực phía đông tỉnh

Cà Mau trong giai đoạn 2002 - 2017

5 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Khái niệm biến động đường bờ, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước…;

- Nghiên cứu cơ sở khoa học và lựa chọn phương pháp chiết tách thông tin ranh giới nước - đất liền từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat;

- Thu thập tư liệu và xử lý ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian khu vực phía đông tỉnh Cà Mau giai đoạn 2002 - 2017;

- Thực nghiệm tách ranh giới nước - đất liền khu vực ven biển phía Đông tỉnh Cà Mau giai đoạn 2002 - 2017 từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat;

- Kết luận: Nội dung nghiên cứu bổ sung cơ sở khoa học và thực nghiệm tách ranh giới nước - đất liền bằng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat

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

Kỹ thuật viễn thám là giải pháp hữu hiệu trong nghiên cứu biến động tài nguyên thiên nhiên nói chung và xác định ranh giới nước - đất liền nói riêng Các tư liệu viễn thám cùng với hệ thống thông tin địa lý giúp cho có thể thu thập thông tin và đánh giá hiện trạng một cách nhanh nhất và hiệu quả nhất trên quy mô rộng lớn

7 Bố cục luận văn

Ngoài các phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo, nội dung luận văn được trình bày gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và lựa chọn phương pháp tách ranh giới nước - đất liền từ tư liệu ảnh viễn thám

Chương 3: Thực nghiệm tách ranh giới nước - đất liền khu vực vùng biển phía đông tỉnh Cà Mau từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về nghiên cứu biến động đường bờ

1.1.1 Một số khái niệm

Khái niệm đường ranh giới nước - đất liền: Là đường giới hạn của mức nước (Sông, suối, ao, hồ, biển)

Khái niệm đường bờ: Đường bờ là đường ranh giới nước - đất liền cao nhất trung bình nhiều năm được tạo thành bởi hoạt động của nước qua cả một quá trình lịch sử lâu dài Hay nói cách khác đường bờ được định nghĩa là đường biên giữa đất và nước, nó là một trong những đặc trưng quan trọng trên

bề mặt trái đất

Bờ biển có ý nghĩa rất to lớn đối với sự sống và phát triển của xã hội loài người từ xa xưa cho đến nay và cả trong tương lai [1]

Bờ biển: (dù theo nghĩa hẹp chỉ là đường phân chia ranh giới giữa lục địa

và biển, hoặc theo nghĩa rộng hơn là một dải đất nằm trong phạm vi tương tác giữa các quá trình trên lục địa và các quá trình biển) là môi trường động nhất trên toàn bộ mặt đất

Bờ biển cũng là nơi tiếp xúc và tương tác của ba trạng thái của vật chất: rắn, lỏng và khí Chính vì vậy, bờ biển là nơi giàu có nhất về mặt tài nguyên thiên nhiên, là nơi trong lành nhất về môi trường Vì thế, từ xa xưa, nhiều dân tộc và bộ lạc đã tìm đến định cư trên bờ biển và đã để lại trên dải đất này nhiều dấu ấn kinh tế - văn hóa quan trọng đối với loài người, như nền Văn minh Lưỡng Hà, nền Văn minh Ai Cập cổ đại, v.v

Hiện nay, có khoảng trên 2/3 số thành phố đông dân nhất trên thế giới được phân bố trên bờ biển Ngoài ra, còn có rất nhiều cơ sở công nghiệp và kinh tế quan trọng khác cũng được bố trí trên bờ biển Bờ biển là bàn đạp để

con người tiến ra biển và đại dương để mở mang giao lưu với nhau trên quy

mô khu vực hay toàn cầu [1]

Khái niệm về biến động: Biến động là sự biến đổi, thay đổi, thay thế

trạng thái này bằng một trạng thái khác của các sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội

Việc giám sát và đo lường sự thay đổi đường bờ là một công việc quan trọng trong công tác quản lý và theo dõi vùng bờ ven biển, bao gồm nhiều vấn

đề quan trọng như bảo vệ và mở rộng đường bờ, bảo vệ nguồn tài nguyên biển hay dự đoán mức độ tổn thương

Có hai loại biến động:

- Biến động về diện tích đối tượng (Biến động lượng)

Giả sử cùng đối tượng A ở thời điểm T1 có diện tích là S1, ở thời điểm T2 có diện tích là S2 (đối tượng A đó được thu nhận từ hai ảnh viễn thám có thời gian chụp khác nhau T1, T2) như vậy ta nói rằng đối tượng A bị biến động về diện tích ở thời điểm T2 so với T1 (Sự biến đổi này có thể lớn hơn hay nhỏ hơn) nếu ta dùng kỹ thuật để chồng xếp hai lớp thông tin này thì phần diện tích của phần trùng nhau sẽ được gán giá trị cũ của đối tượng A, còn giá trị khác sẽ là giá trị của phần biến động Giá trị biến động này là bao nhiêu tăng hay giảm phụ thuộc vào thuật toán được sử dụng

- Biến động về bản chất đối tượng

Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác nhau, diện tích A ở thời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2 (M1, M2 là các giá trị phổ) , khi ta sử dụng thuật toán chồng ghép hai lớp thông tin tại thời điểm T1, T2 sẽ suất hiện giá trị M khác M1, M2 Giả sử diện tích A không đổi ta nói rằng có sự thay đổi về chất của A, trên thực tế đây là

sự thay đổi loại hình sử dụng đất

1.1.2 Nguyên nhân gây biến động đường bờ

Qua các khảo sát và nghiên cứu bước đầu cho thấy biến động dải ven biển là một quá trình tự nhiên phức tạp, là hệ quả tương tác giữa rất nhiều yếu

tố Hình 1.1 trình bày những yếu tố gây ra xói lở bồi tụ bờ biển, trong đó các yếu tố tác động đến quá trình xói lở bồi tụ bờ biển được phân làm hai nhóm: Các yếu tố tự nhiên và tác động của con người Việc đánh giá xác định nguyên nhân xói bồi phải xem xét đầy đủ trên các phương diện như sự vận chuyển bùn cát dưới tác động của sóng, gió và dòng triều; các tác động của con người trong phạm vi dọc bờ biển, trên các lưu vực sông, theo không gian cũng như thời gian [2, 4]

Hình 1.1 Sơ đồ phức hợp nguyên nhân của xói lở, bồi tụ bờ biển

của rừng ngập mặn Bên cạnh các yếu tố tự nhiên, các tác động do con người tạo ra cũng cần được xem xét theo không gian cũng như theo thời gian [2]

1.1.3 Ảnh hưởng của biến động đường bờ

Hiện nay, Việt Nam có 28 đơn vị hành chính cấp tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương (trong số 63 tỉnh, thành phố) giáp biển với tổng chiều dài đường bờ là 3.670km theo Nguyễn Địch Dỹ và nnk, 1995 Con số này rất khác so với số liệu được ghi tại các văn kiện của nước ta từ trước đến nay là 3.260km Theo CIA World Factbook (2005), đường bờ biển Việt Nam có chiều dài là 3.444km (xếp thứ 32 trong tổng số 156 quốc gia và vùng lãnh thổ

có biển) Gần đây nhất, con số được Mimura N đưa ra là 11.409km theo Mimura, 2008 (có lẽ tính cả đường bờ của các đảo?)

Cũng như trên thế giới, bờ biển Việt Nam cũng rất giàu có về tài nguyên thiên nhiên Chính vì vậy, hiện nay có rất nhiều đô thị (các thành phố Hạ Long, Hải Phòng, Đồng Hới, Đà Nẵng, Quy Nhơn, Nha Trang, Phan Rang-Tháp Chàm, Phan Thiết, Vũng Tàu, Hồ Chí Minh, Rạch Giá và rất nhiều thị xã), các điểm quần cư đông dân (Ngư Lộc ở Thanh Hóa, Long Hải ở Bà Rịa-Vũng Tàu, v.v.) , các cơ sở kinh tế quan trọng và nhiều dịch vụ khác đã, đang

và sẽ tiếp tục được bố trí ở đây Hiện nay, đã có tới 15 khu kinh tế biển được hình thành theo quyết định số 1353/QĐ-TTg ngày 23 tháng 9 năm 2008 của Thủ tướng Chính phủ về quy hoạch phát triển các khu kinh tế ven biển Việt Nam đến năm 2020 gồm: Vân Đồn (Quảng Ninh), Đình Vũ - Cát Hải (Hải Phòng), Nghi Sơn (Thanh Hóa), Đông Nam Nghệ An (Nghệ An), Vũng Áng (Hà Tĩnh), Hòn La (Quảng Bình), Chân Mây-Lăng Cô (Thừa Thiên Huế), Chu Lai (Quảng Nam), Dung Quất (Quảng Ngãi), Nhơn Hội (Bình Định), Nam Phú Yên (Phú Yên), Vân Phong (Khánh Hòa), Định An (Trà Vinh), Năm Căn (Cà Mau) và Phú Quốc (Kiên Giang) với tổng diện tích lên tới 662.000ha [2]

Trong khoảng vài chục năm trở lại đây, bờ biển Việt Nam cũng bị biến đổi rất mạnh mẽ, đặc biệt là xói lở ngày càng được mở rộng cả về quy mô lẫn cường độ Hiện tượng xói lở đã trở nên phổ biến trên toàn bộ các đoạn bờ biển của nước ta vốn trước đây vẫn được tích tụ Tuy chưa có thiệt hại về người, nhưng xói lở bờ biển đã gây ra nhiều tổn thất về tài sản và ảnh hưởng không tốt đến sự phát triển kinh tế - xã hội của các tỉnh ven biển nói riêng và của cả nước nói chung, như làm mất nhiều nhà cửa, cơ sở hạ tầng, đất canh tác, v.v , đặc biệt ở hai đồng bằng lớn: Bờ biển đồng bằng Bắc Bộ và bờ biển đồng bằng sông Cửu Long [4]

Bảo vệ đường bờ khỏi sạt lở là một vấn đề mang tính cấp bách và lâu dài, gắn liền với quá trình phát triển của xã hội và tự nhiên

1.2 Tổng quan về công nghệ viễn thám

1.2.1 Khái niệm về viễn thám

Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu

vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu theo “Giáo trình viễn thám”-

Nguyễn Khắc Thời

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

hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định

nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "Viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất" Dưới đây là định

nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau Sóng điện từ

được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là những nguồn tư liệu chính trong công nghệ viễn thám

- Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó theo Ficher và nnk, 1976

- Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định theo Barret và Curtis, 1976

- Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo

từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó Năng lượng được

đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm theo D A Land Grete, 1978

- Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của trái đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất theo Janes B Capbell, 1996

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

- Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng theo Floy Sabin 1987

1.2.2 Nguyên lý cơ bản của công nghệ viễn thám

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng

đã xác định Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh

viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau

do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể

Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tầu con thoi hoặc vệ tinh )

Có thể hình dung hệ thống viễn thám một cách đơn giản theo hình 1.2 Bức xạ mặt trời một phần bị khuyếch tán trong khí quyển; khi xuống đến mặt đất, một phần bị hấp thụ, một phần truyền qua, một phần phản xạ Bộ cảm trên vệ tinh thu những sóng phản xạ này - sóng điện từ mang thông tin Tín hiệu thu được từ vệ tinh truyền xuống trạm thu trên mặt đất Sau khi được xử

lý bằng công nghệ xử lý ảnh số hay giải đoán bằng mắt thường, những thông tin này sẽ chuyển đến cho người dùng

Hình 1.2 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám

A: năng lượng sóng điện từ được bức xạ từ nguồn cung cấp

B: năng lượng này tương tác với các phân tử trong khí quyển

C: khi đến mặt đất, năng lượng tương tác với bề mặt vật thể

D: năng lượng phản xạ được tách và ghi nhận bởi bộ cảm biến

E: truyền dữ liệu về các trạm thu để xử lý

F: giải đoán và phân tích ảnh viễn thám

G: ứng dụng ảnh viễn thám vào các lĩnh vực liên quan

Bộ cảm biến chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được 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 cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định (từ cực tím đến hồng ngoại) nên người ta còn gọi là dữ liệu ảnh đa phổ hay đa kênh

Tất cả các vật chất phát ra một dải của năng lượng điện từ với cực trị truyền dần theo hướng các bước sóng ngắn hơn, khi nhiệt độ của vật chất tăng lên Sóng điện từ kéo dài từ các bước sóng rất ngắn của vùng tia gamma - được đo bằng phần mười của nanomet (10-9m) - đến sóng dài của vùng sóng radio (được đo bằng mét) Lưu ý dải nhìn thấy (bước sóng từ 0,4 - 0,7μm chỉ chiếm một đoạn ngắn trong quang phổ điện từ Năng lượng phản xạ từ trái đất vào ban ngày có thể ghi lại như một hàm số của các bước sóng Cực đại của năng lượng được phản xạ ở bước sóng 0,5μm, nó tương đương với band dải màu xanh lá cây (green) của dải nhìn thấy Cực đại của năng lượng bức xạ xuất hiện ở band nhiệt vùng hồng ngoại (Infrared-IR) với bước sóng 0,7μm

Hình 1.3 Các dải sóng điện từ

Ultraviolet

Visible Infrared

Khí quyển của trái đất hấp thụ năng lượng ở các vùng tia gamma, tia X và phần lớn ở tia cực tím (UV), do đó những sóng điện từ vùng này không được

sử dụng trong viễn thám Viễn thám ghi lại năng lượng ở vùng sóng cực ngắn, hồng ngoại nhìn thấy và cả phần bước sóng dài ở vùng cực tím - sóng điện từ mang thông tin

Các hệ thống viễn thám bị động ghi lại năng lượng mà được bức xạ tự nhiên hay phản xạ từ một số đối tượng, còn hệ thống viễn thám chủ động được cung cấp một năng lượng riêng cho nó và chiếu trực tiếp vào đối tượng nhằm mục đích đo đạc phần năng lượng đi trở về Việc chụp bằng đèn Flash

là một ví dụ cho viễn thám chủ động Trái lại, việc ghi lại nguồn sáng có thể

có của địa hình đó là viễn thám bị động Một dạng khác phổ biến của viễn thám chủ động, đó là radar Nó được cấp một nguồn năng lượng riêng của năng lượng điện từ ở bước sóng radar Bảng 1.1 ghi rõ bước sóng, đặc điểm của các dải phổ của sóng điện từ

Bảng 1.1 Các dải phổ của sóng điện từ

Tia gamma <0,03nm

Bức xạ tới thường hấp thụ toàn bộ bởi tầng khí quyển phía trên và không có khả năng dùng trong viễn thám

Vùng tia X 0,03-30nm Hoàn toàn bị hấp thụ bởi khí quyển phía trên và

không được sử dụng trong viễn thám

Vùng tia cực

tím 0,03-0,4μm

Các bước sóng tới nhỏ hơn 0,3μm thì hoàn toàn

bị hấp thụ bởi tầng ôzôn trong tầng khí quyển bên trên

Vùng tia cực

tím chụp ảnh 0,3-0,4μm

Truyền qua khí quyển, ghi nhận được vào phim

và các photodetector (con mắt điện tử), nhưng bị tán xạ mạnh trong khí quyển

Dải phổ Bước sóng Ðặc điểm

Vùng nhìn thấy 0,4-0,7μm Tạo ảnh với phim và photodetector, có cực đại

của năng lượng phản xạ ở 0,5μm

Vùng hồng

ngoại 0,7-3μm

Phản xạ lại bức xạ mặt trời, không có thông tin

về tính chất của đối tượng Band từ 0,7-0,9μm, được nghiên cứu với phim và được gọi là band ảnh hồng ngoại

Vùng hồng

ngoại nhiệt

3-5μm 8-14μm

Các cửa sổ chính ở vùng nhiệt ghi thành ảnh ở các bước sóng này yêu cầu phải có máy quét cơ quang học và hệ thống máy thu đặc biệt, gọi là

hệ Vidicon, không phải là bằng phim

Vùng cực ngắn 0,1-30cm Các bước sóng dài hơn có thể xuyên qua mây, sương mù và mưa Các hình ảnh có thể ghi lại

trong dạng chủ động hay thụ động

Vùng Radar 0,1-30cm

Dạng chủ động của viễn thám sóng cực ngắn Hình ảnh radar được ghi lại ở các band sóng khác nhau

Vùng radio >30cm

Ðạt bước sóng dài nhất của quang phổ điện từ Một vài sóng radar được phân ra với bước sóng rất dài được sử dụng trong vùng sóng này Thông tin trên ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối tượng trên mặt đất, bao gồm lớp phủ thực vật, nước và đất trống được ghi nhận thành từng pixel ảnh có độ phân giải không gian xác định, trên nhiều kênh phổ xác định và vào một thời gian xác định

Các loại ảnh vệ tinh thường dùng hiện nay là:

- Loại có độ phân giải thấp (>100m):

+ MODIS (500m);

+ SPOT Vegetation;

- Loại có độ phân giải trung bình (15-100m);

+ LANDSAT TM/ETM+ (30m): bao gồm 7 kênh phổ, thường dùng để làm bản đồ hiện trạng sử đất, hiệu chỉnh bản đồ tỷ lệ nhỏ

+ SPOT: Ảnh đen trắng độ phân giải 5m, ảnh lập thể có thể dùng cho ứng dụng 3D;

+ ASTER (15m);

- Loại có độ phân giải cao (<10m):

+ 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; Đối với các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt, các bức xạ được ghi nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy thuộc vào độ phân giải không gian của bộ cảm

Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3 - 0,4μm), sóng ánh sáng (0,4 - 0,7μm), dải sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt

1.2.3 Ưu điểm của công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biến động đường bờ

Ngày nay, có rất nhiều tư liệu ảnh vệ tinh với các đặc điểm khác nhau hỗ trợ đắc lực cho các công tác nghiên cứu biến động Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động có những ưu điểm nổi bật bao gồm:

- Tư liệu ảnh viễn thám thể hiện một vùng rộng lớn có thể thu nhận sự thay đổi một cách rất nhanh chóng;

- Tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian đáp ứng được nhu cầu khả năng cập nhật và tính chu kỳ trong theo dõi biến động;

- Tư liệu viễn thám đảm bảo tính đồng nhất cao về mặt không gian (cùng khu vực) và thời gian (cùng thời điểm của năm) của thông tin trên phạm vi lãnh thổ rộng lớn, cho phép chỉnh lý, bổ sung các yếu tố thành phần trong trường hợp cần thiết;

- Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám có độ phân giải thích hợp với việc phân loại các đối tượng trong quan sát đo vẽ;

- Tư liệu ảnh viễn thám có thể giải quyết các công việc mà thông thường quan sát trên bề mặt mặt đất rất khó khăn;

- Phân tích ảnh nhanh hơn và giá thành thấp hơn rất nhiều so với quan sát thực địa;

- Tư liệu ảnh cung cấp các thông tin mà trong quan sát thực địa có thể

bỏ sót;

- Các ảnh có thể cung cấp một tập hợp các thông tin để đối chiếu so sánh các hiện tượng có sự thay đổi lớn như: Sử dụng đất, lớp phủ bề mặt như: rừng, nông nghiệp, thủy văn và sự đô thị hóa

Mặc dù có nhiều ưu điểm như trên song việc sử dụng tư liệu ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động vẫn gặp một số hạn chế nhất định Việc thu nhận ảnh viễn thám chịu ảnh hưởng của hai quá trình chính:

- Quá trình tương tác giữa sóng điện từ với đối tượng chụp;

- Quá trình lan truyền của sóng điện từ trong bầu khí quyển

Với việc sử dụng ảnh viễn thám đa thời gian, điều kiện của sóng điện từ (góc, cường độ chiếu sáng) thay đổi cùng với điều kiện khí quyển thay đổi Những thay đổi này đều ảnh hưởng đến việc thu nhận sóng điện từ, nghĩa là ảnh hưởng đến thông tin trên ảnh và điều này sẽ gây lên khó khăn hoặc nhầm lẫn khi theo dõi biến động đường bờ

Để thực hiện được công tác nghiên cứu biến động đường bờ cần phải sử dụng nhiều nguồn tư liệu, kết với với các nguồn thông tin bổ sung khác

Trong quá trình phân tích, xử lý tư liệu ảnh viễn thám cần kết hợp nhuần nhuyễn với các kiến thức về thủy văn, địa lý và thực nghiệm

1.3 Đặc điểm tư liệu ảnh vệ tinh LANDSAT

LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Cho đến nay đã có nhiều thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển

Vệ tinh LANDSAT 1 được phóng năm 1972, lúc đó bộ cảm cung cấp tư liệu chủ yếu là MSS (Multispectral scanner) thuộc loại máy quét quang cơ (Optical-Mechanical Scanner) Vệ tinh LandSat có độ cao bay 705km, góc nghiêng mặt phẳng quĩ đạo là 980 Quĩ đạo đồng bộ mặt trời và bán lặp Thời điểm bay qua xích đạo là 9h39' sáng và chu kỳ lặp 17 ngày Bề rộng tuyến chụp 185km Hệ thống Landsat MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại

Từ năm 1985 vệ tinh LANDAT 3 được phóng và mang bộ cảm TM (Thematic Mapper) Vệ tinh LANDSAT 7 mới được phóng vào quỹ đạo tháng 4/1999 với bộ cảm TM cải tiến gọi là ETM (Enhaced Thematic Mapper) Trên vệ tinh LANDSAT bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được

sử dụng nhiều nhất là TM

Vệ tinh LANDSAT bay ở độ cao 705km, mỗi cảnh TM có độ bao phủ mặt đất là 185x170km với chu kỳ chụp lặp là 16 ngày Có thể nói TM là bộ cảm quan trọng nhất trong việc nghiên cứu tài nguyên và môi trường Tư liệu

TM được cung cấp dưới dạng CCT, CD ROM và băng từ 8mm

Vệ tinh thế hệ thứ 8 - Landsat 8 đã được Mỹ phóng thành công lên quỹ đạo vào ngày 11/02/2013 với tên gọi gốc Landsat Data Continuity Mission (LDCM) Đây là dự án hợp tác giữa NASA và cơ quan Đo đạc Địa chất Mỹ Landsat sẽ tiếp tục cung cấp các ảnh có độ phân giải trung bình (từ 15 - 100 mét), phủ kín ở các vùng cực cũng như những vùng địa hình khác nhau trên

trái đất Nhiệm vụ của Landsat 8 là cung cấp những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, giám sát tài nguyên môi trường, quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực

nông nghiệp

Landsat 8 (LDCM) mang theo 2 bộ cảm: Bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor) Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat thế hệ trước Landsat 8 thu nhận ảnh với tổng số 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài xem chi tiết ở Bảng 1.2 Hai bộ cảm này sẽ cung cấp chi tiết bề mặt Trái Đất theo mùa ở độ phân giải không gian 30m (ở các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, và hồng ngoại sóng ngắn); 100m ở kênh nhiệt và 15m đối với kênh toàn sắc Dải quét của LDCM giới hạn trong khoảng 185x180km Độ cao vệ tinh đạt 705km so với bề mặt trái đất Bộ cảm OLI cung cấp hai kênh phổ mới, kênh 1 dùng để quan trắc biến động chất lượng nước vùng ven bờ và Kênh 9 dùng để phát hiện các mật độ dày, mỏng của đám mây ti (có ý nghĩa đối với khí tượng học), trong khi đó bộ cảm TIRS sẽ thu thập dữ liệu ở hai kênh hồng ngoại nhiệt sóng dài (kênh 10 và 11) dùng để đo tốc độ bốc hơi nước, nhiệt độ bề mặt Bộ cảm OLI và TIRS đã được thiết kế cải tiến để giảm thiểu tối đa nhiễu khí quyển (SNR), cho phép lượng tử hóa dữ liệu là 12 bit nên chất lượng hình ảnh tăng lên so với phiên bản trước

Bảng 1.2 Đặc trưng bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 7 và Landsat 8 [29]

(micrometers)

Độ phân giải (meters) Landsat 7

Vệ tinh Kênh Bước sóng

(micrometers)

Độ phân giải (meters)

- Loại sản phẩm: đã được xử lý ở mức 1T nghĩa là đã cải chính biến dạng do chênh cao địa hình (mức trực ảnh Orthophoto);

- Định hướng: Theo Bắc của bản đồ;

- Phương pháp lấy mẫu: hàm bậc 3;

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

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

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

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

kỳ lặp lại 16 ngày

Hiện nay, ảnh vệ tinh Landsat 8 hoàn toàn có thể khai thác miễn phí từ mạng Internet qua địa chỉ http://earthexplorer.usgs.gov/ Ví dụ khi tải một cảnh có phiên hiệu hàng cột là 127-046 về, sẽ nhận được file nén có tên là

“LC81270462013352LGN00.tar.gz” với dung lượng khoảng 960MB và giải nén sẽ sinh ra 13 file, trong đó 11 file có đuôi được đánh số từ B1 đến B11 tương ứng với 11 kênh phổ của ảnh Landsat 8, kèm theo 01 file báo cáo đánh giá chất lượng có đuôi tên là BQA và 01 file siêu dữ liệu dạng txt chứa các thông tin về thời gian chụp ảnh và tọa độ các góc của cảnh ảnh [30]

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu tách ranh giới nước - đất liền

từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat phục vụ công tác xác định biến động đường bờ ở trong và ngoài nước

1.4.1 Trên thế giới

Công nghệ viễn thám kể từ khi ra đời với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống đã được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường nói chung, trong xác định ranh giới nước – đất liền phục vụ theo dõi, đánh giá biến động đường bờ nói riêng Cho đến nay, trên thế giới đã có nhiều

nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh, trong đó bao gồm cả ảnh quang học

và siêu cao tần nhằm chiết tách thông tin ranh giới nước - đất liền và đánh giá biến động đường bờ

Phương pháp đơn giản nhất trong xác định thông tin ranh giới nước - đất liền từ tư liệu viễn thám là phương pháp tổ hợp màu (bands combination) Phương pháp này dựa trên việc tổ hợp các kênh ảnh ở các dải phổ khác nhau

để tạo sự tương phản ranh giới giữa đất liền và nước Các phương pháp tổ hợp màu để xác định đường bờ thường sử dụng kênh ảnh ở dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và hồng ngoại trung (MIR) do ở các bước sóng này, năng lượng bức xạ bị nước hấp thụ rất lớn Phương pháp tổ hợp màu tốt nhất để tạo sự tương phản rõ rệt giữa đất và nước là tổ hợp màu RGB (Red - Green - Blue) gồm 3 kênh ảnh: Hồng ngoại trung (MIR), cận hồng ngoại (NIR), đỏ (RED) Đối với ảnh Landsat 5 TM và 7 ETM+ các kênh ảnh này tương ứng với kênh

5, kênh 4 và kênh 2, trong khi đó với ảnh Landsat 8 sử dụng các kênh 6, kênh

5 và kênh 3 Trên tổ hợp màu này, nước tương phản rất rõ rệt với đất liền và được đặc trưng bởi màu xanh đen [15]

Bên cạnh phương pháp tổ hợp màu, phương pháp phân ngưỡng (threshold) cũng là một phương pháp đơn giản khác cũng được nhiều nhà khoa học sử dụng trong xác định thông tin ranh giới nước - đất liền Phương pháp phân ngưỡng (threshold) là phương pháp xử lý số phân đoạn ảnh hay tách ảnh làm hai lớp tách biệt nhau bởi một giá trị ngưỡng (threshold) cho trước Đây là kĩ thuật xử lý đơn giản và được sử dụng rất rộng rãi trong các phương pháp phân vùng ảnh Ảnh được xử lý chia ra một lớp có giá trị nhỏ hơn mức độ xám của ngưỡng xác định và lớp kia có giá trị cao hơn Kết quả thu được là một ảnh số với 2 giá trị khác nhau Nhìn chung, phương pháp phân ngưỡng là một phương pháp đơn giản và tỏ ra tương đối hiệu quả trong xác định ranh giới nước - đất liền do có sự tương phản khá rõ rệt giữa chúng

trên ảnh vệ tinh Mặc dù vậy, độ chính xác của kết quả tách ranh giới nước - đất liền phụ thuộc vào ngưỡng được chọn cũng như kinh nghiệm, khả năng của người sử dụng

Để chiết tách thông tin ranh giới nước - đất liền, một số nhà khoa học còn đề xuất các chỉ số như chỉ số khác biệt nước NDWI (Normalized Difference Water Index) hoặc chỉ số khác biệt nước điều chính MNDWI (Modified Normalized Difference Water Index)

Chỉ số NDWI được đề xuất bởi Gao (1996) [19] trên cơ sở sử dụng phản

xạ phổ tại dải sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) Chỉ số NDWI được xác định như sau:

NIR SWIR NDWI

NIR SWIR





 Chỉ số NDWI đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu và cho thấy khả năng phân biệt ranh giới nước – đất liền tương đối tốt

Hình 1.4 Ảnh Landsat và kết quả tính chỉ số NDWI [20]

Chỉ số khác biệt nước điều chỉnh MNDWI được đề xuất bởi McFeeters (1996) [20] trên cơ sở sử dụng phản xạ phổ tại kênh giữa hồng ngoại và kênh xanh lục, trong đó nước hấp thụ rất mạnh năng lương bức xạ điện từ ở dải sóng giữa hồng ngoại Theo nhiều nghiên cứu, chỉ số MNDWI có khả năng phân biệt ranh giới nước – đất liền tốt hơn so với chỉ số NDWI

Chỉ số MNDWI được xác định như sau:

(1.1)

GREEN MIR MNDWI

Hình 1.5 Ảnh Landsat và kết quả tính chỉ số MNDWI [20]

Feyisa et al (2014) [21] đề xuất chỉ số AWEI (Automated Water Extraction Index) trên cơ sở phản xạ phổ ở dải sóng xanh lục và giữa hồng ngoại phục vụ chiết tách thông tin đường bờ Chỉ số AWEI cũng đã được chứng minh tính hiệu quả so với các chỉ số khác trong nghiên cứu diễn biến đường bờ từ ảnh vệ tinh Landsat (Horkaew and Puttinaovarat, 2017) [22]

Hình 1.6 So sánh các chỉ số NDWI (c), MNDWI (d), AWEI (e) và WNDWI (f)

từ ảnh vệ tinh Landsat 5 năm 2017[22]

Hình 1.7 Kết quả chiết tách thông tin ranh giới nước - đất liền giai đoạn

1989 - 2001 trong nghiên cứu của Alesheikh [18]

Gathot Winasor [24] và một số nhà khoa học đã đưa ra phương pháp xác định tự động ranh giới đất liền - nước vào năm 2001 Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng ba kênh ảnh Landsat TM, ETM+ bao gồm: Kênh 2 (xanh, lục), kênh 4 (cận hồng ngoại), kênh 5 (hồng ngoại trung bình) để lập ảnh tỉ số Ảnh tỉ số kênh2/kênh4 được sử dụng để tách vùng bờ có thực vật, trong khi ảnh tỉ số kênh2/kênh5 được sử dụng để tách vùng bờ không có thực vật Kết quả hai ảnh tỉ số trên sẽ bổ sung cho nhau để tạo ranh giới hoàn chỉnh giữa

2001

nước và đất liền Trên ảnh thu được, nước có giá trị lớn hơn 1, giá trị còn lại thể hiện đất liền Kết quả nhận được sẽ được vector hóa để tạo đường ranh giới nước - đất liền, sau đó chồng xếp nhằm đánh giá biến động

Alesheikh (2006) [18] đã phát triển phương pháp do Winasor đề xuất bằng cách sử dụng phân ngưỡng ở kênh hồng ngoại trung (kênh 5) ảnh Landsat 5 TM nhằm nâng cao độ chính xác trong kết quả chiết tách thông tin đường bờ phục vụ đánh giá biến động (hình 1.7) Kết quả nghiên cứu cho thấy, kênh 5 ảnh Landsat 5 TM có khả năng phân biệt tốt ranh giới nước - đất liền, kể cả khu vực có thực vật che phủ ở đường bờ

Nhìn chung, các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh tính hiệu quả và tính ưu việt của phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám để nghiên cứu tách ranh giới nước - đất liền phục vụ đánh giá biến động đường bờ

1.4.2 Trong nước

Tại Việt Nam cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám trong xác định ranh giới nước - đất liền phục vụ công tác đánh giá biến động đường bờ

Trịnh Lê Hùng và Vũ Danh Tuyên (2013) [10] sử dụng kết quả phân loại ảnh vệ tinh đa thời gian, sau đó áp dụng phép lọc đường biên Sobel nhằm chiết tách thông tin nước - đất liền phục vụ đánh giá biến động đường bờ khu vực hồ Núi Cốc, tỉnh Thái Nguyên Phương pháp này khá đơn giản và có thể

áp dụng cho tất cả các loại ảnh vệ tinh khi việc phân loại nước từ ảnh vệ tinh,

kể cả ảnh radar là không khó khăn Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế khi độ chính xác kết quả chiết tách thông tin đường bờ phụ thuộc vào độ chính xác kết quả phân loại (Hình 1.8)

Trần Văn Điện và các cộng sự (2005) [4] đã ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh

đa thời gian, bao gồm ảnh quang học Landsat, ảnh siêu cao tần Radarsat trong đánh giá biến động đường bờ khu vực cửa đầm phá Tam Giang, Cầu Hai Việc