Ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong đánh giá biến động đất nông lâm nghiệp huyện sóc sơn thành phố hà nội

Ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong đánh giá biến động đất nông lâm nghiệp huyện sóc sơn thành phố hà nội

Bộ giáo dục và đào tạo trường đại học nông nghiệp i hà nội

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và ch−a hề đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đ∙ đ−ợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ∙ đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Đặng Trọng Hải

Tôi xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ Phòng Công nghệ viễn thám

và Hệ thông tin địa lý- Viện Địa lý- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

đã hướng dẫn, tạo điều kiện cho tôi được thực hiện đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn sự góp ý chân thành của các Thầy, Cô giáo Khoa Đất và Môi trường, Khoa Sau Đại học - Trường Đại học Nông nghiệp I

Hà Nội, cho bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Trần Quốc Vinh - Khoa Đất và Môi trường - Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, các Thầy, Cô giáo,

đồng nghiệp và bạn bè đã quan tâm và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn Uỷ ban nhân dân huyện Sóc Sơn, Phòng thống kê, Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Sóc Sơn là những đơn vị đã giúp đỡ tôi rất nhiệt tình trong thời gian nghiên cứu

Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 8 năm 2006

Tác giả luận văn

Đặng Trọng Hải

Mục lục

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng vii

Danh mục các biểu đồ viii

Danh mục các sơ đồ viii

Danh mục các ảnh ix

Danh mục các hình ix

1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 3

1.2.1 Mục đích nghiên cứu 3

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

1.2.3 Phạm vi nghiên cứu 3

1.3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.4 Những đóng góp của đề tài 4

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 5

2.1 Tình hình sử dụng kết hợp viễn thám và GIS trên thế giới và 5

ở Việt Nam

2.1.1 Tình hình sử dụng kết hợp viễn thám và GIS trên thế giới 5

2.1.2 Tình hình sử dụng kết hợp viễn thám và GIS ở Việt Nam 8

2.2 Khái quát chung về biến động 10

2.2.1 Khái niệm về biến động 10

2.2.2 Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng GIS 10

2.2.3 Nghiên cứu biến động sau phân loại 12

2.2.4 Các phương pháp đánh giá biến động 13

2.3 Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) 17

2.3.1 Khái quát chung về viễn thám 17

2.3.1.1 Cơ sở vật lý của viễn thám 20

2.3.1.2 Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám 22

2.3.1.3 Hệ thống vệ tinh SPOT 23

2.3.1.4 Phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên 26

2.3.2 Cơ sở khoa học của hệ thống thông tin địa lý (GIS) 30

2.3.2.1 Dữ liệu không gian 31

2.3.2.2 Người điều hành 31

2.3.2.3 Phần cứng và phần mềm 32

2.3.2.4 Một số chức năng cơ bản của phần mềm GIS 33

2.3.2.5 Tổ chức dữ liệu không gian của GIS 34

2.3.3 Kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động 34

2.3.4 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 35

3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 38

3.1 Nội dung nghiên cứu 38

3.2 Phương pháp nghiên cứu 38

3.2.1 Phương pháp thu thập số liệu 38

3.2.2 Phương pháp xử lý số 39

3.2.2.1 Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh SPOT 39

3.2.2.2 Giải đoán ảnh vệ tinh SPOT 39

3.2.2.3 Đánh giá độ chính xác bản đồ sau phân loại 44

3.2.2.4.Thành lập bản đồ chuyên đề 45

3.2.3 Quy trình thành lập bản đồ biến động đất nông - lâm nghiệp 45

4 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 47

4.1 Điều kiện tự nhiên kinh tế - xã hội 47

4.1.1 Điều kiện tự nhiên 47

4.1.1.1 Vị trí địa lý 47

4.1.1.2 Đặc điểm khí hậu, thủy văn 47

4.1.1.3 Đặc điểm địa hình, địa mạo 48

4.1.1.4 Nông hóa thổ nhưỡng 49

4.1.1.5 Các nguồn tài nguyên của huyện Sóc Sơn 50

4.1.1.6 Nhận xét chung về điều kiện tự nhiên 51

4.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội 52

4.1.2.1 Dân số và lao động 52

4.1.2.2 Tình hình sản xuất của các ngành 52

4.1.2.3 Đánh giá chung về điều kiện kinh tế - xã hội 56

4.2 Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất từ ảnh vệ tinh SPOT 57

ở các thời điểm 4.2.1 Xử lý tư liệu ảnh vệ tinh SPOT 57

4.2.2 Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Sóc Sơn 63

từ ảnh vệ tinh SPOT năm 1995, 1999 và 2004

4.2.3 Đánh giá kết quả phân loại bản đồ 64

4.3 Thành lập bản đồ biến đông sử dụng đất huyện Sóc Sơn 65

giai đoạn 1995 - 1999 và 1999 - 2004

4.4 Một số nhận xét về phương pháp 74

5 Kết luận và đề nghị 76

5.1 Kết luận 76

5.2 Đề nghị 76

Tài liệu tham khảo 78

Phần phụ lục 81

Danh mục các chữ viết tắt

System

Hệ thống thông tin địa lý

GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu

NDVI Normal Differrent Vegetation

Index

Chỉ số khác biệt của thực vật

CARES Center for Agriculture

Research and Ecology Studies

Trung tâm Sinh thái nông nghiệp

CRES Center for natural Resource

and Environment Studies

Trung tâm nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và môi trường, Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội

HRV Hight Resolution Visible

imaging system

Hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có độ phân giải cao

HRVIR Hight Resolution Visible and

Infrared imaging system

Hệ thống tạo ảnh nhìn thấy và hồng ngoại có độ phân giải cao

ETM Enhanced Thematic Mapper Bản đồ chuyên đề đã tăng cường

MSS Multispectral Scanner Hệ thống quét đa phổ

FIPI Forest Inventory &Planning

Institude

Viện điều tra Quy hoạch rừng

Danh mục các bảng

Bảng 1: Ma trận biến động 12

Bảng 2: Các thông số kỹ thuật của bộ cảm vệ tinh SPOT 24

Bảng 3: Nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT 57

Bảng 4: Các loại hình sử dụng đất huyện Sóc Sơn 59

Bảng 5: Một số mẫu phân loại sử dụng đất huyện Sóc Sơn 62

Bảng 6: So sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại 63

Bảng 7: Đánh giá kết quả phân loại bản đồ sử dụng đất năm 2004 65

Bảng 8: Biến động sử dụng đất huyện Sóc Sơn giai đoạn 1995 - 1999 66

Bảng 9: Biến động sử dụng đất huyện Sóc Sơn giai đoạn 1999 - 2004 67

Bảng 10: Biến động diện tích đất nông nghiệp huyện Sóc Sơn qua hai 68

giai đoạn (tính theo tổng diện tích tự nhiên) Bảng 11: Biến động diện tích đất nông nghiệp huyện Sóc Sơn qua hai 69

giai đoạn (tính theo tổng diện tích biến động)

Bảng 12: Biến động diện tích đất lâm nghiệp huyện Sóc Sơn qua hai 70

giai đoạn (tính theo tổng diện tích tự nhiên) Bảng 13: Biến động diện tích đất lâm nghiệp huyện Sóc Sơn qua hai 71 giai đoạn (tính theo tổng diện tích biến động)

Bảng 14: Thống kê diện tích đất đai huyện Sóc Sơn năm 1995, 1999, 2004 72

Danh mục các biểu đồ

Biểu đồ 1: So sánh diện tích đất nông - lâm nghiệp huyện Sóc Sơn 73

Biểu đồ 2: Thể hiện biến động các loại hình sử dụng đất huyện Sóc Sơn 73

Danh mục các sơ đồ Sơ đồ 1: Nguyên tắc nghiên cứu biến động sau phân loại 13

Sơ đồ 2: Các phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật 15

Sơ đồ 3: Nguyên tắc nghiên cứu biến động chỉ số thực vật 16

Sơ đồ 4: Cấu trúc hệ thống thông tin địa lý (GIS) 30

Sơ đồ 5: Hệ thống kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động 35

Sơ đồ 6: Quy trình thành lập bản đồ biến động đất nông - lâm nghiệp 46

Sơ đồ 7: Vị trí địa lý vùng nghiên cứu 47

Sơ đồ 8: Chọn điểm khống chế ảnh vệ tinh SPOT 58

Sơ đồ 9: Quá trình số hoá mẫu ảnh vệ tinh SPOT 61

Sơ đồ 10: Phân loại ảnh có kiểm định Maximum Likelihood 63

Sơ đồ 11: Chuyển kết quả phân loại sang phần mềm AcrView 66

Danh mục các ảnh

ảnh 1: Vệ tinh trên quỹ đạo 18

ảnh 2: Vệ tinh SPOT và vị trí của nó trên quỹ đạo 24

ảnh 3: ảnh vệ tinh SPOT năm 1995, 1999 và 2004 58

ảnh 4: Tăng cường chất lượng ảnh vê tinh SPOT 59

ảnh 5: Một số loại hình sử dụng đất chính huyện Sóc Sơn 60

Danh mục các Hình Hình 1: Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS 11

Hình 2: Khái niệm chung của viễn thám 19

Hình 3: Hệ thống viễn thám 19

Hình 4: Bức xạ điện từ 20

Hình 5: Phổ điện từ và các dải sóng dùng trong viễn thám 21

Hình 6: Tương tác cơ bản giữa năng lượng điện từ với đối tượng bề mặt 22

Hình 7: Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám 23

Hình 8: Chụp lập thể vệ tinh SPOT 25

Hình 9: Đặc tính phản xạ của các đối tượng tự nhiên 26

Hình 10: Đặc tính phản xạ của thực vật 27

Hình 11: Tán xạ của mặt trời khi chiếu xuông Trái đất 29

Hình 12: Tán xạ của ánh sáng khi chiếu vào hạt mưa 29

Hình 13: Các lớp dữ liệu trong GIS 31

Hình 14: Nguyên lý trộn màu 41

Hình 15: ảnh vê tinh sau phân loại đã được làm mịn 64

1 mở đầu 1.1 tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là tài nguyên của quốc gia vô cùng quý giá mà thiên nhiên ban tặng cho con người, là tư liệu sản xuất đặc biệt và không thể thay thế được trong sản xuất nông - lâm nghiệp, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường sống, là địa bàn phân bố khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn hóa, xã hội, an ninh và quốc phòng Cha ông ta đã phải trải qua nhiều cuộc

đấu tranh chống giặc ngoại xâm đầy gian khổ, đổ nhiều xương máu để bảo vệ mảnh đất thân yêu và thiêng liêng của dân tộc Vì vậy, để không phụ công ơn của cha ông đi trước, chúng ta cần bảo vệ, sử dụng đất đai một cách đầy đủ, hợp lý và có hiệu quả cao

Trong những năm gần đây, sự phát triển của nền kinh tế thị trường đã làm cho giá đất tăng vọt, đặc biệt ở các vùng ven đô: từ đất nông - lâm nghiệp sang đất thổ cư và đẩy việc quản lý đất đai càng trở nên phức tạp và khó khăn hơn Một thực tế khách quan cho thấy tổng nhu cầu quá lớn về đất đai trong cơ chế thị trường đã phá vỡ nhiều mắt xích của hành lang pháp lý mới thiết lập

để quản lý và sử dụng đất đai

Đối với nhiệm vụ quản lý đất đai, việc hiểu rõ quá trình biến động sử dụng đất diễn biến như thế nào trong những thập kỷ qua là một nhiệm vụ hết sức quan trọng Sự biến động sử dụng đất có thể đóng vai trò quan trọng trong

sự thay đổi môi trường Sự biến động sử dụng đất có ảnh hưởng quan trọng

đến chất lượng đất, nước và đến việc bảo tồn, đa dạng sinh học

Bên cạnh việc phát triển về kinh tế, sự gia tăng dân số nhanh ở nước ta,

đặc biệt ở các thành phố lớn và các vùng ven đô đã tạo sức ép quá lớn đối với

đất về nhà ở, giao thông, môi trường kéo theo là hàng loạt các biến động về quỹ đất và tình hình sử dụng đất Trong tình hình chung đó, Sóc Sơn - một huyện ngoại thành của Hà Nội đã, đang và sẽ diễn ra một sự biến đổi vô cùng nhanh chóng, phức tạp để hội nhập vào hệ thống đô thị của Hà Nội cũng như

cả nước, từ đó đã dẫn đến sự biến đổi hàng loạt theo cả hai chiều tích cực lẫn tiêu cực đến các vấn đề môi trường tự nhiên và môi trường xã hội

Luận văn: “ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong

đánh giá biến động đất nông - lâm nghiệp huyện Sóc Sơn - thành phố Hà Nội" sẽ tập trung nghiên cứu và đưa ra phương pháp thành lập bản đồ hiện

trạng sử dụng đất và bản đồ biến động sử dụng đất nông-lâm nghiệp bằng tư liệu viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Phương pháp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý được chọn để nghiên cứu đánh giá biến động đất nông - lâm nghiệp vì:

Khi nghiên cứu về biến động sử dụng đất cũng như thành lập cơ sở dữ liệu cho những vấn đề này, bằng phương pháp truyền thống sẽ có rất nhiều hạn chế Phương pháp truyền thống đòi hỏi đầu tư lớn về thời gian, công sức trong điều tra và thu thập thông tin, tổng hợp thống kê số liệu từ các cấp Trong các số liệu thu thập được từ các cấp lại không khớp nhau, không chỉnh hợp nên việc xử lý số liệu sẽ khó khăn

Thời gian tổng hợp số liệu và thành lập bản đồ cho khu vực nghiên cứu càng kéo dài thì thông tin trên bản đồ càng lạc hậu và không chính xác Trong khi đó bản đồ sử dụng đất dù ở quốc gia nào đều đòi hỏi nhanh về thời gian, chính xác về loại hình, cập nhật về thông tin Do đó, cần phải có một số công

đoạn, nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp truyền thống trong việc nghiên cứu hiện trạng và biến động lớp phủ thực vật

Với khả năng cung cấp thông tin đa dạng và cập nhật của phương pháp viễn thám, khả năng tích hợp, phân tích thông tin của GIS kết hợp với phương pháp truyền thống thì việc nghiên cứu và thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng

đất và biến động đất nông - lâm nghiệp sẽ đạt hiệu quả cao hơn Trong những

năm gần đây việc "ứng dụng viễn thám và GIS để nghiên cứu biến động lớp phủ" ở nước ta ngày càng phát triển nhanh chóng, luận văn sẽ tập trung vào

việc chiết tách thông tin từ tư liệu viễn thám và ứng dụng các phần mềm GIS

để xử lý thông tin và đưa ra kết quả

1.2 Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Mục đích nghiên cứu

Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỷ lệ 1/25.000 ở một số thời

điểm dựa theo ảnh vệ tinh SPOT từ đó thành lập các bản đồ biến động sử dụng

đất nông - lâm nghiệp trong các giai đoạn tương ứng Tiến hành nghiên cứu biến động, tìm ra các quy luật và xu thế biến động đất nông - lâm nghiệp của huyện Sóc Sơn

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất nông - lâm nghiệp tỷ lệ 1/25.000 ở các thời điểm ảnh đã lựa chọn

- Thành lập các bản đồ biến động sử dụng đất nông - lâm nghiệp tỷ lệ 1/25.000 giữa các thời điểm ảnh

- Tính toán số liệu thống kê và phân tích tìm ra quy luật biến động

1.2.3 Phạm vi nghiên cứu

Về mặt không gian, do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí, đề tài chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu toàn bộ quỹ đất nông - lâm nghiệp của huyện Sóc Sơn theo ranh giới hành chính Đây là nơi có nhiều biến động với tốc độ

đô thị hóa cao của huyện ngoại thành Hà Nội Về mặt tư liệu thì khu vực có nhiều ảnh vệ tinh các thời kỳ và những số liệu thống kê hàng năm để có thể

đáp ứng tốt cho công tác nghiên cứu

Đề tài sử dụng tư liệu ảnh viễn thám ở 3 thời điểm: năm 1995, 1999 và năm 2004, để thành lập các bản đồ hiện trạng và bản đồ biến động sử dụng đất nông - lâm nghiệp tỷ lệ 1/25.000 huyện Sóc Sơn

1.3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong những năm qua ở nước ta, tình trạng chặt phá, khai thác rừng bừa bãi diễn ra khá phổ biến, việc khai thác sử dụng đất không đúng mục đích ngày càng có xu hướng tăng, thậm chí ở những vùng đồi có độ dốc lớn, dẫn

đến nguy cơ về xói mòn đất ngày càng gia tăng, ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái, đời sống, kinh tế và xã hội của người dân

Gia tăng dân số, nhu cầu đất ở, đói nghèo, khai thác rừng bừa bãi, hiện tượng di cư tự do và mở rộng diện tích đất canh tác phục vụ cho mục đích an toàn lương thực là các nguyên nhân làm cho tài nguyên rừng bị suy giảm ở Sóc Sơn trong vài thập kỷ qua Việc đánh giá biến động sử dụng đất nhằm tìm

ra những nguyên nhân, làm tư liệu có căn cứ khoa học để lãnh đạo địa phương

đưa ra những biện pháp bảo vệ và sử dụng bền vững quỹ đất nông - lâm nghiệp của huyện Sóc Sơn

1.4 Những đóng góp của đề tài

- ứng dụng phương pháp xử lý số ảnh vệ tinh và hệ thống thông tin địa

lý (GIS) vào công tác quản lý đất đai

- Xây dựng khóa ảnh vệ tinh cho các loại hình sử dụng đất của huyện

- Sử dụng kỹ thuật viễn thám và GIS thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỷ lệ 1/25.000 ở 3 thời điểm: năm 1995, 1999 và năm 2004 của vùng nghiên cứu

- Sử dụng kỹ thuật viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động sử dụng đất tỷ lệ 1/25.000 giai đoạn từ 1995 - 1999 và 1999 - 2004 của vùng nghiên cứu

- Tính toán và đưa ra các số liệu về sự biến động sử dụng đất qua các giai đoạn tương ứng

- Các kết quả nghiên cứu của luận văn góp phần bổ sung cơ sở dữ liệu của địa phương phục vụ cho công tác quy hoạch và quản lý đất đai

2 tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2.1 Tình hình sử dụng kết hợp viễn thám và gis trên thế giới và ở Việt Nam

2.1.1 Tình hình sử dụng kết hợp viễn thám và GIS trên thế giới

Việc kết hợp giữa công nghệ viễn thám và GIS đã mở ra khả năng to lớn cho việc ứng dụng chúng trong các lĩnh vực Có thể điểm qua những kết quả

đã đạt được trên một số lĩnh vực sau:

* Trong nghiên cứu lâm nghiệp: Có thể nói lâm nghiệp là một trong

những lĩnh vực đầu tiên áp dụng thành tựu của công nghệ viễn thám Hiện nay việc sử dụng tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ rừng, theo dõi biến

động, chặt phá rừng đã trở thành công nghệ phổ biến ở nhiều nước trên thế giới Khi kết hợp viễn thám với GIS đã mở ra nhiều hướng ứng dụng quan trọng như: Dự báo những khu vực có nguy cơ cháy rừng; dự báo sự suy giảm diện tích rừng trên quy mô toàn cầu do biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số; kiểm soát, ngăn chặn sự lây lan của bệnh tật đối với một số loại cây rừng Để

dự báo nguy cơ cháy rừng, người ta sử dụng tư liệu viễn thám để phân loại rừng, còn dữ liệu GIS cung cấp thông tin về địa hình, khí hậu, thời tiết, mạng lưới sông suối và đặc biệt là những thông tin lưu giữ những nơi đã xảy ra cháy rừng, trên cơ sở đó, các thông tin tích hợp sẽ chỉ ra các khu vực có nguy cơ cháy rừng ở mức độ khác nhau Để dự báo sự biến đổi diện tích rừng trên quy mô toàn cầu người ta xây dựng mô hình giữa ảnh NOAA và số liệu thống kê qua nhiều năm về khí hậu, mật độ dân số của từng khu vực, trên cơ sở đó tìm

ra hệ số suy giảm rừng được biểu diễn bằng hàm toán học Bằng cách làm như vậy, người ta đã xây dựng bản đồ mô phỏng lớp phủ rừng toàn cầu cho năm

2025 và xa hơn [24]

* Trong nông nghiệp và sử dụng đất: Phương pháp viễn thám và công

nghệ GIS đã được sử dụng nhiều trong lĩnh vực quản lý và quy hoạch sử dụng

đất [27] ở Thái Lan, để thành lập bản đồ các khu vực trồng Mía người ta sử dụng phương pháp giải đoán bằng mắt các tấm ảnh Landsat TM, sau đó kết quả này được kiểm tra, chỉnh sửa ngoài thực địa bằng GPS Người ta quét ảnh

đã giải đoán và sử dụng phần mềm Microstation để chuyển kết quả về dạng vector, sau đó sử dụng các phần mềm của GIS như MGA (Modular GIS Analysis), MGE (Modular GIS Environmental) để thực hiện các công việc tính toán tiếp theo [19] Thực chất ở đây tư liệu được sử dụng chính là ảnh Landsat TM, còn vai trò của GIS chỉ là cung cấp dữ liệu về địa hình và các công cụ tính toán Cũng tương tự như vậy, ở Trung Quốc, để cập nhật nhanh bản đồ đất trồng Lúa cho các tỉnh, tư liệu được sử dụng chính là ảnh SAR ở các thời điểm khác nhau trên cơ sở kết hợp với bản đồ địa hình, bản đồ sử dụng đất (LU) ở các thời điểm trước [26] ở Nhật Bản, người ta sử dụng viễn thám và GIS kết hợp với dữ liệu thống kê về các sản phẩm nông nghiệp để đưa

ra những đánh giá về năng suất thực ban đầu cho các nước Châu á [25]

Để đánh giá mức độ thích hợp của đất đối với các loại cây trồng nông nghiệp, người ta cũng sử dụng kết hợp viễn thám và GIS ở đây, tư liệu viễn thám được sử dụng để phân loại các đối tượng LU, trên cơ sở phân loại này, kết hợp với bản đồ nông hóa thổ nhưỡng, bản đồ địa hình người ta lập các ma trận tích hợp để đánh giá mức độ thích hợp của từng loại cây trồng như Lúa, Mía, Sắn, đồng cỏ với các loại đất khác nhau [23]

* Trong nghiên cứu địa chất: ảnh máy bay và ảnh vệ tinh là hai tư

liệu được sử dụng nhiều trong nghiên cứu địa chất ngay từ khi chúng mới

được xuất hiện Trong nghiên cứu địa chất, người ta thường sử dụng phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt để thành lập các bản đồ kiến tạo, các đứt gãy địa chất Có nhiều cấu trúc địa chất được phát hiện nhờ ảnh vệ tinh có độ khái quát lớn [22]

* Trong nghiên cứu môi trường, thảm họa thiên tai và dịch bệnh:

Những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu môi trường toàn cầu cũng như môi trường khu vực, các thảm họa thiên nhiên như trượt lở đất, lũ lụt, cháy rừng và thậm chí cả trong nghiên cứu dịch bệnh như viêm não nhật bản, sốt rét [20] Các hiện tượng “hiệu ứng nhà kính”, El nhi nô cũng được nghiên cứu bằng phương pháp viễn thám và GIS

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trượt lở đất trên cơ sở sử dụng kết hợp tư liệu viễn thám và GIS ở đây người ta sử dụng tư liệu viễn thám để thành lập các bản đồ nhiệt độ bề mặt, sử dụng đất, bản đồ phân bố mực nước ngầm, còn dữ liệu GIS là mô hình DEM, độ dốc, trên cơ sở các dữ liệu này người ta tích hợp thông tin trên phần mềm ILWIS 2.02 để tìm ra các vùng có nguy cơ trượt lở đất ở các mức độ khác nhau [22]

Trong nghiên cứu các thảm họa do lụt lội gây ra đã có nhiều công trình

được công bố, đặc biệt từ năm 1997 trở lại đây Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng,

để thành lập bản đồ độ sâu ngập lụt và tần số xuất hiện ngập lụt, việc tích hợp thông tin từ các bản đồ lớp phủ mặt đất (là sản phẩm được làm từ ảnh vệ tinh), bản đồ địa chất, bản đồ hệ thống thoát nước và bản đồ địa vật lý (physiographic map) là tổ hợp tốt nhất [22]

* Trong một số lĩnh vực khác: Có thể nói viễn thám và GIS được ứng

dụng khá rộng rãi, kể cả những lĩnh vực tưởng chừng như rất xa vời so với các công nghệ này, ví dụ như việc ứng dụng trong nghiên cứu mật độ dân cư, xu hướng di cư ở các khu đô thị (sử dụng tư liệu ảnh hồng ngoại nhiệt), thành lập bản đồ các khu du lịch, thậm chí cả trong lĩnh vực kiến trúc, khảo cổ Thực tế

đó đã nói lên vai trò và ý nghĩa to lớn của việc sử dụng kết hợp hai công nghệ này [18], [21]

Việc mở rộng lĩnh vực nghiên cứu và khai thác chúng sao cho có hiệu quả nhất phụ thuộc rất nhiều vào sự tiến bộ về mặt công nghệ cũng như mức

độ quan tâm nghiên cứu của các nhà chuyên môn trong lĩnh vực của mình

2.1.2 Tình hình sử dụng kết hợp viễn thám và GIS ở Việt Nam

Từ những năm 70, Việt Nam đã sử dụng những tấm ảnh máy bay để thành lập bản đồ địa hình và các bản đồ chuyên đề trong lĩnh vực địa chất Năm 1978 Trung tâm nghiên cứu không gian Viện Khoa hoc Việt Nam được thành lập Đây là cơ quan đầu tiên về viễn thám ở Việt Nam Những tư liệu

đầu tiên được sử dụng ở đây là những tấm ảnh vệ tinh Landsat-MSS (Mỹ) từ trạm thu Bangkok Trong thời kỳ này chủ yếu vẫn sử dụng phương pháp giải

đoán ảnh bằng mắt Chỉ từ khi công nghệ thông tin bùng nổ (đầu những năm 1990) thì phương pháp xử lý ảnh số tư liệu viễn thám mới thực sự phát triển Cùng với nó là sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin địa lý, đã tạo

ra sự kết hợp vô cùng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực của các ngành kinh tế quốc dân Hiện nay ở Việt Nam có hơn 20 cơ quan, tổ chức thuộc nhiều bộ, ngành và các Trường Đại học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Mỏ địa chất…) đang sử dụng một cách có hiệu quả các tư liệu viễn thám và GIS trong các chương trình,

dự án thuộc lĩnh vực của mình

a/ Trong nghiên cứu thành lập bản đồ địa hình: Tư liệu viễn thám đã

trở thành nguồn tư liệu chủ yếu trong công tác hiện chỉnh bản đồ địa hình ở các tỷ lệ 1/25.000, 1/50.000 và nhỏ hơn Hiện nay, công tác hiện chỉnh bản đồ

địa hình là một trong những nhiệm vụ quan trọng ở Việt Nam Hàng năm, Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành hiện chỉnh bản đồ địa hình ở các tỷ lệ 1/25.000 và 1/50.000 cho các vùng khác nhau Việc hiện chỉnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 bằng tư liệu viễn thám cho vùng trung du và vùng núi phía Bắc Việt Nam là nhiệm vụ trọng tâm của năm 2001 và các năm tiếp theo Năm 2001, dự án hiện chỉnh bản đồ địa hình

tỷ lệ 1/50.000 cho lưu vực đồng bằng sông Mê Kông đã hoàn thành Để quản

lý đất đai, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã hợp tác với các ngành khác trong

việc xây dựng bản đồ sử dụng đất tỷ lệ 1/250.000 cho toàn quốc; tỷ lệ 1/100.000 và 1/50.000 cho các khu vực khác nhau bằng ảnh vệ tinh Trong cuộc tổng kiểm kê quỹ đất năm 2000, 2005 ảnh vệ tinh đã được sử dụng để thành lập bản đồ sử dụng đất cho các tỉnh Bộ Tài nguyên và Môi trường cũng

đã sử dụng hệ thống PRODIGE để làm ra hơn 1.000 bản đồ tỷ lệ 1/25.000 cho

dự án kiểm kê đất chưa sử dụng và đất có tiềm năng nuôi trồng thủy hải sản Gần đây nhất Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường đã áp dụng thành công việc sử dụng ảnh vệ tinh Spot trong thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp huyện tỷ lệ 1/25.000 của tỉnh Cà Mau

b/ Thành lập bản đồ vùng trồng Lúa: Dự án này được phối hợp thực

hiện giữa CIAS với Viện Radarsat của Canada, đã sử dụng ảnh Radar cho hơn

40 vùng mẫu thử nghiệm với chùm tia rộng và một vài chùm tia tiêu chuẩn ở

đồng bằng sông Mê Kông Mục đích của dự án này nhằm thử nghiệm phương pháp luận xây dựng mô hình dữ liệu đa thời gian để tìm ra những vùng trồng Lúa Dự án này còn được tiếp tục thực hiện bằng chương trình nghiên cứu bổ sung của Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhằm nâng cao độ chính xác của bản đồ thành lập và đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố kinh tế - xã hội tới việc phân bố vùng trồng Lúa ở châu thổ sông Mê Kông

c/ Kiểm kê và bảo vệ rừng: Sau đợt tổng kiểm kê rừng lần cuối cùng

vào năm 1999, Việt Nam bắt đầu tiến hành phân cấp quản lý rừng, điều đó nghĩa là giao quyền quản lý rừng cho hạt kiểm lâm của các tỉnh hoặc các trạm kiểm lâm, chính vì vậy, việc sử dụng ảnh Landsat để thành lập bản đồ lớp phủ rừng tỷ lệ 1/50.000 là rất cần thiết Vấn đề này đã được thực hiện dần từng năm, bắt đầu từ năm 2002

d/ Giám sát, phòng chống thiên tai: Hai dự án về giám sát và phòng

chống ngập lụt của đồng bằng sông Hồng và sông Mê Kông đã được triển khai dưới sự chỉ đạo của Uỷ ban phòng chống thiên tai (DMC) Đáng chú ý ở

đây là hệ thống cảnh báo và phòng chống ngập lụt đồng bằng sông Hồng được

thực hiện bởi Viện Radarsat Tháng 4 năm 2002 thảm họa cháy rừng đã bao phủ lên Vườn quốc gia U Minh (đồng bằng sông Mê Kông) đã gây ra sự mất mát to lớn đối với rừng ngập mặn nguyên sinh, phá hỏng nơi bảo tồn đa dạng sinh học quý giá vừa được phục hồi sau cuộc chiến tranh của đế quốc Mỹ Lần

đầu tiên, tư liệu ảnh vệ tinh MODIS nhận được từ trạm thu đặt tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã được sử dụng để theo dõi, quan sát thảm hoạ này Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam đã cấp kinh phí để xây dựng dự án phục vụ cho công tác theo dõi cháy rừng và quản lý chỉ số thực vật (NDVI)

đ/ Thành lập bản đồ địa chất: Cục Địa chất và Tài nguyên Khoáng

sản đã quyết định sử dụng phương pháp viễn thám kết hợp với các phương pháp khác để thành lập bản đồ địa chất từ tỷ lệ 1/50.000 đến 1/25.000 như một biện pháp bắt buộc Tại Viện Địa chất thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã áp dụng thành công việc tích hợp hệ thống thông tin địa lý với tư liệu viễn thám trong việc xây dựng bản đồ địa mạo vùng đồng bằng có độ phân dị độ cao nhỏ

e/ Trong nghiên cứu khí tượng: Từ 5 năm nay, trạm thu ảnh NOAA

AVHRR (đặt tại Bộ Tài nguyên và Môi trường) và trạm thu ảnh MODIS (đặt tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã cung cấp đầy đủ các số liệu của vệ tinh địa tĩnh (GMS) cho việc dự báo thời tiết ở Việt Nam

2.2 khái quát chung về biến động

2.2.1 Khái niệm về biến động

Cụm từ “biến động” được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng

thái này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội [9]

2.2.2 Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng GIS

Chúng ta có thể biểu hiện nghiên cứu biến động bằng GIS như sau: cùng một đối tượng trên mặt đất được phản ánh trên hai lớp thông tin khác

nhau sẽ cho một giá trị như nhau, tất nhiên có sự giới hạn về chu vi và diện tích có thể biến đổi (bằng nhau, lớn hơn hay nhỏ hơn), nếu ta chồng xếp hai thông tin đó thì phần diện tích trùng nhau của đối tượng sẽ được gán giá trị cũ, còn các giá trị khác sẽ là giá trị khác của các lớp thông tin biến động, tuỳ theo phép toán sử dụng trên lớp thông tin về chúng kết quả sẽ thể hiện sự tăng hoặc giảm về mặt diện tích của đối tượng trên thực tế

Hình 1: Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS

Một trong các phương pháp nghiên cứu biến động là thiết lập ma trận biến động (ma trận hai chiều) Trong các phần mềm xử lý chuyên dụng (ILLWIS, IDRISI), ma trận được thực hiện trong chức năng CROSSING Nguyên tắc của CROSSING là tạo bản đồ mới thể hiện sự biến động về số lượng giữa các đối tượng, sự biến động có thể được thể hiện bằng một bảng thống kê hai chiều một cách rõ ràng

Giả sử có hai bản đồ A và B, thể hiện hiện trạng lớp phủ bề mặt của cùng một khu vực nhưng ở hai thời điểm khác nhau, khi đó ma trận biến động

được thành lập sẽ có dạng như sau (bảng 1)

Các đơn vị nằm theo đường chéo của ma trận là các đơn vị không biến

động, các đơn vị biến động khác nằm ngoài đường chéo nói lên tính chất của

sự biến động; ví dụ: đơn vị biến động 12, 13, 34, 54

A C

C

A B C

C

lý rất nhanh dưới dạng rastor bằng các phần mềm chuyên dụng với độ chính xác đạt tới 80% - 90% Để tăng độ chính xác có thể kết hợp xử lý thông tin dưới dạng vector [4]

2.2.3 Nghiên cứu biến động sau phân loại

Đây là phương pháp thông dụng nhất được áp dụng trong viễn thám Bản chất của phương pháp là so sánh sự biến động của kết quả phân loại ảnh Công việc này cũng có thể thực hiện cho các bản đồ dạng raster Quá trình thực hiện như (sơ đồ 1)

- Lựa chọn hai t− liệu ảnh của khu vực nghiên cứu ở hai thời điểm khác nhau, cắt và nắn theo cùng tọa độ chung

- Tiến hành phân loại theo hệ thống phân loại Những đơn vị khác nhau giữa 2 bảng phân loại là những đơn vị mới xuất hiện trên ảnh này mà không

Sơ đồ 1: Nguyên tắc nghiên cứu biến động sau phân loại

Khi kết hợp giữa viễn thám và GIS, có thể xử lý đồng thời cả ảnh và bản

đồ để theo dõi và thống kê đ−ợc sự biến động của lớp phủ mặt đất nói chung

và của thảm thực vật rừng nói riêng Công việc này đã và đang đ−ợc thực hiện

ở nhiều quy mô khác nhau với mức độ chi tiết khác nhau [2], [3]

Crossing, tạo ảnh và ma trận

- Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại: Việc tiến hành phân loại

độc lập các ảnh viễn thám làm cho phương pháp này có độ chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép phân loại và đó thường là độ chính xác không cao, đặc biệt với chuỗi ảnh có số lượng lớn Nhận xét về độ chính xác của phương pháp này, Ding Yuan et all đã đưa ra ví dụ: nếu độ chính xác của hai phép phân loại đạt lần lượt là 80% và 70%, độ chính xác của phần biến động nhận biết được sẽ đạt là 56% Do vậy, cần phải hết sức thận trọng khi sử dụng mặc dù phải thừa nhận rằng đây là phương pháp đơn giản,

dễ thực hiện

- Phương pháp 2: Phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian: Phương pháp

này thực chất là ghép hai ảnh vào nhau tạo thành ảnh đa thời gian trước khi phân loại Hai ảnh có N kênh được chồng phủ lên nhau để tạo nên một ảnh có 2N kênh Kết quả phân loại của ảnh chồng phủ gồm 2N kênh này là một tập hợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là tuy chỉ phân loại một lần, một ảnh (đa thời gian) nhưng lại rất phức tạp trong lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu không biến động cũng như các mẫu biến động Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (trong các mùa trong năm) và ảnh hưởng của khí quyển cũng không dễ được loại trừ và do đó ảnh hưởng tới sự chính xác của phương pháp

- Phương pháp 3: Nhận biết thay đổi phổ: Về bản chất, nhóm phương

pháp này sử dụng các kỹ thuật khác nhau để từ hai ảnh ban đầu tạo nên một kênh hay nhiều kênh ảnh mới thể hiện sự thay đổi phổ Sự khác biệt hoặc t-

ương tự phổ giữa các pixel có thể được tính cho từng pixel hoặc tính trên toàn cảnh cùng với tính trên từng pixel Vì thế, phương pháp này đòi hỏi nắn chỉnh hình học phải có sai số nhỏ hơn 1 pixel

Kết quả của việc so sánh là một ảnh chỉ rõ những khu vực có thay đổi

và không thay đổi cũng như mức độ thay đổi Khi ảnh này được tạo ra, để có thể phân định được rõ các pixel thay đổi cũng như mức độ thay đổi, cần phải

có một số bước xử lý tiếp theo, trong đó quan trọng nhất là kỹ thuật phân ngưỡng Phân ngưỡng thực chất là việc định nghĩa mức độ mà tại đó chúng ta coi là sự thay đổi

Vì vậy, để giảm sai số trong nhận biết biến động lớp phủ thực vật, việc kết hợp giữa hai phương pháp này có thể được tiến hành theo rất nhiều các phương pháp khác nhau ý tưởng chính của việc kết hợp này là sử dụng các phương pháp trong nhóm phương pháp nhận biết thay đổi phổ để chỉ ra các

ảnh1

ảnh2

Phân Loại

Đánh giábiến động

Phân Loại

ảnh2

ảnh1

Đánh giá

biến động

Phân Loại

Phân Loại

PhânLoại

vùng có thay đổi và sau đó áp dụng phương pháp phân loại chỉ cho những vùng này để định danh sự thay đổi đó [2], [6]

* Phân tích vector biến động:

Các đối tượng địa lý dù đơn giản hay phức tạp đều được quy thành 3 dạng: điểm (point), đường (line, polyline), vùng (polygon) Trong đó, điểm thể hiện một phần tử của dữ liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều Phương pháp phân tích vector cho phép xác định và nghiên cứu

xu thế biến động về chất của từng điểm trong không gian 2 hoặc n chiều

A Vector biến đổi phổ

Cườngđộ Thời điểm 2

Sơ đồ 3: Nguyên tắc nghiên cứu biến động chỉ số thực vật

(Normal Differrent Vegetation Index NDVI - Chỉ số khác biệt của thực vật)

Bản chất của viễn thám là sự thu nhận thông tin phản xạ từ các đối tượng trên mặt đất dưới tác dụng của năng lượng điện từ Như vậy, các giá trị

phổ phản xạ của mỗi pixel (DN) có thể khác nhau giữa hai thời kỳ, tùy thuộc vào bản chất của pixel đó, ảnh biến động được xây dựng sẽ thể hiện được sự thay đổi trị số DN của từng pixel ảnh

Có nhiều loại chỉ số thực vật, trong đó chỉ số NDVI là chỉ số thực vật quy chuẩn và hay được sử dụng nhất, NDVI được tính theo công thức:

NDVI = (NIR - Red) / ( NIR + Red) Trong đó: - NIR là giá trị phản xạ phổ trong vùng cận hồng ngoại

- Red là giá trị phản xạ phổ trong vùng ánh sáng đỏ

Biến động của rừng được thể hiện qua hai hình thức chính sau đây:

- Biến động về diện tích: thể hiện qua các thời gian khác nhau

- Biến động về sinh khối của lá: biến động của chất lượng lá và tán lá qua các giai đoạn sinh trưởng khác nhau, hoặc qua các thời kỳ có điều kiện khí hậu khác nhau (biến động giữa các mùa) Sự khác biệt về sinh khối còn liên quan đến nhiều vấn đề khác của rừng như: tình trạng sâu bệnh, năng suất sinh học của thảm rừng [3], [4]

2.3 viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (gis) 2.3.1 Khái quát chung về viễn thám

Việc phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên năm 1956 đã mở ra một kỷ nguyên mới - kỷ nguyên của công nghệ vũ trụ Nhờ đó, nhiều loại thiết bị quan sát Trái Đất được đặt trên các vệ tinh, các tàu vũ trụ có người

điều khiển, tạo nên các hệ thống thu thập thông tin đa thời gian, đa tầng về bề mặt Trái Đất Các thành tựu công nghệ đó đã cho phép thực hiện việc thu thập, phân tích và tổng hợp các dữ liệu nhanh chóng hơn, hiệu quả hơn, góp phần bảo vệ và phát triển bền vững môi trường trên Trái Đất Các vệ tinh quan sát Trái Đất có thể chia ra thành ba nhóm lớn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng các thông tin thu được: nhóm vệ tinh khí tượng, nhóm vệ tinh tài nguyên môi

trường và nhóm vệ tinh quân sự

Nhờ có các vệ tinh đó, công nghệ viễn thám hiện đại đã ra đời và trở thành một trong những công nghệ có ý nghĩa thực tiễn lớn đối với công tác

điều tra, quản lý tài nguyên, bao gồm cả tài nguyên rừng

"Viễn thám được xác định là một phương pháp nghiên cứu các đối tượng, hiện tượng bằng các thiết bị, đặt cách đối tượng một khoảng cách nào đó, không đòi hỏi tiếp xúc trực tiếp với đối tượng"

ảnh 1: Vệ tinh trên quỹ đạo

Các thông tin thu được là kết quả của quá trình giải mã hoặc đo đạc những biến đổi đối tượng tác động đến môi trường xung quanh như trường

điện từ, trường âm thanh hoặc trường hấp dẫn Tuy vậy, khái niệm viễn thám vẫn được hiểu nhiều nhất từ góc độ của kỹ thuật điện từ, nó bao trùm mọi giải phổ của sóng điện từ, từ sóng radio tần số thấp cho đến sóng siêu cao tần, sóng hồng ngoại xa, hồng ngoại gần, sóng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gama [2], [6]

Có thể thấy rằng, sự phát triển của kỹ thuật viễn thám gắn liền với sự phát triển của chụp ảnh Năm 1849 Aima Laussedat đã khởi đầu việc sử dụng

ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình Năm 1858 đã sử dụng kinh khí cầu để chụp ảnh hàng không Năm 1909 Wilbur Wright đã chụp bức ảnh đầu tiên từ máy bay trên vùng Cantocalli- Italia

Hình 2: Khái niệm chung của viễn thám

Đến năm 1930 tấm ảnh màu đầu tiên ra đời, khởi đầu cho nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảm quang nhạy cảm với bức xạ hồng ngoại gần, có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng của tán xạ và mù khí quyển Đầu năm 1960 nhiều cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được nghiên cứu

Hình 3: Hệ thống viễn thám

Năm 1972 phóng thành công vệ tinh Landsat lên quỹ đạo Đây là mốc quan trọng vì giá thành tương đối thấp nên được ứng dụng rộng rãi Sau đó nhiều nước nghiên cứu và phóng thành công các vệ tinh khác Trước hết phải

kể đến vệ tinh Spot của Pháp phóng năm 1985 với bộ cảm HRV trên 3 kênh phổ và 1 kênh toàn sắc có độ phân giải 10 m Năm 1988 Nhật Bản phóng vệ tinh quan sát biển MOS-1 có trang bị bộ cảm HESSR với các thông số kỹ thuật tương đương với MSS của vệ tinh Landsat [3], [17]

2.3.1.1 Cơ sở vật lý của viễn thám

Cơ sở khoa học của phương pháp viễn thám cho thấy thông qua năng lượng phản xạ hoặc bức xạ của vật thể, có thể xác định được các đặc trưng của vật thể

a/ Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần

b/ Viễn thám hồng ngoại nhiệt

c/ Viễn thám siêu cao tần

ứng dụng :

Tia Gamma & X : Y tế & Hạt nhân Tia tím : Thiên văn,nghiên cứu Ozone Vùng nhìn bằng mắt : Cho các phân tích bằng mắt Hồng ngoại : Phân biệt thảm thực vật

Nhiệt : Lửa cháy Sóng ngắn : Mặt đất, mặt nước Radio : Radio, Truyền thanh

Hình 5: Phổ điện từ và các dải sóng dùng trong viễn thám

Sự tương tác năng lượng với các đối tượng trên mặt đất được thể hiện khi năng lượng điện từ rơi vào một vật thể ở trên mặt đất, sẽ có ba thành phần năng lượng cơ bản tương tác với đối tượng là: phản xạ, hấp thụ và truyền qua

EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) Trong đó: EI- năng lượng tới mặt đất

ER- năng lượng phản xạ

EA- năng lượng hấp thụ

ET- năng lượng truyền qua Toàn bộ các năng lượng này là hàm của một bước sóng λ nào đó EI(λ)

Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ và truyền qua rất khác nhau, tùy thuộc vào các đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, cụ thể là thành phần vật chất và tình trạng của đối tượng Ngoài ra, tỷ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới

Hình 6: Tương tác cơ bản giữa năng lượng điện từ với đối tượng bề mặt

Như vậy, sẽ xẩy ra trường hợp hai đối tượng có cùng một đặc điểm trong những dải phổ khác nhau Chính vì vậy, trong vùng nhìn thấy màu sắc của một đối tượng chính là thể hiện sự phản xạ của nó trội hơn cả trong một dải sóng nào đó Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ là rất quan trọng và viễn thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tượng Vì vậy, năng lượng phổ phản xạ thường được sử dụng để tính sự cân bằng năng lượng [2], [10]

2.3.1.2 Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám

Để nghiên cứu hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám người ta sử dụng phương pháp phân tích hệ thống Hệ thống có thể mô tả theo hình 7

- Nguồn năng lượng: Thường là Mặt trời (với các hệ thống viễn thám

bị động) hoặc các máy quét sóng (với hệ thống viễn thám chủ động) Nguồn năng lượng mặt trời phát tới đối tượng nghiên cứu được xác định bằng thành phần phổ và phân bố năng lượng ở dải phổ đó

- Môi trường truyền năng lượng: Là khí quyển hoặc nước

ở đây, môi trường truyền năng lượng là khí quyển Năng lượng truyền qua khí quyển bị khí quyển hấp thụ năng lượng, tán xạ năng lượng và phân bố lại năng lượng trong dải phổ chiếu tới đối tượng

Hình 7: Hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám

- Đối tượng tự nhiên (Bề mặt trái đất): Năng lượng phát ra từ nguồn đi

qua tầng khí quyển chiếu tới vật sẽ xảy ra hiện tượng:

Phản xạ một phần năng lượng chiếu tới (hiện tượng tán xạ phổ)

Hấp thụ một phần năng lượng chiếu tới

Bức xạ: Sau khi hấp thụ năng lượng trong một dải phổ nào đó ánh sáng chiếu tới tùy theo tính chất và cấu tạo vật chất của vật mà sau một thời gian tích tụ năng lượng hoặc ngay lập tức vật phát ra năng lượng ở một dải phổ nào khác vào khí quyển gọi là hiện tượng bức xạ phổ

- Máy ghi nhận thông tin: Có thể là máy chụp ảnh, máy quét ảnh

hoặc máy thu vô tuyến Năng lượng chiếu tới vật sau khi phản xạ trở lại khí quyển nên nó sẽ thay đổi thành phần phổ Năng lượng này chiếu vào ống kính máy thu sẽ được đo đạc và biến đổi thành tín hiệu điện ghi trên băng từ hoặc

được chụp lên phim ảnh [6]

2.3.1.3 Hệ thống vệ tinh SPOT

SPOT (Systeme probatoire d’observation de la terre) là chương trình

viễn thám do các nước Pháp , Thụy Điển, Bỉ hợp tác SPOT-1 được phóng lên

quỹ đạo tháng 22/2/1986, SPOT-2 được phóng lên quỹ đạo ngày 22/1/1990, SPOT-3 được phóng lên quỹ đạo ngày 26/9/1993, SPOT-4 được phóng lên quỹ

đạo ngày 24/3/1998 và SPOT-5 được phóng lên quỹ đạo ngày 04/5/2002

Trên mỗi vệ tinh SPOT được trang bị một hệ thống tạo ảnh nhìn thấy có

độ phân giải cao HRV (High Resolution Visible imaging system)

ảnh 2: Vệ tinh SPOT và vị trí của nó trên quỹ đạo

- Độ cao bay chụp là 830km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo 98,70

- Thời điểm bay qua xích đạo : 10 giờ 30 phút sáng

- Chu kỳ lặp một điểm nào đó trên mặt đất: 26 ngày trong chế độ quan sát bình thường

Bảng 2: Các thông số kỹ thuật của bộ cảm vệ tinh SPOT

đen) P (panchromantic) Máy HRV sử dụng hai tế bào quang điện (detecter)

Với độ phân giải 20 m đối với kênh đa phổ (màu) và 10 m đối với kênh toàn sắc (trắng đen) cho phép thành lập các bản đồ ở tỷ lệ 1/20.000 - 1/50.000

Hình 8: Chụp lập thể vệ tinh SPOT

Vệ tinh ở các thế hệ sau được cải tiến nâng cao về tính năng ảnh và chất lượng Vệ tinh SPOT-4 có thêm kênh hồng ngoại ngắn SWIR (Short Wave Infrared) Kênh SWIR nhạy cảm với tuyết, nước tù và thực vật Kênh này giúp tăng cường khả năng phân tích, nâng cao khả năng quan sát với độ phân giải không gian 20 m và có độ chính xác cao Vệ tinh SPOT-5 có độ phân giải với các kênh phổ là 10 m, độ phân giải cao của kênh toàn sắc là 5 m

và ngoài ra còn có chế độ xử lý Supermode cho ảnh với độ phân giải cao gấp 2 lần (2,5 m) Ngoài ra SPOT-5 có độ chính xác định vị là 50 m trong trường hợp không có điểm nắn và có thể sản xuất mô hình số địa hình (DTM) Như vậy, đến SPOT-5 với độ phân giải không gian cao mở ra khả năng cho người

sử dụng nhận biết tốt nhất các đối tượng như: đường, các tòa nhà và phân tích sản lượng, vụ mùa, cảnh quan, nghiên cứu trạng thái sinh trưởng của rừng

Hiện nay hầu hết các nước phát triển và đang phát triển trên thế giới đều

sử dụng nguồn tư liệu ảnh vệ tinh là chính để thành lập và theo dõi biến động

sử dụng đất đai ở tỷ lệ nhỏ, trung bình và một phần tỷ lệ lớn, còn tỷ lệ lớn chủ yếu là dùng ảnh máy bay Lựa chọn loại tư liệu vệ tinh nào phụ thuộc chủ yếu

vào tỷ lệ bản đồ cần thành lập Do các tính năng kỹ thuật và nhất là độ phân giải mặt đất ảnh vệ tinh SPOT thường sử dụng để thành lập bản đồ ở tỷ lệ 1/50.000 [2], [7]

2.3.1.4 Phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên

- Đặc tính phản xạ phổ của thực vật: Lớp phủ thực vật là đối tượng

được quan tâm nhiều bởi chiếm đa số diện tích bề mặt tự nhiên Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh là dấu hiệu đặc trưng thay đổi theo bước sóng Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất Chlorophyl, ngoài ra còn một số sắc tố khác cũng góp phần tạo nên phản xạ phổ của thực vật

Hình 9: Đặc tính phản xạ của các đối tượng tự nhiên

Nhìn chung, sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ ở thực vật được xác

định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài của lá cây, tác động của ngoại cảnh (điều kiện sinh trưởng, điều kiện chiếu sáng, thời tiết ) song đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật vẫn có một quy luật chung: phản xạ mạnh ở vùng sóng xanh (510- 575 nm) và hồng ngoại gần (>720 nm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng xanh tím (390- 480 nm) và sóng đỏ (680-720 nm) Đặc tính phản xạ của lá cây được chi phối bởi các tế bào diệp lục (Chlorophyl) có trong cấu trúc lá

Ngoài ra, còn có sự khác nhau tương đối rõ về khả năng phản xạ phổ giữa những nhóm cây có khả năng chịu nước khác nhau (cây chịu nước, cây trung sinh, cây chịu hạn ), đặc biệt ở vùng hồng ngoại

Thực vật là đối tượng lớp phủ bề mặt thể hiện giá trị phản xạ cao trên kênh XS3 (SPOT), kênh 3 (ASTER) và kênh 7 (LandSat); Giá trị phản xạ thấp nhất của thực vật thể hiện trên kênh XS2 (SPOT) và kênh 5 (LandSat)

Hình 10: Đặc tính phản xạ của thực vật

- Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng: Trên hình 9, đường cong

biểu diễn đặc trưng phản xạ của thổ nhưỡng đơn giản hơn so với đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật Đặc tính chung nhất cúa chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ phổ của đất là cấu trúc

bề mặt của đất, màu của đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ và vô cơ Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, đất thường có hệ số phản xạ cao hơn thực vật

- Đặc tính phản xạ phổ của nước: Khả năng phản xạ phổ của nước

phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nước và hàm lượng các vật chất lơ lửng, nước bẩn chứa nhiều tạp chất phản xạ mạnh hơn so với nước sạch, nhất là vùng dải sóng đỏ

Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng ngắn Xanh chàm, yếu dần khi sang vùng Xanh lục và triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng của sự tán xạ bởi vật chất lơ lửng Sự thay

đổi về tính chất của nước (độ mặn, độ đục, độ sâu ) đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng [6], [10]

* Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ:

- Yếu tố thời gian: Thực phủ mặt đất thường hay thay đổi theo thời

gian Do vậy, khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi theo thời gian Ví dụ, cây rụng lá vào mùa Đông và xanh tốt vào mùa Xuân, mùa Hè hoặc Lúa có màu biểu hiện bề mặt khác nhau theo thời vụ Chính vì vậy, khi đoán đọc điều vẽ cần biết rõ thời vụ, thời điểm ghi nhận ảnh và đặc điểm của đối tượng cần

đoán đọc điều vẽ

- Yếu tố không gian: Người ta chia thành hai loại: Yếu tố không gian

cục bộ và yếu tố không gian địa lý Yếu tố cục bộ thể hiện khi chụp ảnh cùng một loại đối tượng, ví dụ cây trồng theo hàng, luống và cũng cây trồng đó nhưng trồng theo mảng lớn thì khả năng phản xạ phổ của hai loại trồng này sẽ

đem lại khả năng phản xạ phổ khác nhau Yếu tố địa lý thể hiện khi cùng loại thực vật nhưng điều kiện sinh trưởng khác nhau theo vùng địa lý thì khả năng phản xạ phổ khác nhau

- ảnh hưởng của khí quyển: Khi xem xét hệ thống ghi nhận số liệu về

thông tin viễn thám ta thấy rằng năng lượng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống các đối tượng trên mặt đất phải qua tầng khí quyển, sau đó được phản xạ lại từ

bề mặt trái đất, năng lượng lại được truyền qua khí quyển đến máy ghi thông tin trên vệ tinh Do vậy, khí quyển ảnh hưởng rất lớn tới khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên

Bề dày khí quyển (khoảng 2000 km) ảnh hưởng tới những tia sáng từ mặt trời chiếu xuống, còn đối với các vệ tinh viễn thám thì bề dày của khí quyển ảnh hưởng tới số liệu thông qua tham số độ cao bay của vệ tinh

Khí quyển có thể ảnh hưởng đến vệ tinh viễn thám bằng 2 con đường tán xạ và hấp thụ năng lượng Sự tán xạ ánh sáng là sự khếch tán bức xạ bởi

các phần tử khí quyển Hiện tượng tán xạ chỉ làm đổi hướng tia chiếu mà không làm mất năng lượng Tán xạ là do các thành phần không khí hoặc các ion có trong khí quyển phản xạ tia chiếu tới, hoặc do lớp khí quyển dày đặc có mật độ không khí ở các lớp không đồng nhất nên khi tia chiếu truyền qua các lớp này sẽ gây ra hiện tượng khúc xạ

Hình 11: Tán xạ của mặt trời khi chiếu xuông Trái đất

Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tán xạ và hấp thụ năng lượng mặt trời là:

- Do hấp thụ, khúc xạ năng lượng mặt trời của các phần tử trong khí quyển

- Do sự hấp thụ có chọn lọc của bước sóng của hơi nước, ozone và các hợp chất không khí trong khí quyển

- Do sự phản xạ (tán xạ năng lượng chiếu tới, do sự không đồng nhất của khí quyển và các hạt nhỏ trong khí quyển)

Hình 12: Tán xạ của ánh sáng khi chiếu vào hạt mưa

Hiện tượng tán xạ, bức xạ trong khí quyển còn phụ thuộc vào kích thước hạt gây tán xạ, khi năng lượng từ nguồn chiếu qua khí quyển vào những

có màu trắng [2], [4]

2.3.2 Cơ sở khoa học của hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Hiện nay có khá nhiều định nghĩa về GIS và có thể khái quát lại như

sau: " GIS là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng (máy tính

và các thiết bị ngoại vi), phần mềm, dữ liệu địa lý và người điều hành; được thiết kế hoạt động một cách có hiệu quả nhằm thu nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý GIS có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý "

Sơ đồ 4: Cấu trúc hệ thống thông tin địa lý (GIS)