PHƯƠNG PHÁP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Tư liệu viễn thám với khả năng cung cấp thông tin bề mặt trái đất trên mộtdiện rộng và luôn được cập nhật mới, kết hợp với nguồn thông tin từ bản đồ địahình, các tư liệu khác và khảo sát

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Tài nguyên là tài sản quý giá, tạo nên sự hài hoà giữa thiên nhiên và conngười Bảo vệ tài nguyên và môi trường sinh thái là một vấn đề vô cùng to lớnmang ý nghĩa toàn cầu Chính vì thế, việc nghiên cứu, đánh giá tài nguyên và bảo

vệ môi trường mang tính cấp thiết và thực hiện ở tất cả các cấp lãnh thổ khác nhau

Trong nghiên cứu, đánh giá tài nguyên và môi trường sử dụng nhiều phươngpháp khác nhau bao gồm những phương pháp truyền thống và những phương pháphiện đại Một trong những phương pháp nghiên cứu hiện đại được sử dụng rộng rãi

và cho những kết quả chính xác là phương pháp sử dụng viễn thám và hệ thốngthông tin địa lý GIS

Tư liệu viễn thám với khả năng cung cấp thông tin bề mặt trái đất trên mộtdiện rộng và luôn được cập nhật mới, kết hợp với nguồn thông tin từ bản đồ địahình, các tư liệu khác và khảo sát thực địa, cùng với khả năng quản lý và phân tíchthông tin của công nghệ GIS đã giúp cho việc thành lập bản đồ chuyên đề nhanhchóng, hiệu quả, chính xác và mang tính cập nhật cao

Hiện nay, đối với nước ta, nguồn tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãitrong các nghiên cứu về tài nguyên thiên nhiên và môi trường Cùng với đó, thiết bịtin học được đồng bộ hóa tăng khả năng xử lý nhanh chóng trong việc xây dựng cácloại bản đồ Vì vậy, phương pháp viễn thám kết hợp công nghệ các phần mềm GIS

sẽ góp phần khắc phục nhiều hạn chế của phương pháp truyền thống và đặc biệthiệu quả trong phân tích, xử lý và lưu trữ dữ liệu

Trong khuôn khổ tiểu luận này, Nghiên cứu sinh tìm hiểu những nét tổngquan về công nghệ Viễn thám và GIS, những ứng dụng của phương pháp này trongnghiên cứu tài nguyên và môi trường Đặc biệt, nghiên cứu sinh cũng đưa ra nhữnghướng tiếp cận phương pháp sử dụng viễn thám và GIS để thành lập các bản đồchuyên đề trong đề tài nghiên cứu của mình

Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểuđơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng màkhông 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 địnhnghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thôngtin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất" Dưới đây là định nghĩa về viễn thámtheo quan niệm của các tác giả khác nhau

Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (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 (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 (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 (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 ".( 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)

1.1.2 Phân loại viễn thám

Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau:

- Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh

- Độ cao bay của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo

- Dải phổ của các thiết bị thu

- Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận

Có hai phương thức phân loại viễn thám chính là:

a Phân loại theo nguồn tín hiệu

Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám được chia làm hai loại (hình 1.6):

- Viễn thám chủ động (active): nguồn tia tới là tia sáng phát ra từ các thiết bịnhân tạo, thường là các máy phát đặt trên các thiết bị bay

- Viễn thám bị động (passive): nguồn phát bức xạ là mặt trời hoặc từ các vậtchất tự nhiên

Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viễn thám và các công nghệ vũ trụ đãtrở nên phổ biễn trên phạm vi toàn cầu Các nước có nền công nghệ vũ trụ phát triển

đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó có mang nhiều thiết bị viễn thám khácnhau Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên toàn cầu có khả năng thu nhận nhiềuloại tư liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống

b Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinhđịa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) (hình 1.7)

Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là: + Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của tráiđất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên

+ Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuônggóc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất Tốc độ quay của

vệ tinh khác với tốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thuảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là

1.1.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám

Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thôngtin chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vậtthể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định Đolường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phéptách 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 đượcgọi là bộ cảm biến Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét Phươngtiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu conthoi hoặc vệ tinh…)

Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời,năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ và được bộ cảm biếnđặt trên vật mang thu nhận Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể đượcảnh viễn thám thu nhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnhdựa trên kinh nghiệm của người giải đoán Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tinliên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụngvào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môitrường v.v…

Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần

cơ bản như sau:

- Nguồn cung cấp năng lượng

- Sự tương tác của năng lượng với khí quyển

- Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất

- Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh

- Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lý

Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bịcác phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng

cụ thể Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện

từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khiquyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được Khí quyển

có đặc điểm quan trọng đó là tưong tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có bước

sóng khác nhau Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu

là do mặt trời và sự có mặt cũng như thay đổi các các phân tử nước và khí (theokhông gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gâynên sự biến đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến Khoảng 75% nănglượng mặt tròi khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất vàtrong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạtrước khi đến bộ cảm biến Các loại khí như oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơi nước…

và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưỏng đến sự suygiảm năng lưọng sóng điện từ trong quá trình lan truyền

Để hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổđiện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám cần dựa trên đặc điểm của dảiphổ điện từ

Tia cực tím 0,3 ÷ 0,4μm Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao (tầng

ôzôn), không thể thu nhận năng lượng do dải sóngnày cung cấp nhưng hiện tượng này lại bảo vệ conngười tránh tác động của tia cực tím

Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,76μm Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng lượng

phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5μm trongkhí quyển Năng lượng do dải sóng này cung cấpgiữ vai trò trong viễn thám

Cận hồng ngoại

Hồng ngoại trung

0,77÷1,34μm1,55 ÷ 2,4μm

Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóngcận hồng ngoại từ 0,77 ÷ 0,9μm Sử dụng trongchụp ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật

từ 1,55 ÷ 2,4μmHồng ngoại nhiệt 3 ÷ 22μm Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh,dải sóng

này giữ vai trò trong phát hiện cháy rừng và hoạtđộng núi lửa Bức xạ nhiệt của trái đất của nănglượng cao nhất tại bước sóng 10μm

Vô tuyến (rada) 1mm ÷ 30cm Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các

bước sóng lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận nănglượng cả ngày lẫn đêm, không bị ảnh hưởng củamây, sương mù hay mưa

1.1.4 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ viễn thám

ăn quả, từ đó dự báo được lượng băng tan.

- Phân tích tuyết phủ để dự báo lượng nước chảy dotuyết tan trên lưu vực dòng chảy trên các lãnh thổ

- Phân loại các vùng bão theo giai đoạn phát triển củacác trường gió và mây

- Phân tích các bức ảnh vệ tinh để thông báo các thôngtin về khí tượng, về định lượng các trường mây, về sựphát triển của các cơn bão qua việc theo dõi động tháicác vùng nhiệt độ ở đỉnh mây và sự chuyển động củamây ở các mức độ khác nhau

- Phát hiện những vùng có sương mù và tốc độ phântán của chúng để phục vụ cho nghề cá, đi biển và hàngkhông

2 Ứng dụng viễn thám

trong nghiên cứu thủy văn

- Nghiên cứu tổng hợp lưu vực sông

- Nghiên cứu dòng chảy sông

- Nghiên cứu cân bằng nước của lưu vực

- Tính toán lượng dòng chảy ngắn

- Ngoài ra còn những ứng dụng khác như: nghiên cứu và

dự báo ngập lụt; nghiên cứu sự thất thoát nước qua kênhdẫn; nghiên cứu dòng chảy trở lại khi tưới; nghiên cứu

độ sâu của mực nước ngầm tầng nông; nghiên cứu sự ônhiễm nước; nghiên cứu môi trường nước…

3 Ứng dụng viễn thám

trong nghiên cứu địa chất

- Trong nghiên cứu kiến tạo+ Nghiên cứu các tập hợp và các tầng cấu trúc+ Nghiên cứu các đứt gãy phá hủy

+ Nghiên cứu các dạng uốn nếp+ Thiết lập lên các đặc điểm phát triển của vùng haycác cấu trúc lớn

- Xác định các cấu trúc sâu

Lĩnh vực ứng dụng Ứng dụng viễn thám

- Nghiên cứu cấu trúc địa chất

Từ ảnh viễn thám có thể nhận biết được cấu trúc địachất dựa vào sự khác nhau trong các thành phần vậtchất của các loại đá và sự khác biệt đó thường thể hiệnlên bề mặt địa hình

+ Cấu trúc nếp lồi+ Cấu trúc nếp lõm+ Các hiện tượng uốn nếp của đất đá v.v…

- Nghiên cứu địa mạoDựa vào ảnh vệ tinh có thể phân biệt được các dạngđịa hình:

+ Dạng địa hình Fluvi+ Dạng địa hình ven biển và ven các hồ+ Dạng địa hình Karst

+ Dạng địa hình băng hà+ Các dạng địa hình phong thành+ Các dạng địa hình trọng lực v.v…

4 Ứng dụng viễn thám

trong đo đạc bản đồ

Với thông tin thu được từ ảnh vệ tinh, độ phân giảicàng cao càng giảm được nhiều khối lượng đo đạc thựcđịa Khi đó, công tác biên vẽ bản đồ chủ yếu được tiếnhành trong phòng với độ chính xác cao, giảm kinh phí

và thời gian biên vẽ Vì vậy, với những ảnh viễn thảm

có độ phân giải cao có thể biên vẽ được các bản đồnhư: địa hình, giao thông, sông ngòi, hành chính …với

độ chính xác cao và liên tục được cập nhật

5 Ứng dụng viễn thám trong

nghiên cứu thổ nhưỡng

- Xác định nguồn gốc địa lý của đất: nguồn gốc hìnhthành, thành phần thổ nhưỡng, chu trình sinh học củađất …

- Xác định tính chất và các đặc trưng của đất: độ ẩm,nhiệt độ, thành phần khoáng, hiện tượng xói mòn, rửatrôi, biết động tài nguyên đất v.v…

Từ đó có thể lập kế hoạch sử dụng hợp lý tài nguyênđất theo lãnh thổ

6 Ứng dụng viễn thám

trong nghiên cứu biển

- Nghiên cứu độ sâu nước biển

- Nghiên cứu môi trường bề mặt nước biển: các dòngnhiệt trên biển do chất thải công nghiệp, phát hiện

Lĩnh vực ứng dụng Ứng dụng viễn thám

váng dầu, tràn dầu v.v…

7 Ứng dụng viễn thám

trong nông nghiệp

- Nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất nộng nghiệp

- Nghiên cứu về thời vụ, mùa màng

- Một số ứng dụng khác như: quy hoạch nông nghiệp,thành lập các loại bản đồ về nông nghiệp v.v…

Có nhiều quan niệm khác nhau khi định nghĩa GIS

"Hệ thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ con (subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích" -

theo Calkin và Tomlinson, 1977

"Hệ thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị không gian" ( theo định nghĩa của National

Center for Geographic Information and Analysis, 1988)

Theo định nghĩa của ESRI (Environmental System Research Institute) thì "

Hệ thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất“.

1.2.2 Các thành phần chính của GIS

1.2.2.1 Hệ thống phần cứng

Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiệncác chức năng vào, ra và xử lý thông tin của phần mềm

1.2.2.2 Hệ thống phần mềm

Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ mềm có tối thiểu 4nhóm chức năng sau đây:

- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau

- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thôngtin thuộc tính

- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bàitoán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian

- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện phápkhác nhau

Phần mềm được phân thành ba lớp : hệ điều hành, các chương trình tiện íchđặc biệt và các chương trình ứng dụng

1.2.2.3 Cơ sở dữ liệu

GIS phải bao gồm một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tinđịa lý) và các thông tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và được tổ chức theomột ý đồ chuyên ngành nhất định

Cấu trúc dữ liệu trong CSDL GIS:

Có hai dạng cấu trúc dữ liệu cơ bản trong GIS Đó là dữ liệu không gian và

dữ liệu thuộc tính Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS là: dữ liệukhông gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một CSDL và cóquan hệ chặt chẽ với nhau

* Dữ liệu không gian:

Dữ liệu không gian là dữ liệu phản ánh sự phân bố, vị trí và hình dạng củacác đối tượng địa lý

Dữ liệu không gian có hai dạng cấu trúc Đó là dạng raster và dạng vector

- Cấu trúc raster

Chia bề mặt không gian theo lớp thành những phần tử nhỏ bằng một lướiđiều hòa gồm các hàng và cột, tính theo thứ tự bắt đầu từ đỉnh phía trái Nhữngphần tử nhỏ này gọi là những những pixel hay cell Mỗi pixel mang một giá trị đơn.Một mặt phẳng chứa đầy các pixel tạo thành raster Cấu trúc này thường được áp

dụng để mô tả các đối tượng, hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng đểlưu giữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặt đất, hàng không, vũ trụ ).

Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý vàphân tích Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép toán bản đồ dễ dàng Dễ dàng liênkết với dữ liệu viễn thám Cấu trúc raster có nhược điểm là kém chính xác về vị trí khônggian của đối tượng Khi độ phân giải càng thấp (kích thước pixel lớn) thì sự sai lệch nàycàng tăng

- Cấu trúc vector

Cấu trúc vector mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian bằngtọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng Vềmặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng : đối tượng dạng điểm, đốitượng dạng đường và đối tượng dạng vùng Điểm được xác định bằng một cặp tọa

độ X,Y Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục Vùng là khoảng khônggian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểmcuối trùng nhau Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao

Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác(nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao); Cấu trúc này giúp cho người sửdụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn Tuy nhiên cấu trúc này có nhượcđiểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ

Có thể chuyển đổi dữ liệu từ cấu trúc raster sang vector và ngược lại thôngqua các chức năng của các phần mềm GIS

* Dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu thuộc tính dùng để mô tả đặc điểm của đối tượng Dữ liệu thuộc tính

có thể là định tính - mô tả chất lượng hay là định lượng Về nguyên tắc, số lượngcác thuộc tính của một đối tượng là không có giới hạn Để quản lý dữ liệu thuộctính của các đối tượng địa lý trong CSDL, GIS đã sử dụng phương pháp gán các giátrị thuộc tính cho các đối tượng thông qua các bảng số liệu Mỗi bản ghi đặc trưngcho một đối tượng địa lý, mỗi cột của bảng tương ứng với một kiểu thuộc tính củađối tượng đó

Các dữ liệu trong GIS thường rất lớn và lưu trữ ở các dạng file khác nhaunên tương đối phức tạp

1.2.2.4 Phần con người