ứng dụng ảnh viễn thám và phần mềm giải đoán ảnh ENVI xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho huyện phú vang tỉnh Thừa Thiên Huế

Công nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát triển nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các nước phát triển.

Luận văn Ứng dụng ảnh viễn thám và phần mềm giải đoán ảnh ENVI xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho huyện Phú Vang tỉnh Thừa Thiên Huế 1 PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Công nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát triển nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các nước phát triển. Công nghệ viễn thám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu. Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây là lý do dẫn đến tính phổ cập của công nghệ này. Viễn thám là khoa học thu nhận, xử lý và suy giải các hình ảnh thu nhận từ trên không của Trái Đất để nhận biết được các thông tin về đối tượng trên bề mặt Trái Đất mà không cần tiếp xúc nó. Như vậy, viễn thám là phương pháp thu nhận thông tin khách quan về bề mặt Trái Đất và các hiện tượng trong khí quyển nhờ các máy thu được đặt trên các thiết bị bay chụp như máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ hoặc đặt trên các trạm qũy đạo.[1] Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách đưa ra các phương án lựa chọn có tính chiến lược về quản lý sử dụng tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Phát triển khoa học công nghệ nói chung và khoa học công nghệ viễn thám nói riêng phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường đóng vai trò quan trọng cho sự nghiệp phát triển đất nước ta hiện nay.[1] Nhận thấy tầm quan trọng của công nghệ viễn thám cũng như tiềm năng của việc áp dụng ảnh viễn thám vào trong xây dựng bản đồ nói chung bản đồ hiện trạng nói riêng và cũng là để nâng cao kỹ năng và trình độ chuyên môn, đồng thời 2 được sự cho phép của Ban lãnh đạo Khoa TNĐ&MTNN với sự ủng hộ hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo TS. Lê Thanh Bồn, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: ‘‘Ứng dụng ảnh viễn thám và phần mềm giải đoán ảnh ENVI xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho huyện Phú Vang tỉnh Thừa Thiên Huế ” 1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Cũng cố, nâng cao và mở rộng kiến thức chuyên môn. Bước đầu hình thành những kỹ năng ứng dụng ảnh viễn thám trong xây dựng bản đồ. Tìm hiểu, so sánh những thuận lợi cũng như những khó khăn giữa xây dựng bản đồ bằng phương pháp sử dụng ảnh viễn thám với phương pháp thông thường. Xây dựng được bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho huyện Phú Vang tỉnh Thừa Thiên Huế phục vụ công tác quản lý đất đai. 1.3. Yêu cầu của đề tài Phải có ảnh viễn thám chụp khu vực hành chính huyện Phú Vang với độ phân giải thích hợp cho công tác xử lý đoán đọc. Thời điểm ảnh được chụp không quá 1 năm so với thời điểm thành lập bản đồ. Biết sử dụng thành thạo phần mềm xử lý và giải đoán ảnh viễn thám ENVI Nắm vững kiến thức chuyên môn ở các môn học như Trắc địa ảnh viễn thám, trắc địa đại cương, bản đồ học, các phần mềm tin học chuyên ngành… đồng thời tìm hiểu kỹ các quy trình quy phạm thành lập bản đồ nói chung bản đồ hiện trạng nói riêng. 3 PHẦN 2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2.1.1. Khái niệm bản đồ hiện trạng sử dụng đất Bản đồ hiện trạng sử dụng đất là bản đồ chuyên đề được thành lập theo đơn vị hành chính các cấp, thể hiện hiện trạng sử dụng các loại đất trong thực tế với đầy đủ các thông tin về hiện trạng như ranh giới, vị trí, số lượng, các loại đất… trong phạm vi một đơn vị hành chính ở một thời điểm nhất định.[5] Bản đồ hiện trạng sử dụng đất là tài liệu rất quan trọng và cần thiết cho công tác quản lý đất đai và cho các ngành khác. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất thể hiện toàn bộ quỹ đất đang được sử dụng trong địa giới hành chính tương đương với từng cấp quản lý, cùng với thời điểm xây dựng. Đó là những số liệu, tài liệu rất cơ bản trong mỗi đơn vị hành chính cũng như phạm vi cả nước không những giúp chúng ta đánh giá đúng đắn về hiện trạng sử dụng đất, vốn tài nguyên đất mà còn làm cơ sở cho việc nghiên cứu định hướng chiến lược phát triển kinh tế xã hội nói chung và quản lý sử dụng có hiệu quả vốn tài nguyên đất nói riêng. 2.1.2. Nội dung bản đồ hiện trạng sử dụng đất [5] Bản đồ hiện trạng sử dụng đất của một đơn vị hành chính phải biểu thị: Toàn bộ các loại đất thuộc phạm vi quản lý của đơn vị hành chính đó trong đường địa giới hành chính và theo các quyết định điều chỉnh địa giới hành chính của các cơ quan nhà nước có thẩm quyền. Biểu thị ranh giới các khu dân cư nông thôn, khu công nghệ cao, khu kinh tế, ranh giới các nông trường lâm trường, ranh giới các đơn vị quốc phòng, an ninh, ranh giới các khu vực đã quy hoạch được cấp có thẩm quyền phê duyệt và đã triển khai cắm mốc trên thực địa. Đối với khu vực đang có tranh chấp về địa giới hành chính thì phải thể hiện vị trí ranh giới khu vực đó. Các yếu tố hành chính xã hội. 4 Thủy hệ và các đối tượng liên quan như đường bờ sông, hồ, đường bờ biển và mạng lưới thuỷ văn, thuỷ lợi. Đường bờ biển được thể hiện theo quy định hiện hành tại thời điểm thành lập bản đồ. Mạng lưới giao thông như đường sắt, đường bộ, các công trình giao thông. Giáng đất: Được biểu thị bằng đường bình độ và điểm ghi chú độ cao, khu vực miền núi có độ dốc lớn chỉ biểu thị đường bình độ cái của bản đồ địa hình cùng tỷ lệ và điểm độ cao đặc trưng, thường thì điểm độ cao đối với vùng đồng bằng và đường bình độ đối với vùng đồi núi. Ranh giới: bao gồm ranh giới hành chính, ranh giới sử dụng các loại đất, ranh giới lãnh thổ sử dụng đất. Các loại đất sử dụng: mức độ chi tiết của các nhóm đất được thể hiện trên bản đồ phụ thuộc vào tỷ lệ bản đồ và phương pháp thành lập bản đồ. Các thửa đất sẽ được khoanh theo mục đích sử dụng, theo thực trạng bề mặt, ngoài ra còn có biểu cơ cấu diện tích các loại đất, bảng chú dẫn, ghi chú địa danh, tên các đơn vị hành chính giáp ranh, điểm địa vật định hướng và các ghi chú cần thiết khác… 2.1.3. Những quy định về thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất Biểu thị các yếu tố nội dung hiện trạng sử dụng đất trên bản đồ hiện trạng phải tuân thủ các quy định trong “Ký hiệu bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ quy hoạch sử dụng đất” đồng thời áp dụng quyết định số 22/2007/QĐ- BTNMT ngày 17 tháng 12 năm 2007 về việc quy định thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành. Tỷ lệ bản đồ nền được lựa chọn dựa vào: kích thước, diện tích, hình dạng của đơn vị hành chính, đặc điểm, kích thước của các yếu tố nội dung hiện trạng sử dụng đất. Tỷ lệ bản đồ nền cũng là tỷ lệ của bản bản đồ hiện trạng sử dụng đất quy định tại bảng sau. 5 Bảng 1: Tỷ lệ bản đồ nền dùng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất Đơn vị thành lập bản đồ Tỷ lệ bản đồ Quy mô diện tích (ha) Cấp xã, khu công nghệ cao, khu kinh tế 1: 1000 1: 2000 1: 5000 1: 10.000 < 150 150 – 300 300 – 2000 > 2000 Cấp huyện 1: 5000 1: 10.000 1: 25.000 < 2000 2000 – 10.000 > 25.000 Cấp tỉnh 1: 25.000 1: 50.000 1: 100.000 < 130.000 130.000 – 500.000 > 500.000 Vùng lãnh thổ 1: 250.000 Cả nước 1: 1.000.000 Nguồn: Quy định thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất số 22/2007/QĐ-BTNMT Bản đồ hiện trạng sử dụng đất phải biểu thị đầy đủ các khoanh đất, khoanh đất xác định bằng một đường bao khép kín. Mỗi khoanh đất biểu thị mục đích sử dụng đất chính theo hiện trạng sử dụng. Trên bản đồ phải thể hiện biểu đồ cơ cấu diện tích các loại đất theo mục đích hiện trạng đang sử dụng. Tất cả các ký hiệu sử dụng để thể hiện nội dung bản đồ phải giải thích đầy đủ trong bảng chú dẫn. 2.1.4. Các phương pháp thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2.1.4.1. Phương pháp đo vẽ trực tiếp Đây là phương pháp được áp dụng để xây dựng bản đồ tỷ lệ lớn đối với các vùng chưa có bản đồ hoặc có nhưng đã cũ không còn giá trị sử dụng trong hiện tại để đảm bảo độ chính xác. Phương pháp này cho kết quả chính xác tuy 6 nhiên mất rất nhiều công sức, tiền của, thời gian và phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết. 2.1.4.2. Phương pháp đo vẽ chỉnh lý từ các loại bản đồ đã có Đây là phương pháp cho kết quả nhanh với thời gian ngắn từ đó giúp tiết kiệm được chi phí, thời gian, nhân lực. Thường thì người ta dùng bản đồ địa chính để biên tập thành bản đồ hiện trạng vì bản đồ địa chính được đo vẽ có độ chính xác cao đến từng thửa đất, với cách này người ta chỉ cần khoanh vùng các loại đất giống nhau rồi đổ màu theo quy định là được. 2.1.4.3. Phương pháp sử dụng công nghệ bản đồ số Phương pháp này cho phép tự động hóa toàn bộ hoặc từng phần của một quá trình xây dựng bản đồ, đồng thời giúp tận dụng dễ dàng các nguồn tài liệu về bản đồ hiện có. Ví dụ qua phần mềm ArcView ta có thể chồng xếp các lớp bản đồ chuyên đề như lớp giao thông, lớp thuỷ văn… để ra được một bản đồ hiện trạng. Đặc điểm chính của phương pháp này là luôn luôn tiếp xúc với công nghệ thông tin nói chung cũng như các phần mềm nói riêng mà chủ yếu là công tác nội nghiệp. 2.1.4.4. Phương pháp xử lý ảnh số Đây là phương pháp mới, hiện đang có nhiều triển vọng và đang được quan tâm nghiên cứu ứng dụng bởi tính ưu việt của phương pháp này. Thực chất của phương pháp này là từ một nguồn ảnh chụp hiện có (ảnh viễn thám) thông qua các phần mềm xử lý phân tích dữ liệu ảnh sẽ cho ra một bản đồ. Đặc trưng của phương pháp này là ứng dụng công nghệ cao (công nghệ vũ trụ). 2.2. Hệ thống viễn thám và ảnh viễn thám 2.2.1. Khái niệm viễn thám và ảnh viễn thám Viễn thám là khoa học thu nhận, xử lý và suy giải các hình ảnh thu nhận từ trên không của Trái Đất để nhận biết được các thông tin về đối tượng trên bề mặt Trái Đất mà không cần tiếp xúc với nó. 7 Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đất hay các hành tinh mà nó còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh. Người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Ảnh viễn thám là kết quả thu nhận được trong quá trình bay chụp của các thiết bị bay chụp ảnh. 2.2.2. Hệ thống viễn thám Hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng ta có: Nguồn năng lượng: Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng. Những tia phát xạ và khí quyển: Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng nên sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm. Sự tương tác với đối tượng: Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển. Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm: Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng. 8 Sự truyền tải, thu nhận và xử lý: Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận - xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này chính là dữ liệu thô. Giải đoán và phân tích ảnh: Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng được. Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào. Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh. Ứng dụng: Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có . nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể. 2.2.3. Đặc điểm của ảnh viễn thám Ảnh viễn thám đặc trưng bởi dữ liệu không gian với hai dạng cấu trúc là dạng raster và dạng vector Cấu trúc dạng raster: Mô tả bề mặt Trái Đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới gồm các hàng và cột. Những phần tử nhỏ này được gọi là pixel hay cell. Giá trị của pixel chính là thuộc tính của đối tượng, nghĩa là trên cùng một đơn vị diện tích mà số ô pixel càng nhiều thì đối tượng nhìn càng rõ càng chính xác và ngược lại. Một mặt phẳng chứa đầy các pixel thì tạo thành một raster. Cấu trúc dạng này thường được dùng để mô tả các đối tượng hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu dữ thông tin dạng ảnh. Thông thường có một số mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), Tin (Triangulated Irregular Network) cũng thuộc dạng raster. Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý và phân tích. Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép tính bản đồ dễ dàng. Tuy nhiên nó lại kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng. Khi độ phân giải càng thấp tức là kích thước ô pixel lớn thì sự sai lệch càng lớn. 9 Cấu trúc vector: Nó mô tả vị trí và phạm vi của đối tượng không gian bằng toạ độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng. Về mặt hình học thì được chia làm 3 dạng là đối tượng dạng vùng, dạng điểm và dạng đường trong đó: vùng là khoảng không gian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y mà điểm đầu và cuối trùng nhau tạo nên một đường bao. Điểm được xác định bằng một cặp toạ độ X,Y. Đường là tập hợp liên tục các cặp toạ độ. Ưu điểm của cấu trúc dạng vector là vị trí của đối tượng được định vị chính xác, giúp cho người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn, tuy nhiên lại phức tạp khi chồng xếp bản đồ. Ảnh viễn thám có một số đặc điểm nổi bật như sau: Tỷ lệ: Là tỷ số khoảng cách giữa hai điểm của một ảnh tương ứng với khoảng cách trên mặt đất của hai điểm đó. Tỷ lệ hình ảnh được xác định bởi các yếu tố như: Độ dài tiêu cự hiệu dụng của thiết bị viễn thám; độ cao mà từ đó hình ảnh được thu nhận; yếu tố phóng đại được sử dụng trong in phóng ảnh. Độ sáng và tông ảnh: Sự khác nhau về cường độ của bức xạ điện từ phát ra từ địa hình tạo nên sự khác nhau về độ sáng của hình ảnh, độ sáng của hình ảnh tỷ lệ với cường độ bức xạ phát ra từ các đối tượng - Độ sáng: Đó là lượng ánh sáng tác động vào mắt của chủ thể mà có thể xác định được một cách tương đối. Để đo cường độ ánh sáng người ta thường dùng quang kế (photometro). Khi phân tích ảnh, để phân biệt độ sáng của ảnh có thể hiệu chỉnh bằng thang cấp độ xám, ảnh được phân ra các vùng có tông sáng, trung bình hay tối dựa vào thang độ xám (theo Foyd, Sabin JR, 1986). - Tông ảnh: Được xác định bởi khả năng của đối tượng phản xạ lại ánh mặt trời chiếu xuống. Tỷ số tương phản (constract ratio - CR): Là tỷ số giữa phần sáng nhất và tối nhất của một ảnh và xác định bằng công thức: min max B B CR = 10