Ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý gis nghiên cứu biến động sử dụng đất nông nghiệp khu vực tình bình dương

I Bộ giáo dục đào tạo trờng đại học mỏ - địa chất NGUYễN VĂN KHáNH ứng dụng viễn thám hệ thông tin địa lý (GIS) nghiên cứu biến động sử dụng đất nông nghiệp khu vực tỉnh bình dơng Chuyên ngành: MÃ số: Kỹ thuật trắc địa 60.52.85 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học TS Trần Đình Trí Hà Nội - 2012 I Bộ giáo dục đào tạo trờng đại học mỏ - địa chất Nguyễn văn khánh ứng dụng viễn thám hệ thông tin địa lý (GIS) nghiên cứu biến động sử dụng đất nông nghiệp khu vực tỉnh bình dơng Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thống thông tin địa lý MÃ số: 60.44.76 Luận văn th¹c sÜ kü tht Ng−êi h−íng dÉn khoa häc PGS.TS Trần Đình Trí Hà Nội - 2012 i LI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Văn Khánh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ vii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi đề tài Nội dung đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT VÀ CÔNG TÁC NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT 1.1 Tổng quan đồ trạng sử dụng đất 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Mục đích sử dụng 1.1.3 Yêu cầu chung 1.1.4 Cơ sở tốn học độ xác đồ HTSDĐ 1.1.5 Nội dung nguyên tắc biểu thị nội dung đồ HTSDĐ 1.2 Các phương pháp thành lập đồ HTSDĐ 11 1.2.1 Phương pháp thành lập đồ HTSDĐ đồ địa sở 11 1.2.2 Phương pháp thành lập đồ HTSDĐ tư liệu viễn thám 11 1.2.3 Phương pháp thành lập đồ HTSDĐ cách chỉnh đồ HTSDĐ chu kỳ trước 12 1.2.4 Phương pháp thành lập đồ HTSDĐ cách sử dụng tư liệu viễn thám để chỉnh đồ HTSDĐ chu kỳ trước 13 iii 1.3 Tổng quan công tác nghiên cứu biến động sủ dụng đất 13 1.3.1 Khái niệm biến động, đồ biến động sử dụng đất nông nghiệp 13 1.3.2 Các phương pháp thành lập đồ biến động sử dụng đất tư liệu viễn thám đa thời gian 15 1.4 Sơ lược cơng trình nghiên cứu có liên quan 18 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 21 2.1 Những vấn đề chung viễn thám 21 2.1.1 Những khái niệm viễn thám 21 2.1.2 Bản chất vật lý thông tin viễn thám 22 2.1.3 Đặc trung phản xạ phổ đối tượng tự nhiên 25 2.1.4 Xử lý chuyển tải liệu ảnh viễn thám 31 2.1.5 Ứng dụng viễn thám 33 2.2 Những vấn đề chung GIS 33 2.2.1 Các thành phần GIS 34 2.2.2 Các chức phần mềm GIS 37 2.2.3 Giới thiệu số phần mềm GIS 39 2.2.4 Ứng dụng GIS 42 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP 43 3.1 Công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám GIS 43 3.1.1 Sự tương thích viễn thám GIS 43 3.1.2 Sự cần thiết tích hợp viễn thám GIS 45 3.2 Ứng dụng viễn thám GIS công tác thành lập đồ biến động sử dụng đất nông nghiệp 49 3.2.1 Phương pháp nghiên cứu 49 3.2.2 Cơ sở khoa học trình đánh giá biến động 49 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 51 4.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu 51 4.1.1 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 51 iv 4.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu 53 4.2 Tư liệu khu vực thực nghiệm 54 4.3 Quá trình thực nghiệm 54 4.3.1 Nhập Ảnh 54 4.3.2 Tăng cường chất lượng ảnh 55 4.3.3 Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh 57 4.3.4 Cắt ảnh theo ranh giới khu vục thực nghiệm 58 4.3.5 Phân loại ảnh vệ tinh 59 4.3.6 Biên tập trình bày đồ: 67 4.4 Đánh giá biến động khu vực nghiên cứu 72 4.4.1 Kết đánh giá biến động đất nông nghiệp giai đoạn 2003 - 2009: 72 4.4.2 Kết đánh giá biến động đất nông nghiệp giai đoạn 2009 - 2011: 75 4.4.3 Đánh giá chung tình hình biến động đất nông nghiệp thị xã Thuận An 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ GIS Geographic Information System HTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất Pixel Điểm ảnh Band Kênh CSDL Cơ sở liệu OIF Optimum Index Factor Topology Chỉ mối quan hệ không gian đối tượng địa lý Low Pas Tần số DBMS Hệ quản trị liệu vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tỷ lệ đồ dùng để thành lập đồ trạng sử dụng đất Bảng 1.2: Các khoanh đất phải thể đồ trạng sử dụng đất 10 Bảng 4.1: Danh sách mục đích sử dụng đất nghiên cứu 60 Bảng 4.2: Các mẫu giải đoán đặc điểm chúng ảnh năm 2011 61 Bảng 4.3: Các mẫu giải đoán đặc điểm chúng ảnh năm 2009 61 Bảng 4.4: Các mẫu giải đoán đặc điểm chúng ảnh năm 2003 62 Bảng 4.5: Bảng màu loại hình sử dụng đất 67 Bảng 4.6: Ma trận chuyển đổi diện tích loại hình sử dụng đất giai đoạn 2003 2009 73 Bảng 4.7: Ma trận chuyển đổi diện tích loại hình sử dụng đất giai đoạn 2009 2011 76 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Quy trình thành lập đồ biển động phương pháp so sánh sau phân loại 17 Hình 2.1: Các kênh sử dụng viễn thám 22 Hình 2.2: Đặc trưng phản xạ phổ kênh ảnh SPOS .27 Hình 2.3: Khả phản xạ hấp thụ nước 28 Hình 2.4: Đặc tính phản xạ phổ thổ nhưỡng .30 Hình 2.5: Quy trình xử lý chuyển tải liệu ảnh viễn thám .31 Hình 2.6: GIS, GPS viễn thám với công nghệ thành lập đồ số 34 Hình 2.7: Cấu trúc GIS 36 Hình 2.8: Phương pháp ứng dụng GIS 38 Hình 3.1: Mơ hình chuyển đổi liệu viễn thám GIS 44 Hình 3.2: Vai trị Viễn thám xây dựng cập nhật sở liệu GIS 46 Hình 3.3: Độ xác ảnh vệ tinh yêu cầu cập nhật liệu 47 Hình 3.4: Vai trị GIS Viễn thám việc hỗ trợ định .48 Hình 3.5: Quy trình thành lập đồ biến động sử dụng đất 50 Hình 4.1: Sơ đồ ranh giới khu vực nghiên cứu .52 Hình 4.2: Hiệu chỉnh độ tương phản Histogram .55 Hình 4.3: Ảnh năm 2011 trước sau tăng cường độ tương phản 56 Hình 4.4: Ảnh năm 2011 trước sau dùng lọc Low Pass 3x3 56 Hình 4.5: Thiết lập thơng số hệ tọa độ VN - 2000 cho ENVI 57 Hình 4.6: Vị trí sai số nắn chỉnh tương ứng điểm khống chế ảnh 58 Hình 3.7: Ảnh năm 2009 2011 cắt theo ranh giới khu vực thực nghiệm 59 Hình 4.8: Kết lấy mẫu giải đoán ảnh năm 2011 .63 Hình 4.9: Ảnh năm 2011 sau phân loại 64 Hình 4.10: Ảnh năm 2009 sau phân loại 65 Hình 4.11: Ảnh năm 2003 sau phân loại 66 Hình 4.12: Hộp thoại thay đổi tên bảng màu loại đất 68 viii Hình 4.13: Bản đồ trạng thực phủ thị xã Thuận An năm 2011 .69 Hình 4.14: Bản đồ trạng thực phủ thị xã Thuận An năm 2009 70 Hình 4.15: Bản đồ trạng thực phủ thị xã `Thuận An năm 2003 71 Hình 4.16: Biểu đồ trạng sử dụng đất năm 2003 (Đơn vị tính theo %) 72 Hình 4.17: Biểu đồ Hiện trạng sử dụng đất năm 2009 (Đơn vị tính theo %) 72 Hình 4.18: Biển đồ biến động diện tích sử dụng đất giai đoạn 2003 - 2009 74 (tính theo Ha) 74 Hình 4.19: Bản đồ biến động sử dụng đất thị xã Thuận An giai đoạn 2003 - 2009 75 Hình 4.20: Biểu đồ trạng sử dụng đất năm 2011 (tính theo %) .77 Hình 4.21: Biểu đồ biến động diện tích sử dụng đất giai đoạn 2009 - 2011 77 (tính theo Ha) 77 Hình 4.22: Bản đồ biến động sử dụng đất thị xã Thuận An giai đoạn 2009 - 2011 78 68 Hình 4.12: Hộp thoại thay đổi tên bảng màu loại đất 69 BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG THỰC PHỦ THỊ XÃ THUẬN AN NĂM 2011 Hình 4.13: Bản đồ trạng thực phủ thị xã Thuận An năm 2011 70 BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG THỰC PHỦ THỊ XÃ THUẬN AN NĂM 2009 Hình 4.14: Bản đồ trạng thực phủ thị xã Thuận An năm 2009 71 BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG THỰC PHỦ THỊ XÃ THUẬN AN NĂM 2003 Hình 4.15: Bản đồ trạng thực phủ thị xã `Thuận An năm 2003 72 4.4 Đánh giá biến động khu vực nghiên cứu Chồng ghép ảnh hai thời điểm khác để đánh giá biến động loại hình sử dụng đất hai thời điểm Những pixel có giá trị giống hai thời điểm loại hình sử dụng đất vị trí khơng đổi Ngồi kết phân loại có kiểm định gán cho pixel loại hình sử dụng đất tương ứng nên thay đổi giá trị pixel tương ứng với việc chuyển đổi loại hình sử dụng đất ngồi thực tế 4.4.1 Kết đánh giá biến động đất nông nghiệp giai đoạn 2003 - 2009: HTSDĐ năm 2003 3% 22% 24% 25% 25% 1% Đất xây dựng Đất trống Đất hàng năm Đất lâu năm Mặt nước Đất trồng lúa Hình 4.16: Biểu đồ trạng sử dụng đất năm 2003 (Đơn vị tính theo %) HTSDĐ năm 2009 6% 4% 37% 21% 29% 3% Đất xây dựng Đất trống Đất hàng năm Đất lâu năm Mặt nước Đất trồng lúa Hình 4.17: Biểu đồ Hiện trạng sử dụng đất năm 2009 (Đơn vị tính theo %) 73 Bảng 4.6: Ma trận chuyển đổi diện tích loại hình sử dụng đất giai đoạn 2003 - 2009 (Đơn vị tính: Ha) Loại hình sử Năm 2003 dụng đất (1) Đất xây dựng (1) (3) (4) (5) (6) 2009 1456,97 49,01 765,71 253,73 53,05 519,52 3097,99 Đất trống (2) 78,71 7,73 118,95 35,48 3,03 49,15 293,05 Đất hàng 414,67 22,91 903,18 387,97 19,34 715,62 2463,69 62,04 1,01 136,51 1195,44 18,53 393,12 1806,65 124,60 4,63 70,24 81,15 125,05 79,22 484,89 26,86 0,40 81,23 90,44 12,54 110,43 321,90 2163,85 85,69 2075,82 2044,21 231,54 1867,06 8468,17 +934,14 +207,36 +387,87 -237,56 +253,35 -1545,16 0,00 +43,2 +241,9 +18,7 -11,6 +109,4 -82,8 năm (3) Đất lâu năm (4) Mặt nước (5) Đất trồng lúa (6) Tổng năm 2003 Diện tích biến động Diện tích biến động (%) 73 Năm 2009 (2) Tổng năm 74 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -500 -1000 -1500 -2000 Năm 2003 Năm 2009 Tăng (+), giảm (-) Đất Đất Đất Đất Mặt Đất xây trống cây nước trồng lúa hàng lâu dựng năm năm Hình 4.18: Biển đồ biến động diện tích sử dụng đất giai đoạn 2003 - 2009 (tính theo Ha) 75 Hình 4.19: Bản đồ biến động sử dụng đất thị xã Thuận An giai đoạn 2003 - 2009 4.4.2 Kết đánh giá biến động đất nông nghiệp giai đoạn 2009 - 2011: 76 Bảng 4.7: Ma trận chuyển đổi diện tích loại hình sử dụng đất giai đoạn 2009 - 2011 (Đơn vị tính: Ha) Năm 2009 Loại hình sử dụng đất (1) Đất xây dựng (1) Năm 2011 (2) (3) Tổng năm (4) (5) (6) 2011 2158,66 77,89 308,07 44,57 164,7 11,52 2765,41 Đất trống (2) 205,45 154,89 380,52 52,75 28,62 18,38 840,58 Đất hàng năm 579,89 57,42 1496,67 456,87 102,86 128,95 2822,66 69,76 2,11 245,49 1177,16 46,25 99,60 1640,37 75,47 0,73 12,96 14,44 128,58 5,26 237,44 8,76 0,04 19,98 60,86 13,88 58,19 161,71 3097,99 293,05 2463,69 1806,65 484,89 321,90 8468,17 -332,58 +547,53 +358,97 -166,28 -247,45 -160,19 0,00 -10,8 +186,8 +14,6 -9,2 -51,0 -49,9 (3) (4) Mặt nước (5) Đất trồng lúa (6) Tổng năm 2009 Diện tích biến động Diện tích biến động (%) 76 Đất lâu năm 77 HTSDĐ năm 2011 3% 2% 19% 33% 33% 10% Đất xây dựng Đất trống Đất hàng năm Đất lâu năm Mặt nước Đất trồng lúa Hình 4.20: Biểu đồ trạng sử dụng đất năm 2011 (tính theo %) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -500 Năm 2009 Năm 2011 Tăng(+), giảm (-) Đất Đất Đất xây trống dựng hàng năm Đất Mặt Đất nước trồng lâu lúa năm Hình 4.21: Biểu đồ biến động diện tích sử dụng đất giai đoạn 2009 - 2011 (tính theo Ha) 78 Hình 4.22: Bản đồ biến động sử dụng đất thị xã Thuận An giai đoạn 2009 - 2011 79 4.4.3 Đánh giá chung tình hình biến động đất nơng nghiệp thị xã Thuận An Kết đánh giá biến động sử dụng đất nông nghiệp khu vực nghiên cứu chia thành hai thời kỳ 2003 - 2009 2009 - 2010 Qua kết cho thấy biến động sử dụng đất nông nghiệp xuất phát từ nguyên nhân sau: - Sự thay đổi lớp phủ bề mặt chụp ảnh hai thời điểm khác mà khơng có biến động mục đích sử dụng đất - Sự thay đổi lớp phủ bề mặt thay mục đích sử dụng đất Theo ma trận chuyển đổi diện tích loại hình sử dụng đất Bảng 4.6 Bảng 4.7 cho thấy, việc thay đổi mục đích sử dụng đất thị xã Thuận An giai đoạn 2003 - 2009 có biến động mạnh diện tích với xu hướng chuyển đổi từ nhóm đất nơng nghiệp sang nhóm đất phi nơng nghiệp Giai đoạn diện tích đất nơng nghiệp giảm mạnh (23%), giai đoạn thị xã tập trung phát triển kinh tế theo hướng công nghiệp - dịch vụ - nông nghiệp Đất nông nghiệp chuyển đổi chủ yêu sang mục đích phát triển khu công nghiệp địa bàn huyện khu công nghiệp VISIP 1, VISIP 2A, VISIP 2B, Việt Hương 1, An Thạnh, cụm cơng nghiệp Bình Chuẩn, An Thạnh .Bên cạnh phải kể đến nguyên nhân tốc độ thị hóa thị xã diễn nhanh Sự mở rộng khu đô thị, khu dân cư, trung tâm dịch vụ, thương mại, phát triển sở hạ tầng phục vụ cho phát triển kinh tế nguyên nhân dẫn đến diện tích đất nơng nghiệp bị thu hẹp Giai đoạn 2009 - 2011 diện tích đất nơng nghiệp gần khơng biến động lớn Sự biến động chủ yếu chu chuyển nội đất nông nghiệp Giai đoạn chủ chương phát triển kinh tế thị xã trọng gia tăng tỷ trọng dịch vụ thương mại, phát triển kinh tế với văn hoá xã hội theo hướng tập trung phát triển đô thị, coi trọng việc đầu tư phát triển đồng nông nghiệp, nông thôn Đây nguyên nhân lý giải biến động đất nơng nghiệp giai đoạn giai đoạn 2003 - 2009 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua kết thực đề tài, tác giả rút số kết luận sau: Tận dụng ưu việt định việc thành lập đồ, cung cấp, quản lý thông tin tư liệu viễn thám GIS việc sử dụng tư liệu viễn thám GIS để nghiên biến động sử dụng đất nơng nghiệp khu vực tỉnh Bình Dương việc làm quan trọng mang tính thực tiễn cao Phương pháp so sánh sau phân loại phương pháp sử dụng việc thực nghiệm đề tài Bản đồ biến động thành lập từ kết phân loại có kiểm định đạt độ xác cao Trong phương pháp ảnh thời điểm phân loại độc lập nên tránh nhiều vấn đề khơng phải chuẩn hóa ảnh hưởng khí cảm ứng điện từ ảnh chụp thời điểm khác nhau, lấy mẫu lại kích thước pixel trường hợp liệu đa thời gian khơng độ phân giải khơng gian Ngồi ra, phương pháp phương pháp phù hợp cho việc chuyển kết phân loại hệ thông tin địa lý GIS để phân tích biến động sau phân loại Phương pháp cho nhạy cảm với thay đổi phổ đối tượng khác độ ẩm đất số thực vật Tuy nhiên phương pháp có hạn chế phụ thuộc vào độ xác ảnh phân loại Diện tích đất nơng nghiệp giai đoạn 2003 - 2011 giảm mạnh việc mở rộng khu công nghiệp ngun nhân chính, bên cạnh phải kể đến tốc độ thị hóa thị xã diễn mạnh, việc phát triển sở hạ tầng, trung tâm dịch vụ, thương mại dẫn ngun nhân dẫn đến diện tích đất nơng nghiệp bị thu hẹp Kiến nghị Việc nghiên cứu biến động đất nơng nghiệp hồn tồn thực cách kết hợp tư liệu ảnh viễn thám GIS Để có mức độ chi tiết thể 81 biến động cách xác việc chọn ảnh viễn thám có độ phân giải cao nhiều kênh phổ điều tương đối quan trọng Tư liệu ảnh viễn thám nên chọn thời điểm mùa giống để nghiên cứu tăng thêm độ xác cho kết thực nghiệm Trong mốc thời gian cần đánh giá mức độ biến động sử dụng đất, để kết phản ánh sát thực tốc độ biến động nên sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để đánh giá giai đoạn sau đưa kết đánh giá chung cho giai đoạn Nguồn thông tin GIS nguồn tư liệu quan trọng hỗ trợ cho q trình giải đốn, phân loại ảnh phân tích biến động phải cập nhật xác kịp thời 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài nguyên Môi trường (2007), Hướng dẫn thực thống kê, kiểm kê đất đai xây dựng đồ trạng sử dụng đất, Thông tư số 08/2007/TT BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường (2007), Ký hiệu đồ trạng sử dụng đất đồ quy hoạch sử dụng đất, Quyêt định số 23/2007/TT - BTNMT Đặng Văn Đức (2001), Hệ thống thông tin địa lý GIS, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Lê Văn Trung, Viễn Thám, Trường Đại học Bách khoa, Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh Phạm Vọng Thành (2009), Viễn Thám (Dùng cho cao học ngành Bản đồ Viễn Thám GIS), Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Phạm Vọng Thành (2009), Ứng dụng Viễn Thám Hệ thông tin địa lý công tác đồ (Dùng cho cao học ngành Bản đồ - Viễn Thám GIS), Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Nguyễn Ngọc Thạch, Nguyễn Tuấn Dũng, Nguyễn Mạnh Cường (2001), Viễn thám hệ thông tin địa lý ứng dụng, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Trường Xuân (2002), Giáo trình kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội ... địa chất Nguyễn văn khánh ứng dụng viễn thám hệ thông tin địa lý (GIS) nghiên cứu biến động sử dụng đất nông nghiệp khu vực tỉnh bình dơng Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám hệ thống thông tin địa. .. GIS 39 2.2.4 Ứng dụng GIS 42 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP 43 3.1 Công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám. .. tận dụng ưu việt định việc thành lập đồ, cung cấp, quản lý thông tin tư liệu viên thám hệ thông tin địa lý (GIS) việc sử dụng tư liệu viễn thám GIS để nghiên cứu biến động sử dụng đất nông nghiệp