Ứng dụng công nghệ viễn thám và gis phục vụ quản lý môi trường khu vực hải phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN NGỌC HÙNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TR ƯỜNG KHU VỰC HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội – 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN NGỌC HÙNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM V À GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TR ƯỜNG KHU VỰC HẢI PHÒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa Mã số: 60.52.85 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Đình Luật Hà Nội – 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công tr ình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn l trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Hùng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tơi nhận giúp đỡ q báu nhiều cá nhân tập thể Trước hết xin chân thành cảm ơn tới tồn thể cán phịng sau đại học, cán giáo viên khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất tận tình giúp đỡ, cung cấp tư liệu giúp tơi thực luận văn n ày Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Trần Đình Luật – Tổng cơng ty Tài ngun Mơi trường Việt Nam tận tình hướng dẫn, bảo tơi suốt q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, cơng nhân viên chức Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng Không – Công ty Trắc địa Bản đồ - Cục Bản đồ - BTTM tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ động viên suốt q trình học tập hồn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn ! Hà nội, tháng năm 2010 Học viên Nguyễn Ngọc Hùng MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU Chương : TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM, HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ MƠI TRƯỜNG 1.1 Cơng nghệ viễn thám 1.2 Hệ thống thông tin địa lý 1.3 Tổng quan số vấn đề môi trường Chương : CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM V À HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG QUẢN LÝ MƠI TRƯỜNG 2.1 Cơ sở khoa học ứng dụng cơng nghệ viễn thám quản lý môi trường 2.2 Cơ sở khoa học ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) quản lý môi trường 2.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám v hệ thống thông tin địa lý công tác quản lý môi trường 2.4 Hiện trạng ứng dụng công nghệ viễn thám v hệ thống thông tin địa lý quản lý môi trường việt nam Chương : THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM V À HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG QUẢN LÝ MÔI TR ƯỜNG KHU VỰC HẢI PHÒNG 3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội thành phố Hải Phòng 3.2 Các tư liệu thu thập 3.3 Xử lý tư liệu thành lập sở liệu 3.4 Thành lập đồ trạng sử dụng đất khu vực thử nghiệm KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 10 10 32 40 47 47 54 56 68 72 72 87 88 91 99 99 101 102 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 : Các thông số kỹ thuật cảm TM 15 Bảng 1.2 : Các đặc trưng ảnh vệ tinh SPOT 17 Bảng 1.3 : Độ phân giải phổ ảnh nguồn vệ tinh SPOT từ đến 19 Bảng 1.4 : Các đặc tính vệ tinh IKONOS 21 Bảng 1.5 : Các đặc tính vệ tinh Quickbird 23 Bảng 1.6 : Các thông số hệ thống thu ảnh Rad arsat 25 Bảng 1.7 : Các đặc trưng kỹ thuật ERS 25 Bảng 3.1 : Hệ phân loại đồ hệ sinh thái khu vực th ành phố Hải Phịng 92 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 : Phản xạ quang phổ nước, đất thực vật 10 Hình 1.2 : Bức xạ vật thể đen 11 Hình 1.3 : Mối quan hệ quang phổ điện từ v cảm biến 12 Hình 1.4 : Hệ thống viễn thám 12 Hình 1.5 : Sơ đồ phân loại viễn thám theo b ước sóng 14 Hình 1.6 : Vệ tinh SPOT 16 Hình 1.7 : Vệ tinh IKONOS 21 Hình 1.8 : Vệ tinh QUICKBIRD 22 Hình 1.9 : Nguyên lý tạo ảnh SLR 26 Hình 1.10 : Nguyên lý tạo ảnh SAR 29 Hình 1.11 : Cấu trúc hệ thống thơng tin địa lý 33 Hình 1.12 : Cấu trúc vector raster 36 Hình 1.13 : Mối quan hệ người, tài nguyên thiên nhiên môi trường 44 Hình 2.1 : Sơ đồ quy trình thành lập đồ trạng tài nguyên thiên nhiên sở ứng dụng công nghệ viễn thám v GIS 58 Hình 3.1 : Bản đồ hệ sinh thái khu vực thử nghiệm (thu từ tỷ lệ 1/100.000) 96 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thập kỷ gần đây, mặc d ù cố gắng cộng đồng giới đạt nhiều thành tựu hoạt động bảo vệ môi tr ường môi trường giới tiếp tục bị suy thoái Hiện giới nhận thấy tính chất nghiêm trọng việc mơi trường bị phá huỷ, bât tượng trái đất nóng lên, băng bắc cực tan nhiều đe doạ ngập lụt diện rộng vùng ven biển, Việt Nam quốc gia đứng hàng thứ hai giới chịu ảnh hưởng Với diện tích ngập nước lớn Việt Nam nhiều diện tích canh tác nơng nghiệp đe doạ đến sống 75 % dân số Việt Nam Nhận thức tầm quan trọng vừa qua giải th ưởng Nobel trao cho nhà nghiên cứu biến đổi khí hâu người làm cơng tác tun truyền ảnh hưởng khí hậu nhằm gióng l ên tiếng chng cảnh tỉnh người dân phủ tồn giới Vấn đề đặt đòi hỏi tất quốc gia phải có sách chiến lược phát triển phù hợp với yêu cầu bảo vệ tài nguyên môi trường Ở Việt Nam với nhiều nỗ lực công tác bảo vệ môi tr ường có chuyển biến tích cực Các hệ thống sách, c chế bước xây dựng hoàn thiện với nhiều hoạt động cộng đồng góp phần phục vụ ngày hiệu cho công tác quản lý v bảo vệ môi trường mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội khác Nhưng phát triển với phát triển nhanh kinh tế, x ã hội mơi trường tiếp tục bị suy thối Có thể kể đến số vụ việc điển h ình vấn đề ô nhiễm môi trường thời gian qua : Công ty Vedan “đầu độc” sông Thị Vải 14 năm gây xúc xã hội; Sự bùng phát “làng ung thư” r ất nhiều địa bàn xã Thạch Sơn – Lâm Thao – Phú Thọ, xã Kim Thành – Yên Thành – Nghệ An, xã Triệu Trung – Triệu Phong – Quảng Trị ; việc cá chết hàng loạt xảy liên tục sông, hồ nhiều địa phương hồ Trúc Bạch – Hà Nội (tháng 3-2010), huyện Thủy Nguyên – Hải Phòng (tháng 6-2010), vịnh Mân Quang – Sơn Trà – Đà Nẵng (tháng 7-2010) Do yêu cầu cấp thiết đặt cần phải có cơng cụ hữu hiệu để quản lý vấn đề mơi tr ường Công tác kiểm kê, đánh giá trạng cơng việc cần thiết quy trình xây dựng kế hoạch, quy hoạch phát triển lĩnh vực n Trong lĩnh vực môi trường vậy, quản lý môi trường xác định chức môi trường cho phạm vi lãnh thổ khác nhau, hài hòa với phát triển kinh tế, nhằm bảo vệ mơi trường khơng bị suy thối, nhiễm ngày cải thiện theo đời sống kinh tế xã hội Trên quy mô lớn, quản lý môi trường xác định khu rừng n cần bảo vệ, phát triển để đảm nhiệm chức ph òng hộ; Vùng phát triển công nghiệp, đắp đập, ngăn sông, khai thác lâm sản; Vùng nên canh tác nông nghi ệp, nuôi trồng thủy sản, hay phát triển du lịch sinh thái hợp lý Ở quy mô nhỏ, phạm vi đô thị, nhiệm vụ quản lý môi trường thiếu, cần xác đị nh không gian cho xanh, cho hồ điều hòa sinh thái, cho nhà máy x lý nhiễm…Mục đích quản lý mơi trường khu vực điều hịa phát triển kinh tế - xã hội bảo vệ mơi trường Nội dung điều hịa quản lý mơi trường đảm bảo cách chắn phát triển kinh tế - xã hội không vượt khả chịu đựng môi trường tự nhiên đảm bảo phát triển kinh tế v xã hội phù hợp tốt với hệ thống tự nhi ên Vậy muốn xác định sức chịu tải môi trường tự nhiên ngưỡng cần phải dừng lại để phát triển ổn định kinh tế - xã hội, trước hết phải nắm bắt quy luật phân bố, trạng, tỷ trọng hợp lý th ành phần, yếu tố, đối tượng cấu thành nên mơi trường Việc ứng dụng cơng nghệ viễn thám v công nghệ thông tin để giải nhiệm vụ tr ên cần thiết Vì lựa chọn đề tài luận văn thạc sỹ là: ”Ứng dụng công nghệ viễn thám v GIS phục vụ quản lý mơi trường khu vực Hải Phịng” Mục tiêu đề tài Nghiên cứu khả khai thác sử dụng tư liệu ảnh viễn thám GIS việc đánh giá trạng tài nguyên thiên nhiên phục vụ công tác quản lý mơi trường khu vực Hải Phịng Khẳng định, việc lựa chọn công nghệ viễn thám v GIS giải pháp tối ưu công tác xây dựng đồ trạng tài nguyên thiên nhiên phục vụ quản lý môi trường Đối tượng phạm vi nghiên cứu Do hạn chế mặt thời gian v kinh phí, đề tài giới hạn tập trung nghiên cứu hệ sinh thái khu vực Hải Ph ịng Đây khu vực có sư đa dạng hệ sinh thái cao, đặc biệt l khu vực vườn quốc gia Cát Bà Đề tài sử dụng tư liệu ảnh viễn thám SPOT 2007; ASTER 2006; AVNIR 2007…; Bản đồ trạng sử dụng đất năm 2005; Các đồ địa hình 1:100.000; 1:50.000 s ố liệu thực địa khu vực nghên cứu để thành lập đồ trạng hệ sinh thái tỷ lệ 1:100.000 khu vực Hải Phịng Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu, nghiên cứu tổng quan số vấn đề môi trường Đi sâu vào nghiên cứu trạng ứng dụng công nghệ viễ n thám GIS thành lập đồ trạng tài nguyên thiên nhiên Viêt Nam Nghiên cứu sở khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám GIS thành lập đồ trạng tài nguyên thiên nhiên Tiến hành thực nghiệm thành lập đồ trạng hệ sinh thái tỷ lệ 1:100.000 khu vực Hải Phòng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Về mặt khoa học, nghiên cứu góp phần giúp học viên hiểu biết thêm ứng dung công nghệ viễn thám v hệ thống thông tin địa lý (GIS) nói chung làm phong phú thêm sở khoa học ứng dụng công tác 104 Phụ lục : MỘT SỐ MẪU GIẢI ĐOÁN ẢNH Khu dân cư đô thị Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Khu dân cư đô thị loại đất bao gồm nhà ở, cơng trình xây dựng… nằm thành phố, thị xã, thị trấn Dấu hiệu suy giải khu dân cư thị ảnh vệ tinh Spot5 hình ảnh ô lưới tạo hệ thống giao thông với màu xám trắng đặc trưng Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o40’27”_20o51’01” phường Hồ Nam, quận Lê Chân Ảnh chụp mặt đất Mô tả 105 Khu dân cư nông thôn Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Khu dân cư nơng thơn khu vực Hải Phịng mang đặc trưng khu dân cư nông thôn đồng Bắc Bộ Đó quần thể nhà, sân, vườn, ao… thường có màu xanh thực phủ lũy tre, loại ăn quả… Trên ảnh vệ tinh Spot5, khu dân cư nông thôn dễ dàng xác định thời điểm sau thu hoạch Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o39’03”_20o45’50” xã Hữu Bằng, huyện Kiến Thụy Ảnh chụp mặt đất Mô tả 106 Bãi triều Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Bãi triều vùng bãi ven biển chịu tác động trực tiếp thủy triều, bị ngập nước thời gian với mức độ khác tùy thuộc vào chế độ triều cao trình bãi Bãi triều có ý nghĩa to lớn việc cung cấp chất dinh dưỡng, nơi sinh cư cho lồi động vật biển, vùng đệm chống xói lở bờ biển đới lọc tự nhiên cho môi trường biển Trên ảnh vệ tinh Spot5, bãi triều suy giải phương pháp phân loại ảnh tự động Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o45’32”_20o46’18” xã Tân Thành, huyện Kiến Thụy Ảnh chụp mặt đất Mô tả 107 Bãi bồi cửa sông, ven biển Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Bãi bồi cửa sông, ven biển vũng bãi hình thành trình bồi tụ tự nhiên vùng cửa sông, ven biển Tại khu vực Hải Phòng, loại bãi thường nơi có vùng ni trồng thủy sản rừng ngập mặn sinh sống Trên ảnh vệ tinh Spot5, bãi bồi cửa sơng, ven biển xác định phương pháp suy giải mắt dựa cấu trúc hình ảnh Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o41’39”_20o40’46” xã Vinh Quang, huyện Tiên Lãng Ảnh chụp mặt đất Mô tả 108 Rạn san hô Ảnh vệ tinh Spot5 khu vực có rạn san hơ Sơ đồ vị trí rạn san hơ Rạn san hơ núi đá ngầm quần thể san hơ tiết tích tụ lại San hô phân bố hầu hết vùng bờ đá ven lục địa, ven đảo kể đảo ngồi khơi xa Nó hệ sinh thái quan trọng việc trì đa dạng sinh học suất sinh học cao cho vùng nước xung quanh, nơi sinh sống nhiều lồi Rạn san hơ khơng thể suy giải trực tiếp ảnh vệ tinh Spot5 xác định thơng qua nguồn tư liệu khác Điểm lấy mẫu có tọa độ 107o04’21”_20o45’15” đảo Nghềnh Vẩm Ảnh chụp mặt đất Mô tả 109 Cỏ biển Ảnh vệ tinh Spot5 khu vực có cỏ biển Sơ đồ vị trí cỏ biển Cỏ biển thực vật thuỷ sinh bậc cao sống bám đáy vùng nước nông ven biển, ven đảo Tại khu vực Hải Phịng, cỏ biển có phân bố vùng biển ven đảo Các bãi cỏ biển nơi trú ngụ, sinh sản loại động vật biển Vì có ý nghĩa quan trọng việc bảo vệ nguồn lợi môi trường sinh thái biển Tương tự rạn san hô, cỏ biển suy giải trực tiếp ảnh vệ tinh Spot5 mà xác định thông qua nguồn tư liệu khác Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o54’56”_20o48’09” xã Phù Long, huyện Cát Bà Ảnh chụp mặt đất Mô tả 110 Sông tự nhiên Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Sông tự nhiên đối tượng xác định rõ ràng ảnh vệ tinh Spot5 phương pháp suy giải mắt phân loại tự động Dấu hiệu suy giải dựa cấu trúc tự nhiên sông đặc tính phản xạ phổ nước: Bức xạ mặt trời bị hấp thụ hoàn toàn kênh hồng ngoại cận hồng ngoại Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o34’18”_20o44’33” xã Quyết Tiến, huyện Tiên Lãng Ảnh chụp mặt đất Mô tả 111 Hồ nhân tạo, kênh mương Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Hồ nhân tạo, kênh mương xác định ảnh vệ tinh Spot5 dựa cấu trúc hình ảnh, đặc điểm địa lý kết hợp với đồ trạng sử dụng đất, đồ mạng mưới thủy văn Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o43’16”_20o44’49” xã Hợp Đức, huyện Kiến Thụy Ảnh chụp mặt đất Mô tả 112 Núi đá vôi Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Vùng địa hình núi đá vơi hình thành trình xâm thực chủ yếu nước loại đá cacbonat, có đặc tính thấm nước hồ tan Phía có nhiều lỗ hổng ngầm hang động Đây nơi có nhiều di tích danh thắng, đồng thời nơi dễ xảy tai biến địa chất Núi đá vơi thường có lớp đất phong hóa mỏng, mùn, sườn dốc, trừ chỗ rạn nứt trũng Tại thực địa, đất đá vôi có màu đen Trên ảnh vệ tinh Spot5, núi đá vơi phát dựa theo hình ảnh đặc thù tạo thành độ cắt xẻ địa hình lớn Ảnh chụp mặt đất Mơ tả 113 10 Đất làm muối Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Đất làm muối loại đất sử dụng vào mục đích làm muối Đất làm muối có dạng tuyến sọc đặc thù với màu xám màu xẫm xen cho phép dễ dàng xác định ảnh vệ tinh Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o51’17”_20o48’18” xã Nghĩa Lộ, huyện Cát Hải Ảnh chụp mặt đất Mô tả 114 11 Rừng ngập mặn kết hợp nuôi trồng thủy sản Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Dấu hiệu để suy giải rừng ngập mặn kết hợp nuôi trồng thủy sản cần dựa đặc điểm địa lý đồ trạng sử dụng đất, đồ nuôi trồng thủy sản Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o55’24”_20o49’04” xã Phù Long, huyện Cát Bà Ảnh chụp mặt đất Mô tả 115 12 Rừng đặc dụng Ảnh vệ tinh Spot5 tổ hợp màu tự nhiên Sơ đồ điều vẽ Rừng đặc dụng bao gồm rừng tự nhiên rừng trồng bảo vệ xây dựng nhằm sử dụng vào mục đích đặc biệt bảo tồn hệ sinh thái rừng, nguồn gen động vật thực vật; rừng phòng hộ phục vụ nghiên cứu khoa học, du lịch, nghỉ ngơi Tiêu chuẩn để tuyển chọn RĐD tuỳ theo trạng thái mục tiêu sử dụng: RĐD bảo tồn rừng phải cịn ngun bị tàn phá; RĐD văn hố RĐD có di tích lịch sử văn hoá nhà nước xếp hạng; RĐD du lịch RĐD có phong cảnh đặc sắc, có nơi vui chơi giải trí… Điểm lấy mẫu có tọa độ 106o59’46”_20o48’17” vườn quốc gia Cát Bà Ảnh chụp mặt đất Mô tả 116 117 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT Độc lập – Tự – Hạnh phúc SƠ YẾU LÝ LỊCH - Họ tên: Nguyễn Ngọc Hùng - Ngày, tháng, năm sinh: 18 / / 1982 - Nơi sinh: Kim Sơn – Gia Lâm – Hà Nội - Quê quán: Kim Sơn – Gia Lâm – Hà Nội - Cơ quan công tác: XN Chụp ảnh Hàng không – Công ty Trắc địa Bản đồ - Chức vụ: Quản đốc - Cơ quan quản lý: Cục Bản đồ - Bộ Tổng Tham Mưu +Thuộc bộ: Bộ Quốc Phòng - Tốt nghiệp Đại học: + Ngành tốt nghiệp Đại học: Trắc địa năm 2005 + Trường tốt nghiệp Đại học: Trường đại học Mỏ - Địa chất - Học viên Cao học: + Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa + Khóa: 14 Hà Nội, ngày 09 tháng năm 2010 Người khai Nguyễn Ngọc Hùng ... (GIS) quản lý môi trường 2.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám v hệ thống thông tin địa lý công tác quản lý môi trường 2.4 Hiện trạng ứng dụng công nghệ viễn thám v hệ thống thông tin địa lý quản lý môi. .. NGHỆ VIỄN THÁM V À HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG 2.1 Cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám quản lý môi trường 2.2 Cơ sở khoa học ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) ... mơi trường Việc ứng dụng công nghệ viễn thám v công nghệ thông tin để giải nhiệm vụ tr ên cần thiết Vì tơi lựa chọn đề tài luận văn thạc sỹ là: ? ?Ứng dụng công nghệ viễn thám v GIS phục vụ quản lý