3. Ý nghĩa khoa học vă thực tiễn
1.1.5. Tổng quan về GIS vă viễn thâm trong nghiín cứu đơ thị hĩa vă sử dụng đất
1.1.5.1. Sự tương thích giữa dữ liệu viễn thâm vă GIS
Hệ thống thơng tin địa lý (GIS) lă một hệ thống bao gồm phần cứng, câc thiết bị ngoại vi, phần mềm với một cơ sở dữ liệu đủ lớn vă một đội ngũ chuyín gia cĩ khả năng thu thập, cập nhật, quản trị, phđn tích vă biểu diễn về câc đối tượng, hiện tượng, sự kiện theo khơng gian vă thời gian phục vụ giải quyết câc băi tôn ứng dụng cĩ liín quan tới vị trí địa lý trín bề mặt trâi đất [26].
Viễn thâm được hiểu lă một khoa học vă nghệ thuật thu nhận thơng tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thơng qua việc phđn tích tư liệu thu nhận được bằng câc phương tiện. Những phương phâp năy thì khơng cĩ sự tiếp xúc trực tiếp đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiín cứu. Hay nĩi một câch khâc viễn thâm lă thăm dị từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mă khơng cĩ sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng vă hiện tượng đĩ [23].
Sự tương thích giữa dữ liệu viễn thâm vă GIS được thể hiện qua câc đặc điểm sau: - Dữ liệu viễn thâm được xử lý vă lưu trữ dưới dạng cấu trúc raster.
Hai mơ hình vector vă raster thường được sử dụng trong GIS để lưu trữ dữ liệu khơng gian, do đĩ việc tích hợp dữ liệu viễn thâm vă GIS rất dễ dăng thực hiện [26].
- Ảnh viễn thâm chuyển đổi dễ dăng văo loại dữ liệu GIS mong muốn
Với cơng nghệ hiện nay, câc phần mềm của GIS đều cĩ module chuyển đổi mơ hình dữ liệu từ vector sang raster bảo đảm tính chính xâc vă khơng mất mât thơng tin. Ngoăi ra chức năng chồng ghĩp câc lớp dữ liệu cho phĩp tích hợp vă hiển thịđồng thời cả hai lớp vector vă raster, điều năy cho phĩp cập nhật nhanh câc lớp dữ liệu về giao thơng, thủy hệ, trong dữ liệu nền, cũng như lớp dữ liệu chuyín đề của GIS (hiện trạng sử dụng đất, biến đổi đường dọc bờ sơng…) ở nhiều tỷ lệ khâc nhau vă cấp độ cập nhập khâc nhau [23].
- Dữ liệu viễn thâm vă dữ liệu GIS cĩ cùng tọa độ tham chiếu
Sự tương đồng giữa kỹ thuật xử lýảnh viễn thâm vă GIS đĩ lă trong thực tế cả hai kỹ thuật năy đều xử lý dữ liệu khơng gian vă cĩ thể lập bản đồ số hĩa. Điều năy cho thấy yíu cầu dữ liệu trín cùng một khu vực sẽ cĩ cùng tọa độ tham chiếu, nín về khía cạnh cơ sở tôn học dữ liệu tương ứng của hai cơng nghệ sẽ tham chiếu cùng một hệ tọa độ vă độ cao thống nhất. Do đĩ tính hiệu quả trong vận hănh, phđn tích vă hiển thị dữ liệu sẽđược nđng cao đâng kể cho người sử dụng, đồng thời đảm bảo tính thống nhất của dữ liệu [23].
- Dữ liệu tích hợp tạo thuận lợi trong xđy dựng vă cập nhật dữ liệu
Cơng nghệ viễn thâm cho phĩp thănh lập bản đồ tự động trong một phạm vi rộng lớn vă cập nhật nhanh dữ liệu. Câc thơng tin chuyín đề tạo ra câc dạng số từ cơng nghệ viễn thâm dễ dăng được tổ chức thănh câc lớp thơng tin hợp lý cho việc lưu trữ, quản lý, phđn tích, vă hiện thị trong mơi trường GIS. Ngược lại nguồn dữ liệu cĩ sẵn trong GIS luơn được cập nhật để đảm bảo tính hiện thời nhằm phản ânh chính xâc thế giới thực sẽ lă nguồn thơng tin bổ trợ rất tốt cho việc nắn chỉnh hình học, tạo dữ liệu mẫu, phđn loại vă đânh giâ chất lượng sau khi xử lý ảnh. Do đĩ giải phâp xử lý tích hợp dữ liệu viễn thâm vă GIS lă phối hợp ưu thế của hai cơng nghệ trong việc thu thập, lưu trữ, phđn tích vă xử lý dữ liệu địa lý để nđng cao hiệu quả trong việc xđy dựng vă cập nhật dữ liệu khơng gian [28].
1.1.5.2. Câc phương phâp phđn loại vă khả năng tâch chiết thơng tin sử dụng đất từ tư
liệu viễn thâm
Câc dữ liệu viễn thâm như Landsat, SPOT… với những lợi thế về chu kỳ chụp lặp, chi phí thấp, tính khâi quât đê trở thănh nguồn dữ liệu chính cho nghiín cứu câc vấn đề liín quan đến lớp phủ vă sử dụng đất [38]. Thơng tin lớp phủ vă sử dụng đất được chiết tâch từ tư liệu viễn thâm thơng qua phương phâp phđn loại.
Cùng với sự trợ giúp của câc phần mềm chuyín dụng ngăy căng được cải tiến nđng cấp, phương phâp xử lý số hiện nay cho phĩp tựđộng chiết tâch câc đối tượng trín ảnh một câch nhanh chĩng, phạm vi rộng, với câc kết quả khâch quan, trung thực vă chính xâc. Phương phâp xử lý sốđược chia thănh phương phâp phđn loại cĩ kiểm định vă khơng kiểm định.
- Phương phâp phđn loại cĩ kiểm định: Phđn loại cĩ kiểm định bắt đầu bằng quâ trình thu thập mẫu lăm tiíu chuẩn cho việc xâc định ranh giới trong khơng gian đặc trưng của câc đối tượng. Dựa trín vùng mẫu, câc tham số thống kí được xâc định vă đĩ chính lă câc chỉ tiíu thống kí sử dụng trong quâ trình phđn loại. Việc xâc định ranh giới phụ thuộc văo đặc tính vă kích thước mẫu sử dụng cho phđn loại. [46].
- Phương phâp phđn loại khơng kiểm định: Phđn loại khơng kiểm định ít phụ thuộc văo mối tương tâc với người sử dụng. Thơng thường, phđn loại khơng kiểm định nghiín cứu đến đặc trưng của từng lớp theo số lượng lớp. Ví dụ, nếu tiíu chuẩn sử dụng để gân nhên cho một đối tượng lă khoảng câch ngắn nhất giữa đối tượng vă với giâ trị trung bình của lớp, khoảng câch năy được đo trong khơng gian đặc trưng phổ. Sản phẩm của phđn loại khơng kiểm định sẽ đânh giâ giâ trị trung bình cho mỗi lớp được lọc theo vịng lặp. Tại mỗi thời điểm lặp, tập hợp ước tính giâ trị trung bình của lớp sẽ được lọc cho đến khi giâ trị trung bình vẫn giữ nguyín trong cùng vị trí trong khơng gian đặc trưng ph thì quâ trình lặp thănh cơng vă tạo thănh câc nhĩm đối tượng. Phương phâp năy hoăn toăn tự động, quâ trình phđn loại thănh cơng khi mỗi
nhĩm đối tượng đĩ được nhận dạng liín kết với thơng tin đặc trưng cung cấp bởi người sử dụng.
* Phđn loại mờ (Fuzzy classification)
Sự khâc biệt rõ nĩt giữa phđn loại mờ vă phđn loại cứng đặc trưng bởi hăm liín thuộc (membership function). Hăm liín thuộc trong phđn loại cứng đầu ra chỉ duy nhất cĩ hai lựa chọn: (cĩ, khơng) hoặc lă (0,1). Nĩi câch khâc câc đối tượng trong phđn loại cứng chỉ cĩ thể lă thănh viín của một nhĩm duy nhất với mức độ liín thuộc lă 1. Cịn đối với phđn loại mờ thì khâi niệm được lăm mềm hĩa: dữ liệu của một đối tượng cĩ thể cùng một thuộc nhiều nhĩm với mức độ liín thuộc của câc nhĩm khâc nhau. Rõ răng so với phđn loại cứng thì phđn loại mờ linh hoạt hơn [46]. Phương phâp phđn loại mờ dùng để chiết tâch thơng tin sử dụng từ tư liệu ảnh đa bộ cảm vă đa độ phđn giải từ ảnh cĩ độ phđn giải cao như Quickbird, IKONOS đến ảnh cĩ độ phđn giải trung bình như Landsat. Khi âp dụng lý thuyết mờ phđn loại ảnh Landsat câc nhă khoa học đều khẳng định rằng phương phâp phđn loại năy cho độ chính xâc tốt hơn câc phương phâp phđn loại thống kí truyền thống [20].
Khi nĩi nĩi đến phđn loại ảnh cĩ hai vấn đề cần quan tđm đĩ lă quy mơ tiếp cận vă phương phâp phđn loại. Cùng với phương phâp phđn loại thì quy mơ tiếp cận cũng cần được chú trọng, cĩ ba hướng tiếp cận bao gồm: tiếp cận theo điểm ảnh (pixel), tiếp cận dưới điểm ảnh (subpixel) vă tiếp cận theo đối tượng lă tập hợp câc pixel tạo thănh một thực thể giống ngoăi thực địa (object).
Để hạn chế những yếu điểm của phương phâp phđn loại tiếp cận điểm ảnh vă dưới điểm ảnh, hướng tiếp cận theo đối tượng được quan tđm theo xu hướng kết hợp với câc phương phâp phđn loại phi thống kí cho ra kết quả cĩ độ tin cậy cao hơn. Phđn loại tiếp cận đối tượng được đề xuất từ những năm 1970, nhưng do những hạn chế về phần cứng, phần mềm, độ phđn giải vă thuật tôn giải đôn ảnh nín phương phâp năy chưa được ứng dụng. Cho đến nay, khi mă khả năng lưu trữ của phần cứng cũng như độ phđn giải khơng gian của dữ liệu ảnh viễn thâm tăng lín thì phương phâp năy được ứng dụng rộng rêi với độ chính xâc cao hơn so với phương phâp phđn loại dựa trín điểm ảnh. Phương phâp phđn loại tiếp cận đối tượng tbiệt câc loại lớp phủ vă sử dụng đất khơng chỉ dựa đặc trưng phản xạ phổ của câc điểm ảnh mă cịn xem xĩt đến hình dạng (shape), kiến trúc của đối tượng (texture) vă mối quan hệ giữa câc đối tượng.
Tĩm lại, chiết tâch thơng tin sử dụng lớp phủ vă sử dụng đất từ ảnh vi n thâm quan tđm đến hai vấn đề đĩ lă quy mơ tiếp cận vă phương phâp phđn loại. Hiện nay, xu hướng tiếp cận đối tượng vă phương phâp phđn loại phi thống kí để chiết tâch thơng tin lớp phủ vă sử dụng đất trong đĩ câc thuật tôn sử dụng lý thuyết mờ cho kết quả phđn loại cĩ độ chính xâc cao hơn.
1.1.5.3. Câc phương phâp nghiín cứu biến động cơ cấu sử dụng đất
Trong phđn tích thay đổi sử dụng đất vă lớp phủ bề mặt, điều đầu tiín cần phải lưu ýđến lă ý nghĩa của khâi niệm để xâc định được sự thay đổi trong một trường hợp cụ thể. Đối với lớp phủ bề mặt bao gồm hai kiểu biến đổi: chuyển đổi vă sửa đổi. Chuyển đổi lớp phủ bề mặt bao gồm thay đổi từ lớp phủ bề mặt năy sang lớp phủ bề mặt khâc. Cịn sửa đổi liín quan đến sự thay đổi tự thđn về cấu trúc trong một loại lớp phủ bề mặt mă khơng cĩ sự chuyển đổi từ lớp năy sang lớp khâc, cĩ thể lă những thay đổi về năng suất, sinh khối…. Thay đổi lớp phủ bề mặt lă kết quả của câc quâ trình hoạt động tự nhiín vă phât triển kinh tế - xê hội… Tuy vậy, nhiều kết quả nghiín cứu đê cho thấy rằng: hầu hết câc thay đổi bề mặt lớp phủ vă sử dụng đất ở hiện tại cũng như trong quâ khứ lă do sự tâc động của con người thơng qua hoạt động sản xuất. Cho nín, thay đổi sử dụng đất cũng bao gồm chuyển đổi từ lớp sử dụng đất năy sang lớp sử dụng đất khâc vă thay đổi nội tại trong từng loại hình sửđụng đất [47].
Kỹ thuật đânh giâ biến động sử dụng tư liệu viễn thâm được chia thănh hai nhĩm phương phâp chính: đânh giâ trước phđn loại vă đânh giâ sau phđn loại [41]:
- Phđn tích trước phđn loại dựa trín phản xạ phổ hoặc những đặc trưng của đối tượng trong khu vực nghiín cứu, phương phâp năy cĩ ưu điểm lă cho ra phđn tích nhanh chĩng. Phương phâp năy cung cấp thơng tin thay đổi hoặc khơng thay đổi của câc đối tượng. Việc xâc định ngưỡng của phương phâp năy lă một thâch thức lớn cần phải giải quyết
- Phđn tích biến động sau phđn loại cĩ ưu điểm lă cho ra ma trận biến động chi tiết vă kết quả chứa thơng tin thay đổi từ lớp năy sang lớp khâc. Phương phâp phđn tích bằng mắt được sử dụng trước những năm 1970, nhược điểm của phương phâp năy lă tốn thời gian cho việc phât hiện biến động vă khĩ cập nhật câc kết quả thay đổi. Ngăy nay với sự phât triển của kỹ thuật mây tính vă câc phương phâp phđn loại, phương phâp xử lý số được sử dụng hầu như trong toăn bộ câc nghiín cứu về biến động sử dụng đất vă lớp phủ. Kỹ thuật phđn tích biến động sau phđn loại bao gồm: đânh giâ biến động từ hai ảnh được phđn loại riíng rẽ vă đânh giâ biến động từ kết quả phđn loại ảnh đa thời gian [20].
+ Đânh giâ biến động từ hai ảnh được phđn loại riíng rẽ: Đđy lă phương phâp đơn giản, dễ thực hiện. Ảnh chụp ở hai thời kỳ khâc nhau được phđn loại độc lập. Phương phâp năy, thường sử dụng ma trận chĩo để tính tôn tương quan biến động giữa câc đối tượng, lập được câc bâo câo số liệu thống kí vă bản đồ biến động. Độ chính xâc của phương phâp năy phụ thuộc chặt chẽ văo độ chính xâc của từng phĩp phđn loại độc lập, câc sai số xuất hiện ở mỗi lần phđn loại ảnh sẽ bị lẫn trong quâ trình điều tra biến động [20].
+ Đânh giâ biến động từ kết quả phđn loại ảnh đa thời gian lă phương phâp ghĩp hai ảnh văo nhau thănh ảnh đa thời gian trước khi phđn loại. Hai ảnh cĩ N kính được chồng phủ lín tạo ra một ảnh cĩ 2N kính. Sau đĩ phđn loại trín ảnh đa thời gian. Độ chính xâc của phương phâp năy phụ thuộc văo sự khâc biệt phổ giữa câc lớp cĩ thay đổi vă khơng thay đổi. Nhược điểm của phương phâp năy nếu số lượng chú giải nhiều thì phương phâp năy trở nín rất phức tạp [20].
Việc lựa chọn một phương phâp đânh giâ biến động phù hợp địi hỏi phải xem xĩt cẩn thận câc yếu tốảnh hưởng chính của từng phương phâp. Trong thực tế cĩ một số phương phâp xâc định biến động được sử dụng mă kết quả của chúng được đânh giâ lă tốt vă phù hợp trong phđn tích biến động như phương phâp khâc biệt ảnh vă phương phâp sau phđn loại. Những phương phâp ânh giâ biến động năy được tích hợp với hệ thơng tin địa lý (GIS) lăm tăng độ chính xâc trong phât hiện biến động [20].