Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.3. Khái quát chung về biến động đất đai
2.3.1. Khái niệm biến động đất đai
- Khái niệm biến động: biến động là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội.
- Khái niệm biến động đất đai: Theo Từ điển Khoa học trái đất "Biến động sử dụng đất và lớp phủ (LUCC), được biết như biến động đất đai, đây là một thuật ngữ chung chỉ những thay đổi bề mặt lãnh thổ trái đất xảy ra do tác động của con người" (dẫn theo Ellis, 2010).
Biến động sử dụng đất là sự thay đổi trạng thái tự nhiên của lớp phủ bề mặt đất gây ra bởi hành động của con người, là một hiện tượng phổ biến liên quan đến tăng trưởng dân số, phát triển thị trường, đổi mới công nghệ, kỹ thuật và sự thay đổi thể chế, chính sách. Biến động sử dụng đất có thể gây hậu quả khác nhau đối với tài nguyên thiên nhiên như sự thay đổi thảm thực vật, biến đổi trong đặc tính vật lý của đất, trong quần thể động, thực vật và tác động đến các yếu tố hình thành khí hậu (Turner et al., 1995; Lambin et al., 1999; Aylward, 2000 dẫn theo Muller, 2004).
Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạng thái của sự vật, hiện tượng bằng cách quan sát chúng tại các thời điểm khác nhau (Nguyễn Tiến Mạnh, 2008).
2.3.2. Yêu cầu về tƣ liệu để tạo ảnh biến động đất đai
Để nghiên cứu biến động sử dụng đất người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau như: số liệu thống kê hàng năm, số liệu kiêm kê hoặc từ các cuộc điều tra. Các phương pháp này có độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và kinh phí, đồng thời chúng không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất này sang loại đất khác và vị trí không gian của sự thay đổi đó. Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất từ tư liệu viễn thám đa thời gian sẽ khắc phục được những nhược điểm trên.
Khả năng nhận biết đối tượng trên ảnh vệ tinh phụ thuộc vào độ phân giải. Căn cứ vào độ phân giải không gian của ảnh, ta có thể chia ra thành 04 mức dữ liệu ảnh viễn thám bao gồm: dữ liệu có độ phân giải thấp như NOAA …, dữ liệu có độ phân giải trung bình như ảnh Landsat MSS (80m) …, dữ liệu có độ phân giải cao như Landsar Tm (30m, 15m), SPOT (20m, 10m), Aster (15m) và ảnh có độ phân giải siêu cao như IKONOS (1 - 5m), ảnh Quickbird (0,6 m), ảnh GeoEye (0,4 m). Đối với ảnh Landsat MSS thì ảnh ETM có độ phân giải không gian cao hơn, độ phân giải phổ cũng cao hơn (ảnh Landsat ETM có 7 kênh phổ, còn ảnh Landsat MSS có 04 kênh phổ).
Tư liệu để tạo ảnh biến động đất đai cần thỏa mãn các yêu cầu sau: - Tư liệu cùng một khu vực.
- Tư liệu phải là cùng loại hoặc có tính chất tương tự như nhau. - Ảnh phải được chụp tại các thời điểm khác nhau.
2.3.3. Các phƣơng pháp đánh giá biến động đất đai
Tiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động là những thay đổi lớp phủ trên bề mặt đất phải đưa đến sự thay đổi về giá trị bức xạ và những sự thay đổi về bức xạ do sự thay đổi lớp phủ phải lớn hơn so với những thay đổi về bức xạ gây ra bởi các yếu tố khác. Những yếu tố khác bao gồm sự khác biệt về điều kiện khí quyển, sự khác biệt về góc chiếu tia mặt trời, sự khác biệt về độ ẩm của đất. Ảnh hưởng của các yếu tố này có thể được giảm từng phần bằng cách chọn dữ liệu thích hợp.
Việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu biến động rất quan trọng. Trước tiên, chúng ta phải xác định được phương pháp phân loại ảnh được sử dụng. Sau đó cần xác định rõ yêu cầu nghiên cứu có cần biết chính xác thông tin về nguồn gốc của sự biến động hay không. Từ đó có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Tuy nhiên tất cả các nghiên cứu đều cho thấy rằng, các kết quả về biến động đều phải được thể hiện trên bản đồ biến động và các bảng tổng hợp. Các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau sẽ cho những bản đồ biến động khác nhau. Có rất nhiều các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau tuy nhiên có thể chia thành 02 nhóm chính đó là: phương pháp so sánh sau phân loại (từ bản đồ về bản đồ); phương pháp quang phổ (từ ảnh về ảnh). Dưới đây là một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động.
2.3.3.1. Tạo ảnh biến động từ ảnh gốc theo từng band phổ
- Phương pháp chung là so sánh các giá trị độ sáng của hình ảnh (DN) của từng band giữa hai thời điểm chụp ảnh khác nhau, bằng cách tạo ảnh hiệu số của hai band đó theo công thức:
DN (1,2) = DN (1) - DN (2)
Trong đó: DN (1): Giá trị DN của pixel trong ảnh chụp ở thời gian (1) DN (12: Giá trị DN của pixel trong ảnh chụp ở thời gian (2) DN (1,2): Giá trị DN của pixel ảnh biến động giữa hai thời gian (1) và (2). DN sẽ có các giá trị âm (-), dương (+) hoặc bằng 0.
- Giá trị DN (1,2) bằng 0 là không có biến động.
- Giá trị (-), (+) là biến động theo 2 hướng khác nhau. Ví dụ đối với band Green (band 5 của MSS hay band 2 của TM) thì giá trị âm của DN (1,2) sẽ là biến động theo hướng tăng độ xanh, khí đó giá trị DN giảm đi. Còn đối với các band khác, như band 4 của MSS hay band 1 của TM thì giá trị âm thể hiện nước biến đổi theo xu thế trong hơn, sạch hơn. Đối với đất, đá thì khi DN (1,2) dương (+) nghĩa là đất, đá khô hơn hoặc nhiều cát hơn, còn ngược lại khi DN (1,2) âm (- ) thể hiện trong thực tế nước nông hơn và bẩn hơn.
2.3.3.2. Phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian
Phương pháp này thực chất là chồng xếp hai ảnh với nhau để tạo thành tổ hợp ảnh đa thời gian và phân loại chúng, khi đó những lớp biến động sẽ có khác biệt phổ so với lớp không biến động.
Hình 2.1. Phƣơng pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian
Ảnh 2 Ảnh 1
Ảnh đa thời
gian Phân loại
Đánh giá biến động
Trước khi phân loại ảnh người ta ghép (chồng phủ) hai ảnh có N kênh phổ để tạo nên một ảnh đa thời gian có 2N kênh phổ. Kết quả phân loại ảnh chồng phủ gồm có 2N kênh phổ là một tập hợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi.
Ưu điểm của phương pháp này là chỉ phải phân loại một lần. Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là rất phức tạp trong lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu biến động và không biến động. Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (các mùa trong năm) và ảnh hưởng của khí quyển của các ảnh ở các thời điểm khác nhau cũng không dễ được loại trừ, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp.
Thêm vào đó bản đồ biến động sử dụng đất được thành lập theo phương pháp này chỉ cho ta biết được chỗ biến động và chỗ không biến động chứ không cho biết được biến động theo xu hướng nào.
2.3.3.3. Tạo ảnh biến động từ ảnh của hai thời điểm khác nhau
Ảnh kết quả là vùng có sự thay đổi về phổ nhiều, sẽ là vùng có khả năng biến động còn vùng mà kết quả của phép trừ ảnh ít hoặc bằng 0 là vùng không có biến động.
Hình 2.2. Phƣơng pháp đánh giá biến động tạo thay đổi phổ
Từ hai ảnh viễn thám ban đầu với việc sử dụng các kỹ thuật khác nhau sẽ tạo nên một hay nhiều kênh ảnh mới có sự thay đổi phổ. Sự khác biệt phổ giữa các pixel có thể được tính cho từng pixel hoặc tính trên toàn cảnh cùng với tính trên từng pixel. Phương pháp này chỉ rõ những khu vực biến động và không biến động cũng như mức độ biến động.
2.3.3.4. Tạo ảnh biến động từ ảnh chỉ số thực vật
Chỉ số thực vật được dùng rất rộng rãi để xác định mật độ phân bố của thảm thực vật, đánh giá trạng thái sinh trưởng và phát triển của cây trồng, lầm cơ sở số liệu dự báo sâu bệnh, hạn hán, diện tích và năng suất, sản lượng cây trồng …
Ảnh 1
Tạo thay
đổi phổ Phân loại
Đánh giá biến động Ảnh 2
Từ nhiều band phổ ảnh chỉ số thực vật của từng thời điểm sẽ được tạo nên theo phương pháp NDVI. Công thức tính:
(NIR - Red) NDVI = ———————
(NIR + Red)
Trong đó:
NDVI: Chỉ số thực vật
NIR: Giá trị phản xạ phổ trong vùng cận hồng ngoại
Red: Giá trị phản xạ phổ trong vùng ánh sáng đỏ
Tạo ảnh hiệu số từ hai ảnh NDVI sẽ cho các giá trị biến động hoặc không biến động về chỉ số thực vật. Đó là biến động về sinh khối của lá, biến động về diện tích.
2.3.3.5. Tạo ảnh biến động từ ảnh đã phân loại
Để áp dụng được phương pháp này, để có kết quả chính xác và tiện so sánh việc phân loại phải được thực hiện theo nguyên tắc hai vùng: cùng hệ thống phân loại và cùng phương pháp phân loại. Nguyên tắc đánh giá sự biến động của hai ảnh đa phần loại là dựa vào ma trận biến động (ma trận hai chiều). Ví dụ như bảng sau:
Bảng 2.2. Bảng ma trận biến động giữa hai thời gian a và b
ảnh thời gian a L1 L2 L3 L4 L5 L 1 L11 L21 L31 L41 L51 L 2 L12 L22 L32 L42 L52 L 3 L13 L23 L33 L43 L53 L 4 L14 L24 L34 L44 L54 L 5 L15 L25 L35 L45 L55
ảnh thời gian b
Trên ma trận, theo cột và theo hàng là các tên đơn vị đã được phân loại theo hai thời điểm a và b. Theo đường chéo là các đơn vị không có sự biến động (được tô màu và đánh dấu), còn lại là những biến động chi tiết của từng đơn vị (được khoanh tròn và tô màu xanh). Ví dụ: L23 là đơn vị L2 của thời điểm a biến thành đơn vị L3 của thời điểm b.
2.3.3.6. Phương pháp phân tích Vector thay đổi phổ
Là phương pháp nghiên cứu hướng biến động của các vector thông tin của từng pixel trên ảnh. Có thể áp dụng phương pháp để nghiên cứu xu thế biến động của nhiều yếu tố tự nhiên, môi trường như rừng, nước và đất.
Khi ở trong khu vực nghiên cứu có biến động xảy ra thì nó được thể hiện bằng sự khác biệt về phổ ở giữa hai thời điểm trước và sau biến động. Giả sử xác định được giá trị phổ trên hai kênh x và y tại hai thời điểm trước và sau biến động như trên biểu đồ hình 3.
Kênh x
2 β
1
Kênh y
Hình 2.3. Véc tơ thay đổi phổ
Điểm 1 biểu thị giá trị phổ tại thời điểm trước khi xảy ra biến động, điểm 2 biểu thị giá trị phổ tại thời điểm sau khi xảy ra biến động. Khi đó véc tơ 12 chính là véc tơ thay đổi phổ, và được biểu thị bởi giá trị (khoảng cách từ 1 đến 2) và hướng thay đổi (góc β).
Giá trị của véc tơ thay đổi phổ tính trên toàn cảnh theo công thức:
CMpixel = 2 1 , , , , (1) (2) n k k j i k j i BV BV
Trong đó: CMpixel là giá trị của véc tơ thay đổi phổ,
BVi,j,k(1), BVi,j,k(2) là giá trị phổ của pixel ij, kênh k của ảnh trước và sau khi xảy ra biến động.
Việc phân tích véc tơ thay đổi được ghi lại thành hai tệp dữ liệu: một tệp chứa các mã của khu vực, một tệp chứa độ lớn của các véc tơ thay đổi phổ. Thông tin về sự thay đổi được tạo ra từ hai tệp dữ liệu đó và được thể hiện bằng màu sắc của các pixel tương ứng với các mã đã quy định. Trên ảnh đa phổ thay đổi này sẽ kết hợp cả hướng và giá trị của véc tơ thay đổi phổ. Sự thay đổi có xảy ra hay không được quyết định bởi véc tơ thay đổi phổ có vượt ra khỏi ngưỡng quy định hay không. Giá trị ngưỡng được xác định từ kết quả thực nghiệm dựa vào các mẫu biến động và không biến động.
Phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu biến động rừng nhất là biến động hệ sinh thái rừng ngập mặn. Nhưng nhược điểm của phương pháp này là khó xác định ngưỡng của sự biến động.
2.3.3.7. Nghiên cứu biến động sau phân loại
Là phương pháp thông dụng nhất được áp dụng để nghiên cứu biến động. bản chất của nó là so sánh sự biến động của kết quả phân loại ảnh.
Để áp dụng phương pháp này cần lựa chọn hai tư liệu ảnh ở hai thời điểm khác nhau của cùng một khu vực nghiên cứu. Độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của từng phương pháp phân loại do phải tiến hành phân loại độc lập các ảnh viễn thám.
Hình 2.4. Phƣơng pháp đánh giá biến động sau phân loại
Phương pháp so sánh sau phân loại được sử dụng rộng rãi nhất, đơn giản, dễ hiểu và dễ thực hiện. Sau khi ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học sẽ tiến hành phân loại độc lập để tạo thành hai bản đồ. Hai bản đồ này được so sánh bằng cách so sánh pixel tạo thành ma trận biến động.
Theo J. Jensen [13] ưu điểm của phương pháp này cho biết sự thay đổi từ loại đất gì sang loại đất gì và chúng ta cũng có thể sử dụng các bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã được thành lập trước đó. Ảnh 1 Ảnh 2 Phân loại Phân loại Đánh giá biến động Bản đồ hiện trạng thời điểm 1 Bản đồ hiện trạng thời điểm 2
Nhược điểm của phương pháp này là phải phân loại độc lập các ảnh viễn thám nên độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của từng phép phân loại và thường độ chính xác không cao vì các sai sót trong quá trình phân loại của từng ảnh vẫn được giữ nguyên trong bản đồ biến động.
2.3.3.8. Nghiên cứu biến động bằng phương pháp số học
Đây là phương pháp đơn giản để xác định mức độ biến động giữa hai thời điểm bằng cách sử dụng tỉ số giữa các ảnh trên cùng một kênh hoặc sự khác nhau trên cùng một kênh của các thời điểm ảnh.
Trước tiên các ảnh được nắn về cùng một hệ tọa độ. Sau đó dùng phép các biến đổi số học để tạo ra các ảnh thay đổi. Phép trừ và phép chia số học được sử dụng trong trường hợp này.
Nếu ảnh thay đổi là kết quả của phép trừ số học thì khi đó giá trị độ xám của các pixel trên ảnh thay đổi là một dãy số âm (-) và dương (+). Các kết quả âm và dương biểu thị mức độ biến đổi của các vùng, còn giá trị 0 thể hiện sự không thay đổi. Với giá trị độ xám từ 0 đến 255 thì giá trị pixel thay đổi trong khoảng từ -255 đến + 255. Thông thường để tránh kết quả mang giá trị âm người ta cộng thêm một hằng số không đổi. Công thức toán học để biểu diễn là:
Dijk = BVijk (1) - BVijk (2) + c Trong đó:
Dijk: giá trị độ xám của pixel thay đổi
BVijk (1): giá trị độ xám của ảnh thời điểm 1 BVijk (2): giá trị độ xám của ảnh thời điểm 2 c: là một hằng số (c = 127)
i: chỉ số dòng; j: chỉ số cột
k: Kênh ảnh (ví dụ kênh 4 trên ảnh Landsat TM).
Ảnh thay đổi được tạo ra bằng cách tổ hợp giá trị độ xám theo luật phân bố chuẩn Gauss. Vị trí nào có pixel không thay đổi, độ xám biểu diễn xung quanh giá trị trung bình, vị trí có pixel thay đổi được biểu diễn ở phần biên của đường phân bố.
Cũng tương tự như vậy, nếu ảnh thay đổi được tạo ra từ phép chia số học thì giá trị của các pixel trên ảnh là một tỷ số chứng tỏ ở đó có sự thay đổi, nếu bằng 1 thì không có sự thay đổi.
Giá trị giới hạn trên ảnh thay đổi (tạo ra bởi phép trừ số học) và ảnh tỷ số kênh sẽ quyết định ngưỡng giữa ranh giới sự thay đổi - không thay đổi, và được biểu thị bằng biểu đồ độ xám của ảnh thay đổi.
Thông thường độ lệch chuẩn sẽ được lựa chọn và kiểm tra theo kinh nghiệm. Nhưng ngược lại, hầu hết các nhà phân tích đều sử dụng phương pháp thử nghiệm nhiều hơn phương pháp kinh nghiệm. Giá trị ngưỡng của sự thay đổi sẽ được xác định khi bắt gặp giá trị thay đổi trên thực tế.