2.3.1. Định nghĩa về hệ GIS
Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây.
GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ.
Ngày nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt động kinh tế-xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm hoạ thiên tai v.v... GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân v.v... đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế-xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu bản đồ đầu vào.
Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định.
Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể.
Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng. Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS.
Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý.
Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
2.3.2. Các thành phần của GIS
2.3.2.1. Phần cứng
Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và xử lý thông tin của phần mềm. Hệ thống này gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer) được liên kết với nhau trong mạng LAN hay Internet.
2.3.2.2. Phần mềm
Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phần mềm có tối thiểu 4 nhóm chức năng sau đây:
- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau. - Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính.
- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian.
- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau.
Phần mềm được phân thành ba lớp: hệ điều hành, các chương trình tiện ích đặc biệt và các chương trình ứng dụng.
GIS phải bao gồm một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý: cặp tọa độ x,y trong hệ tọa độ phẳng hoặc địa lý) và các thông tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định. Thời gian được mô tả như một kiểu thuộc tính đặc biệt. Quan hệ được biểu diễn thông qua thông tin không gian và/hoặc thuộc tính.
2.3.3. Cấu trúc dữ liệu trong GIS
Có hai dạng cấu trúc dữ liệu cơ bản trong GIS. Đó là dữ liệu không gian
và dữ liệu thuộc tính. Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS là: dữ liệu không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu (CSDL) và có quan hệ chặt chẽ với nhau.
2.3.3.1. Các kiểu dữ liệu không gian:
Dữ liệu không gian có hai dạng cấu trúc. Đó là dạng raster và dạng vector a. Cấu trúc raster:
Mô phỏng bề mặt trái đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới (đều hoặc không đều) gồm các hàng và cột. Những phần tử nhỏ này gọi là những pixel hay cell. Giá trị của pixel là thuộc tính của đối tượng. Kích thước pixel càng nhỏ thì đối tượng càng được mô tả chính xác. Một mặt phẳng chứa đầy các pixel tạo thành raster. Cấu trúc này thường được áp dụng để mô tả các đối tượng, hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu giữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặt đất, hàng không, vũ trụ...). Một số dạng mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), TIN (Triangulated Irregular Network) trong CSDL 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 toán bản đồ dễ dàng.
Dễ dàng liên kết với dữ liệu viễn thám. Cấu trúc raster có nhược điểm là kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng. Khi độ phân giải càng thấp (kích thước pixel lớn) thì sự sai lệch này càng tăng.
b. Cấu trúc vector:
Cấu trúc vector mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng. Về mặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng dạng điểm
(point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region hay polygon). Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y. Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục. Vùng là khoảng không gian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau. Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao.
Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao). Cấu trúc này giúp cho người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn. Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ.
2.3.3.2. Dữ liệu thuộc tính
Dữ liệu thuộc tính dùng để mô tả đặc điểm của đối tượng. Dữ liệu thuộc tính có thể là định tính - mô tả chất lượng (qualitative) hay là định lượng
(quantative). Về nguyên tắc, số lượng các thuộc tính của một đối tượng là không có giới hạn. Để quản lý dữ liệu thuộc tính của các đối tượng địa lý trong CSDL, GIS đã sử dụng phương pháp gán các giá trị thuộc tính cho các đối tượng thông qua các bảng số liệu. Mỗi bản ghi (record) đặc trưng cho một đối tượng địa lý, mỗi cột của bảng tương ứng với một kiểu thuộc tính của đối tượng đó.
Các dữ liệu trong GIS thường rất lớn và lưu trữ ở các dạng file khác nhau nên tương đối phức tạp. Do vậy để quản lý, người ta phải xây dựng các cấu trúc chặt chẽ cho các CSDL (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
2.4. THÀNH LẬP BẢN ĐỒ VÀ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG RỪNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM KẾT HỢP GIS VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM KẾT HỢP GIS VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG 2.4.1. Thành lập bản đồ và nghiên cứu biến động rừng bằng phương pháp Viễn thám kết hợp với GIS
Ngay từ những ngày đầu tiên của sự phát triển công nghệ viễn thám, việc ứng dụng để thành lập bản đồ lớp phủ và theo dõi diễn biến của lớp phủ đã được
đề cập. Với bản chất của việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng điện từ của các đối tượng trên mặt đất nên viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi lớp phủ thực vật. Các lớp phủ thực vật lức đó sẽ phản ánh các loại hình sử dụng đất tương ứng như đồng cỏ, rừng, mặt nước, ruộng,.… và các loại hình sử dụng đất này sẽ phản ánh lại các hoạt động của con người. Do đó, viễn thám ngày càng có vai trò to lớn hơn và có mặt nhiều hơn trong các nghiên cứu liên quan tài nguyên thiên như ngiên cứu lớp phủ thực vật, tài nguyên đất, tài nguyên nước,…. Nhu cầu thông tin về lớp phủ thực vật ngày càng tăng trong các bài toán nghiên cứu, quản lý các vấn đề môi trường như mất rừng, thoái hoá đất, trong việc quy hoạch sử dụng đất cũng như hoạch định các chính sách trong việc bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Một trong những ưu thế của rõ rệt nhất của phương pháp sử dụng dữ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ thực vật nói riêng và các loại bản đồ chuyên đề nói chung là khả năng đem lại các thông tin ở những vùng mà khó có thể sử dụng phương pháp mặt đất, ngoài ra yếu tố giá thành hạ của sản phẩm cũng là ưu điểm nổi bật của phương pháp viễn thám.
Với đòi hỏi ngày càng cao của các nhu cầu nghiên cứu khoa học nhất là đòi hỏi phải có thông tin chi tiết và tương đối thường xuyên ở các vùng khó tiếp cận của các nhà quản lý, nghiên cứu tài nguyên và sinh thái thì viễn thám đã dần trở thành một công cụ không thể thiếu. Tuy nhiên trong thực tế ứng dụng, rất nhiều trường hợp đòi hỏi các thông tin rất chi tiết và điều này đang là một khó khăn thách thức đối với viễn thám do đó việc kết hợp giữa thông tin từ ảnh viễn thám với các thông tin từ thực địa đang trở thành xu hướng của việc sử dụng ảnh viễn thám.
Một trong những điểm cần lưu ý khi ứng dụng viễn thám vào trong việc thành lập bản đồ lớp phủ thảm trong việc quản lý tài nguyên đất đai là phân biệt khái niệm lớp phủ bề mặt với khái niệm hiện trạng sử dụng đất. Lớp phủ bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt Trái đất như rừng, trảng cỏ,sa mạc,… trong khi đó sử dụng đất lại phản ánh các hoạt động của con người trong việc sử dụng đất như các khu công nghiệp, sân gôn, đất thổ cư, các loại đất hoa mầu canh tác…Tóm lại có thể nói hiện trạng sử dụng đất nhấn mạnh đến các thông tin về mục đích sử dụng của thửa đất, trong khi lớp phủ bề mặt lại dùng để miêu tả trạng thái lớp phủ thực vật của thửa đất ấy. Các thông tin có thể thấy
trạng sử dụng đất. Tuy nhiên, giữa hiện trạng sử dụng đất và hiện trạng lớp phủ có nhiều sự tương quan chặt chẽ nên từ bản đồ hiện trạng lớp phủ chúng ta có thể làm cơ sở để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Cũng như vậy đối với thảm phủ rừng và đất rừng ta cần phân biệt đất rừng là đất có rừng, còn thảm phủ rừng là đất rừng có cây che phủ.
Việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật phân tích không gian của GIS cũng có những ảnh hưởng to lớn trong việc thành lập bản đồ thảm phủ rừng và các quá trình giải đoán ảnh, có thể nói quan hệ giữa viễn thám và GIS là mối quan hệ khăng khít và trong ứng dụng bản đồ thảm phủ rừng không thể được hoàn thành nếu thiếu các kỹ thuật phân tích không gian của GIS.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các vệ tinh có thể chụp được số kênh nhiều hơn và cũng đồng nghĩa với việc các thông tin sẽ được cung cập một lượng to lớn hơn. Dựa trên ưu thế này, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu để có thể thu thập nhiều nhất các thông tin mà ảnh vệ tinh đem lại như nghiên cứu về cấu trúc tán lá, nghiên cứu về thổ nhưỡng,.. mà với các điều tra thông thường thường mất nhiều thời gian và nhân lực.
Bảng 2.5. So sánh một số phương pháp thành lập bản đồ
Đo vẽ Ảnh hàng không Ảnh vệ tinh
Giới hạn phân giải Dưới 1 m 1-20 m 0,5m tới 1 km
Độ phủ Tùy khả năng nguồn lực km x 102 Toàn cầu
Kiểu bản đồ Hiện trạng sử dụng đất, hiện trạng lớp phủ
Hiện trạng lớp phủ Hiện trạng lớp phủ
Khả năng tách đối
tượng Từng đối tượng Cấu trúc thực vật
Lớp hiện trạng lớp phủ
Chu kì lặp thông tin Tùy nguồn lực Tùy nguồn lực và thời tiết
Hàng ngày tới 20 ngày, phụ thuộc thời tiết Phương pháp lập bản đồ Quan sát thực địa Giải đoán bằng mắt thường Đoán đọc bằng mắt hay xử lý ảnh số Chi phí trên đơn vị
diện tích Cao Trung bình Thấp
Để nghiên cứu biến động thảm phủ ta phải có ít nhất hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực tại hai thời điểm khác nhau. Lý tưởng mà nói, điều tra biến động nên dùng các tư liệu ảnh được thu cùng một bộ cảm, có cùng độ phân giải không gian, độ cao bay chụp, các băng phổ, trong cùng một giờ và cùng một ngày (trong năm). Trong thực tế các tư liệu ảnh khó có thể thỏa mãn gây khó khăn trong việc nghiên cứu biến động. Nếu các tư liệu ảnh không thỏa mãn các
điều kiện trên thì phải tiến hành thêm các bước xử lý ảnh như hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh khí quyển và nắn chỉnh hình học. Đối với nghiên cứu biến động, cần phải nắn chỉnh các ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 1/2 pixel (nắn chỉnh hình học trên 1 pixel sẽ gây ra nhiều sai lầm khi so sánh các ảnh với nhau).
Hình 2.1. Quy trình thành lập bản đồ biến động đất bằng phương pháp viễn thám kết hợp với GIS
2.4.2. Ứng dụng công nghệ Viễn Thám và GIS trên thế giới và tại Việt Nam
2.4.2.1. Một số ứng dụng của công nghệ viễn thám và GIS trên thế giới
Ngày nay công nghệ viễn thám có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
1. Viễn thám ứng dụng trong quản lý sự biến đổi môi trường bao gồm: Điều tra về sự biến đổi sử dụng đất và lớp phủ; Vẽ bản đồ thực vật; Nghiên cứu
Ảnh thời kỳ 2 Tư liệu bản đồ
Ảnh thời kỳ 1 Giải đoán ảnh 1 Bản đồ hiện trạng 1 Giải đoán ảnh 2 Bản đồ hiện trạng 2 Chồng xếp bản đồ các thời kỳ Bản đồ biến động
2. Viễn thám ứng dụng trong điều tra đất bao gồm: Xác định và phân loại các vùng thổ nhưỡng; Đánh giá mức độ thoái hoá đất, tác hại của xói mòn, quá trình muối hoá.
3. Viễn thám trong lâm nghiệp, diễn biến của rừng bao gồm: Điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng, biến động đất rừng trong từng giai đoạn; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng, cháy rừng.
4. Viễn thám trong quản lý sử dụng đất bao gồm: Thống kê và thành lập bản đồ sử dụng đất; Điều tra giám sát trạng thái mùa màng và thảm thực vật.
2.4.2.2. Một số ứng dụng của viễn thám và GIS ở Việt Nam
Từ những năm 1990 trở lại đây, nhận thức được vai trò to lớn của ảnh vệ tinh, nhiều Bộ ngành, viện nghiên cứu, trường đại học như Bộ Nông nghiệp & phát triển nông thôn; Bộ tài nguyên môi trường; Tổng cục khí tượng thuỷ văn; …. Đã đầu tư ảnh, trang thiết bị, đào tạo con người và thường xuyên ứng dụng công nghệ này phục vụ cho nhiều mục nghiên cứu cũng như phục vụ đời sống dân sinh kinh tế xã hội. Cho đến nay, Việt Nam đã có nhiều công trình khoa học và các ứng dụng công nghệ GIS và Viễn thám về nghiên cứu đây một vài công trình được biết đến như:
- Xây dựng bản đồ diễn biến rừng tỷ lệ 1/100.000 ở Lâm Đồng, Nghệ An, Lai Châu (1998) - trung tâm tư vấn Thông tin lâm nghiệp (CFIC), Viện Điều tra Quy Hoạch Rừng.
- Thiết lập vận hành trạm thu ảnh vệ tinh viễn thám NOAA phục vụ phân tích diễn biến rừng, theo dõi cháy rừng, xây dựng cở sở dữ liệu trường nhiệt mặt biển (1999), đề tài nhà nước KHCN01-11 - Trung tâm tư vấn Thông tin Lâm