2.4.1. Khái quát về bản đồ biến động sử dụng đất và các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất
2.4.1.1. Khái quát về bản đồ biến động sử dụng đất
Biến động được hiểu 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. 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.
Để nghiên cứu biến động đất, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau từ số liệu thống kê, từ các cuộc điều tra. Các phương pháp này mặc dù có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng nhược điểm của chúng là tốn kém thời gian và kinh phí đồng thời chúng không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất gì sang loại đất gì và diễn ra ở khu vực nào (vị trí không gian của sự thay đổi).
Người ta dùng bản đồ biến động sử dụng đất để thể hiện, bao quát những biến đổi trạng thái sử dụng đất ngoài thực địa. Bản đồ biến động sử dụng đất là bản đồ chuyên đề phản ánh tình hình biến động sử dụng đất theo những nội dung và tỷ lệ khác nhau.
2.4.1.2. Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động lớp phủ bề mặt
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 baogồm 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 mà ta 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 bảng tổng hợp.Các phương pháp nghiên cứu biến động khác nhau sẽ cho những bản đồ biến động khác nhau. Có nhiều phương pháp nghiên cứu biến động, tuy nhiên trong đó có một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động, bao gồm: Phương pháp so sánh sau phân loại, phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian, phương pháp phân tích véc tơ thay đổi phổ, phương pháp số học, phương pháp sử dụng mạng nhị phân, phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ đã có, phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh, phương pháp kết hợp.
1. Phương pháp so sánh sau phân loại
Bản chất của phương pháp này là từ kết quả phân loại ảnh ở hai thời điểm khác nhau ta thành lập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm đó.Sau đó chồng ghép hai bản đồ hiện trạng để xây dựng bản đồ biến động.
2. Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian
Phương pháp này thực chất là chồng xếp hai ảnh của hai thời kỳ với nhau để tạo thành ảnh biến động.Sau đó dựa vào ảnh biến động ta tiến hành phân loại và thành lập bản đồ biến động.
3. Phương pháp phân tích vectơ thay đổi phổ
xảy ra hay không được quyết định bởi vec 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. Sau đó lớp thông tin thể hiện sự thay đổi hay không thay đổi sẽ được đặt lên trên tấm ảnh để thành lập bản đồ biến động.
4. 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 chụp ảnh.
Trước tiên các ảnh được nắn về cùng một hệ tọa độ.Sau đó dùng các biến đổi số học để tạo ra các ảnh thay đổi.
5. Phương pháp sử dụng mạng nhị phân
Tiến hành lựa chọn để phân tích ảnh thứ nhất tại thời điểm n, ảnh thứ 2 có thể sớm hơn ảnh thứ nhất n-1 hoặc muộn hơn n+1. Các ảnh được nắn chỉnh về cùng một hệ tọa độ.
Phân loại ảnh thứ nhất theo phương pháp phân loại thông thường. Tiếp theo lần lượt lựa chọn 1 trong các kênh từ 2 ảnh để tạo ra các tệp dữ liệu mới. Các tệp dữ liệu này sẽ được phân tích bằng các phép biến đổi số học để tính toán các chỉ số và tạo ra một ảnh mới.Sau đó sử dụng kỹ thuật phân ngưỡng để xác định các vùng thay đổi và không thay đổi trên ảnh mới này, ảnh thay đổi được ghi lại trên một tệp ‘’mạng nhị phân’’ chỉ có hai giá trị ‘’thay đổi’’ và ‘’không thay đổi’’. Sau đó mạng nhị phân này được chồng phủ lên ảnh thứ 2 để phân tích và chỉ ra các pixel thay đổi, khi đó chỉ các pixel được xác định là có sự thay đổi được phân loại trên ảnh thứ 2 này. Sau đó sử dụng phương pháp so sánh sau phân loại truyền thống để tìm ra thông tin biến động.
6. Phương pháp chồng xếp ảnh phân loại lên bản đồ đã có
Trong một số trường hợp, khu vực nghiên cứu đã có bản đồ hiện trạng được thành lập hoặc bản đồ được số hóa thì thay vì sử dụng ảnh viễn thám ở thời điểm 1 chúng ta sử dụng nguồn dữ liệu sẵn có.Phân loại ảnh ở thời điểm thứ 2, sau đó tiến hành so sánh các pixel để tìm ra biến động và thông tin biến động.
7. Phương pháp cộng màu trên một kênh ảnh
màu sắc của dữ liệu ảnh chồng xếp sẽ cho thấy sự biến động hay không biến động theo nguyên lý tổ hợp màu.
8. Phương pháp kết hợp
Thực chất của phương pháp này là vectơ hóa những vùng biến động từ tư liệu ảnh có độ phân giải cao như ảnh SPOT hoặc ảnh hàng không.
Tiến hành phân loại ảnh tại thời điểm dữ liệu ảnh có độ phân giải thấp hơn theo phương pháp phân loại không kiểm định, xây dựng bản đồ hiện trạng tại thời điểm đó. Tiếp theo chồng xếp bản đồ lên trên ảnh có độ phân giải cao để phát hiện biến động. Tiến hành vec tơ hóa những vùng biến động.
2.4.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất trên thế giới đồ biến động sử dụng đất trên thế giới
Việc sử dụng kết hợp viễn thám và GIS cho nhiều mục đích khác nhau đã trở nên rất phổ biến trên toàn thế giới trong thời đại ngày nay.
Đối với nhiều quốc gia trên thế giới để quản lý và quy hoạch sử dụng đất một cách hợp lý, có hiệu quả họ đã sử dụng công nghệ viễn thám kết hợp với dữ liệu GIS. Như ở Nhật Bản để đưa ra những đánh giá về năng suất thực ban đầu cho các nước Châu Á người ta sử dụng viễn thám và GIS kết hợp với dữ liệu thống kê về các sản phẩm nông nghiệp. Hay ở Trung Quốc đã sử dụng ảnh SAR ở các thời điểm khác nhau trên cơ sở kết hợp với bản đồ địa hình,bản đồ sử dụng đất để cập nhật nhanh bản đồ đất trồng lúa cho các tỉnh.... Ngoài ra để đánh giá mức độ thích hợp của đất đối với các loại cây trồng nông nghiệp thì tư liệu viễn thám được sử dụng để phân loại các đối tượng sử dụng đất còn dữ liệu GIS là các bản đồ nông hoá thổ nhưỡng, bản đồ địa hình, bản đồ chế độ tưới tiêu.
Trong nghiên cứu môi trường, tài nguyên thiên nhiên: Trong vài năm trở lại đây thiên nhiên có nhiều biến động bất thường xảy ra và đã gây hậu quả thiệt hại về người và của vô cùng to lớn đối với con người. Những thảm hoạ xảy ra như sóng thần, lũ lụt, hiện tượng hiệu ứng nhà kính…Xuất phát từ thực tế đó việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu môi trường toàn cầu là vô cùng cần thiết, có ý nghĩa quan trọng. Những ứng dụng quan trọng được kể đến là thành lập bản đồ độ sâu ngập lụt, dự báo nguy cơ trượt lở đất…
Biến động sử dụng đất và sự thay đổi lớp phủ thực vật là vấn đề quan trọng trong một loạt các vấn đề nghiên cứu về biến đổi môi trường toàn cầu.
đến nguy cơ mất an ninh lương thực và suy giảm khả năng chống đỡ và tái sản xuất của hệ thống nông nghiệp và rừng.
Việc nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động sử dụng đất đã được thực hiện ở nhiều quốc gia. Trong đó phương pháp được sử dụng hiệu quả nhất là kết hợp tư liệu ảnh viễn thám và GIS.
2.4.2.1. Tại Malaysia
Ở Malaysia, để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất của huyện Rawang tỉnh Selangor, Trung tâm viễn thám Kalaysian đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat TM chụp năm 1988 và năm 1995 trên khu vực nghiên cứu rộng 441km2.
Ảnh chụp năm 1988 được nắn chỉnh hình học theo bản đồ địa hình, sau đó ảnh chụp năm 1995 được nắn theo ảnh năm 1988 theo phương pháp nắn ảnh về ảnh với sai số trung phương nhỏ hơn 0,5 pixel.
Sử dụng tất cả các kênh để tổ hợp màu giả.Dùng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian và thành lập bản đồ lớp phủ. Để tìm ra thông tin về sử dụng đất từ các lớp phủ, tác giả đã kết hợp với dữ liệu bản đồ và các tri thức cơ sở sau đó biểu diễn chúng theo đúng quy phạm. Cuối cùng kết hợp bản đồ hiện trạng sử dụng đất, các hiểu biết về lớp phủ thực vật để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất.
2.4.2.2. Tại Hy Lạp
Ở Hy Lạp, việc thành lập bản đồ biến động lớp phủ và bản đồ biến động sử dụng đất tỷ lệ lớn từ tư liệu ảnh viễn thám đã được nghiên cứu thực nghiệm trên khu vực đảo Lesvos thuộc vùng biển Địa Trung Hải. Khu vực nghiên cứu rộng 163000ha, tư liệu ảnh thu thập được gồm 6 thời điểm kéo dài trong 27 năm. Gồm ảnh Landsat MSS 1975, TM 1987, TM 1995, TM 1999, ETM 2000, ETM 2001.
Các ảnh vệ tinh được phân loại độc lập theo phương pháp xác suất cực đại dựa trên các vùng mẫu được lựa chọn từ số liệu mặt đất, từ ảnh hàng không và ảnh vệ tinh độ phân giải cao như Ikonos, Quickbird.
Dữ liệu ảnh sau phân loại được xử lý dựa trên mạng xác suất điều kiện gồm các nút thể hiện sự thay đổi ngẫu nhiên và các cạnh thể hiện sự phụ thuộc vào các điều kiện giả định.Sau đó sử dụng phương pháp so sánh để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất ở các thời điểm từ mạng đó.Khi đó độ chính xác của
bản đồ biến động sử dụng đất phụ thuộc vào độ chính xác của ảnh sau nắn chỉnh, độ chính xác phân loại và độ chính xác của bản đồ biến động sử dụng đất.
2.4.2.3. Tại Thái Lan
Để nghiên cứu ảnh hưởng của các hoạt động con người đến sự thay đổi sử dụng đất và lớp phủ thực vật, các nhà nghiên cứu đã chọn thực nghiệm 5 vùng nghiên cứu trên toàn bộ lãnh thổ phía Bắc (huyện Mae Chaem thành phố Chiang Mai), phía Tây (Kanchanaburi), phía Nam (The Ao Sawi Area), phía Đông (The Eastern Sea Board) phía Đông Bắc (Phusithan, Sakol Nakorn-Nakorn Phanom).
Tư liệu nghiên cứu là ảnh vệ tinh Landsat năm 1990, 1999.Phương pháp nghiên cứu là phương pháp được sử dụng rộng rãi.Đầu tiên tiến hành phân loại độc lập hai ảnh vệ tinh sau đó sử dụng chức năng phân tích không gian của GIS để tính toán biến động và thành lập bản đồ biến động.
2.4.2.4. Tại Belarus
Quá trình đô thị hóa dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng của lớp phủ thực vật và sử dụng đất. Để xác định thay đổi sử dụng đất đô thị và vùng ngoại ô của hai thành phố Polost và Novopolost, người ta đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh SPOT.
Tư liệu viễn thám của khu vực nghiên cứu là ảnh SPOT 3 chụp ngày 24/6/1994 độ phân giải 20m (kênh toàn sắc 10m) và ảnh SPOT 5 chụp ngày 19/6/2002 độ phân giải 10m.Các ảnh được nắn chỉnh hình học về lưới chiếu UTM-84.Các kết quả phân tích thực hiện bằng phần mềm PCI Geomatic.
Nghiên cứu được thực hiện theo hai phương pháp đó là phương pháp phân loại ảnh đa thời gian và phương pháp so sánh sau phân loại.
Ảnh đa thời gian năm 1999 - 2002 được tạo ra trên 3 kênh ảnh XS1, XS2, XS3. Ảnh năm 2002 được tái chia mẫu theo phương pháp người láng giếng gần nhất để có cùng độ phân giải với ảnh năm 1994. Và dùng phép biến đổi histogram để chuyển từ hệ RGB sang hệ HIS. Phương pháp này không cần hiệu chỉnh khí quyển nhưng cần thận trọng trong quá trình lựa chọn vùng biến động và không biến động.
Đối với phương pháp so sánh sau phân loại tác giả đã phân loại bằng nhiều phương pháp khác nhau để chọn ra phương pháp có độ chính xác cao nhất như phân loại không kiểm định, phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại, phương pháp sử dụng trí tuệ nhân tạo.
Kết quả thực nghiệm đạt được như sau:
- Phương pháp thứ nhất: Có ba ảnh khác nhau được tạo ra từ ba kênh ảnh, tuy nhiên bản đồ biến động cuối cùng được tạo ra từ hai kênh XS1 và XS2. Ảnh của kênh XS3 tương tự như kênh XS2.Giá trị của các pixel biến động được thể hiện ở biên của biểu đồ phân bố, giá trị pixel không thay đổi dao động xung quanh giá trị trung bình. Độ chính xác của lớp thay đổi tương đối thấp chỉ đạt 64,3%, độ chính xác vùng không thay đổi đạt 94,8%, độ chính xác toàn bộ 85,8%, hệ số Kappa 0,63.
- Phương pháp thứ hai: Ba phương pháp phân loại được thực hiện trên ảnh 1994 và 2002, độ chính xác toàn bộ từ 75% đến 86,3%. Phương pháp phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại và phương pháp trí tuệ nhân tạo đạt độ chính xác từ 83,1% đến 86,3%. Tuy nhiên, ma trận sai số được tạo ra cho thấy kết quả độ chính xác toàn bộ của bản đồ biến động tương ứng là 71% và 69%, thấp hơn so với phương pháp phân loại trực tiếp từ ảnh đa thời gian.
Sự nhầm lẫn giữa các lớp phân loại như đất nông nghiệp và đất trồng cỏ, đất xây dựng và đất giao thông là nguyên nhân dẫn đến sai sót trong kết quả phân loại, do đó ảnh hưởng đến kết quả biến động (Lâm Ngọc Tú, 2009).
2.4.3. Tích hợp viễn thám và GIS để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất ở Việt Nam ở Việt Nam
Từ thập kỷ 50 của thế kỷ XX (vệ tinh nhân tạo đầu tiên được phóng lên quỹ đạo) đến nay trong không gian đang tồn tại hàng trăm vệ tinh khác nhau của các quốc gia.Khả năng khai thác vệ tinh là vô cùng to lớn, từ mục đích quân sự đến viễn thông, thương mại, phát triển kinh tế. Đặc biệt là những bức ảnh do vệ tinh chụp giúp con người điều tra tài nguyên thiên nhiên, giám sát được sự biến động của thời tiết, thiên nhiên, môi trường…Sự biến động khác thường của tự nhiên trong những năm qua đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển và ứng dụng các công nghệ hiện đại trên thế giới nhằm dự báo sớm nhất những thảm họa có thể xảy ra do sự biến động tiêu cực của thiên nhiên. Việt Nam - đất nước đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng cho nên việc giám sát biến động phức tạp về tài nguyên, môi trường ngày càng vô cùng quan trọng đặc biệt là với sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý. Trước nhu cầu cấp bách của