2.3.1. Định nghĩa về GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tập công cụ để thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện mục đích cụ thể. Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua:
- Vị trí địa lý của đối tượng thông qua một hệ toạ độ. - Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí. - Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topo). Một số định nghĩa về GIS:
- Hệ thống thông tin Địa lý là một hệ thống bao gồm các phần mềm, phần cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các
- Hệ thống thông tin địa lý là một tập hợp những nguyên lý, phương pháp, công cụ và dữ liệu không gian được sử dụng để quản lý, duy trì, chuyển đổi, phân tích, mô hình hoá, mô phỏng, làm bản đồ những hiện tượng và quá trình phân bố trong không gian địa lý...
Hình 2.5. Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau
Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược).
GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý.
2.3.2. Các thành phần chính của GIS
Một hệ thống thông tin địa lý được kết hợp bới 5 thành phần chính là: - Phần cứng:
Phần cứng của một hệ GIS gồm máy vi tính, cấu hình và mạng công việc của máy tính, các thiết bị ngoại vi nhập xuất dữ liệu và lưu trữ dữ liệu. Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng.
- Phần mềm:
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý; Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS); Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý; Giao diện đồ hoạ người-máy để truy cập các công cụ dễ dàng.
Hình 2.6. Các thành phần chính của GIS
- Dữ liệu:
Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu. Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu trữ và quản lý dữ liệu.
- Con người:
Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng của GIS trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc.
- Phương pháp:
Mỗi dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và người sử dụng hệ thống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý và công nghệ GIS.
2.3.3. Ứng dụng của GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường
Ngày nay, GIS là một công cụ trợ giúp quyết định sự thành công trong nhiều hoạt động kinh tế-xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có khả năng đánh giá hiện trạng của quá trình, các thực thể của tự nhiên, kinh tế-xã hội thông qua chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào. Do đó, việc ứng dụng hệ thống thông tin địa lý là rất cần thiết, phù hợp với xu thế tin học hóa xã hội và yêu cầu phát triển kinh tế-xã hội của tất cả các quốc gia.
Nhờ những khả năng phân tích và xử lý đa dạng, kỹ thuật GIS hiện nay được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, được xem là công cụ hỗ trợ quyết định đặc biệt là trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. GIS được ứng dụng để quản lý các tài nguyên như: Tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên rừng, tài nguyên sinh vật, tài nguyên kháng sản… (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
2.4. KHÁI QUÁT VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM ĐỂ LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT NGHỆ VIỄN THÁM ĐỂ LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT 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