2.3.1. Khái niệm chung về GIS
Hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information Systems) là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, tư liệu địa lý và người điều hành được thiết kế hoạt dộng một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lữu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý.
Một định nghĩa khác có tính chất giải thích, hỗ trợ là: Hệ thống thông tin địa lỹ là một hệ thống máy tính có chức năng lưu trữ và liên hết các dữ liệu địa lý với các đặc tính cả bản đồ dạng đồ họa, từ đó cho một khả năng rộng lớn về việc xử lý thông tin, hiển thị thông tin và cho ra các sản phẩn bản đồ, các kết quả xử lý cùng các mô hình.
Tùy theo chức năng, nhiệm vụ của mỗi hệ thống thông tin địa lý mà có nhiều định nghĩa khác nhau, tuy nhiên chúng đều dựa trên 3 yếu tố quan trọng là dữ liệu đầu vào, hệ thống vi tính số kỹ thuật cao và khả năng phân tích số liệu không gian.
- Định nghĩa theo chức năng: GIS là một hệ thống bao gồm 4 hệ con (dữ liệu đầu vào, quản trị dữ liệu và dữ liệu đầu ra).
- GIS được xem là tập hợp của các thuật toán từ đơn giản đến phức tạp của các phương pháp tính đại số, hình học từ đơn giản đến phức tạp.
- Về công nghệ: GIS là công nghệ thông tin để lưu giữ, phân tích và trình bày các thông tin không gian và phi không gian, Công nghệ GIS có thể coi là một tập hợp hàn chỉnh các phương pháp và các phương tiện nhằm sử dụng và lưu giữ các đối tượng.
GIS là một hệ thống thông tin được sử dụng để nhập, lưu trữ, truy vấn, thao tác và phân tích và xuất ra các dữ liệu có tham chiếu địa lý hoặc dữ liệu đại không gian; hỗ trợ và ra quyết định trọng việc quy hoạch và quản lý về sử dụng đất, tài nguyên thiên nhiên, môi trường, giao thông, các tiện ích đô thị và nhiều lĩnh vực khác nhau (Trần Thị Băng Tâm, 2007).
2.3.2. Các bộ phận cấu thành hệ thống thông tin địa lý
Hệ thống GIS bao gồm năm thành tố chính: con người, phương pháp, công cụ phần cứng, phần mềm và dữ liệu.
* Con người
Con người ở đây là các chuyên viên tin học, chuyên gia GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng dụng GIS bao gồm:
•Người sử dụng hệ thống: là những người sử dụng GIS để giải quyết các vấn đề không gian. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ, kiểm tra lỗi, soạn
liệu địa lý. Những người này phải thường xuyên được đào tạo lại do GIS thay đổi liên tục và yêu cầu mới của kỹ thuật phân tích.
•Thao tác viên hệ thống: có trách nhiệm vận hành hệ thống hàng ngày để người sử dụng hệ thống làm việc hiệu quả. Công việc của họ là sửa chữa khi chương trình bị tắc nghẽn hay là công việc trợ giúp nhân viên thực hiện các phân tích có độ phức tạp cao. Họ còn làm việc như quản trị hệ thống, quản trị CSDL, an toàn, toàn vẹn CSDL tránh hư hỏng, mất mát dữ liệu.
•Nhà cung cấp GIS: cung cấp các phần mềm, cập nhật phần mềm, phương pháp nâng cấp cho hệ thống.
•Nhà cung cấp dữ liệu: là các cơ quan nhà nước hay tư nhân cung cấp các dữ liệu sửa đổi từ nhà nước.
•Người phát triển ứng dụng: là những lập trình viên, họ xây dựng giao diện người dùng, giảm khó khăn các thao tác cụ thể trên hệ thống GIS...
•Chuyên viên phân tích hệ thống GIS: là nhóm người chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống, được đào tạo chuyên nghiệp có trách nhiệm xác định các mục tiêu của hệ GIS trong cơ quan, hiệu chỉnh hệ thống, đề xuất kỹ thuật phân tích đúng đắn...
* Dữ liệu GIS
Đây là thành phần quan trọng nhất của một hệ thống thông tin địa lý.Gồm các dữ liệu không gian và thuộc tính. Hệ GIS kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức và quản lý, lưu trữ dữ liệu.
- Dữ liệu không gian: là các dữ liệu thu được từ ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, đường đồng mức, địa bạ về quyền sử dụng đất,…
- Dữ liệu thuộc tính: là các thông tin đi kèm với các dự liệu không gian của các đối tượng trên bản đồ hay trên ảnh. Đây là các dữ liệu ở dạng văn bản hoặc các số liệu thống kê thu được trong công tác điều tra dã ngoại, hoặc là các số liệu phân tích trong phòng thí nghiệm,…. Được lưu trữ dưới dạng các tập tin dạng chữ hoặc dạng số có thể nhập trực tiếp hoặc gián tiếp vào hệ thống GIS.
Dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính cần đảm bảo tính liên kết, thống nhất, có khả năng trao đổi dữ liệu với các hệ thống thông tin khác và có thể xuất
* Phần mềm
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Phần mềm trong hệ thống thông tin địa lý có các chức năng cơ bản sau:
- Nhập dữ liệu;
- Lưu trữ dữ liệu và quản lý dữ liệu - Chuyển đổi dữ liệu;
- Hiển thị dữ liệu và báo cáo kết quả; - Giao diện với người dùng.
* Phần cứng
Phần cứng của một hệ thống thông tin địa lý bao gồm các hợp phần sau: Bộ xử lý xử trung tâm (CPU),thiết bị nhập dữ liệu, lưu dữ liệu và thiết bị xuất dữ liệu.
- Bộ xử lý trung tâm CPU (central processing unit) gồm các yếu tố quan trọng nhất là: hệ thống điều khiển, bộ nhớ và tốc độ xử lý. Máy tính là nới thể hiện yếu tố này.
- Thiết bị nhập và lưu dữ liệu: gồm các thiết bị như bàn số hóa, máy quét dể chuyển các dạng dữ liệu sang dạng số. Thiết bị CD ROOM để lấy thông tin có trong băng đĩa: ổ đọc băng, ổ đĩa cứng…
- Thiết bị xuất dữ liệu: gồm máy in, máy chiếu, các báo cáo kết quả phân tích…
Hiện nay với sự phát triển của công nghệ thông tin, đặc biệt là sự ra đời của thiết bị mạng cho phép trao đổi thông tin giữa những người sử dụng, tạo điều kiện cho hệ thống thông tin địa lý ngày càng phát triền.
* Các biện pháp tổ chức
GIS phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau nên tùy mỗi chức năng mà thiết kế sao cho phù hợp. Đó không chỉ là những thông số kỹ thuật, khả năng sử dụng hiệu quả của con người, mà là sự kết hợp hài hòa các yếu tố trên và có sự phù hợp với các chính sách của nhà nước, khả năng ứng dụng vào thực tế cao. (Nguyễn Khắc Thời và cs., 2012).
2.4. KẾT HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG 2.4.1. Khái niệm chung về biến động 2.4.1. Khái niệm chung về biến động
Cụm từ “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.
Bản đồ biến động sử dụng đất ngoài các yếu tố nội dung cơ bản của các bẩn đồ chuyên đề như: bản đồ địa hình, địa vật, giao thông, thủy văn… phải thể hiện được sự biến động về sử dụng đất theo thời gian.
Các thông tin về tình hình sử dụng đất, biến động sử dụng đất kết hợp với các thông tin có liên quan là yếu tố quan trọng phục vụ công tác quy hoạch, kế hoạch và quản lý đất đai để đảm bảo sử dụng đất bền vững, hiệu quả, thân thiện môi trường và quan trọng nhất là đảm bảo an ninh lương thực.
Các số liệu điều tra về tình hình biến động sử dụng đất có thể đã được phân tích và thống kê tổng hợp dưới dạng bảng biểu nhưng chưa phân tích hay trình bày số liệu này dưới dạng không gian địa lý hoặc làm chúng dễ tiếp cận hơn đối với các nhà nghiên cứu hoặc các nhà hoạch định chính sách. Tiềm năng của hệ thống thông tin địa lý hiện đại trong việc phân tích dữ liệu không gian để thành lập bản đồ vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi. Việc thể hiện sự biến động của số liệu theo không gian địa lý làm tăng giá trị của số liệu lên rất nhiều đặc biệt đối với nước ta, một nước có lãnh thổ trải dài trên 3000km, hai vùng đồng bằng châu thổ rộng lớn tương phản với các vùng miền núi bao la. Sự đa dạng về đặc điểm kinh tế xã hội và việc sử dụng đất được đánh giá rõ hơn ở dưới dạng bản đồ.
Ưu điểm của bản đồ biến động sử dụng đất là thể hiện được rõ sự biến động theo không gian và theo thời gian. Diện tích biến động được thể hiện rõ ràng trên bản đồ, đồng thời cho chúng ta biết có biến động hay không biến động, hay biến động từ loại đất nào sang loại đất nào. Nó có thể được kết hợp với nhiều nguồn dữ liệu tham chiếu khác để phục vụ có hiệu quả cho rất nhiều mục đích khác nhau như quản lý tài nguyên, môi trường, thống kê, kiểm kê đất đai.
Về cơ bản, bản đồ biến động sử dụng đất được thành lập trên cơ sở hai bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm nghiên cứu vì vậy độ chính xác của bản đồ này phụ thuộc vào độ chính xác của các bản đồ hiện trạng sử dụng đất
2.4.2. Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS
Có thể biểu hiện nghiên cứu biến động bằng GIS như sau: cùng một đối tượng trên mặt đất được phản ánh trên hai lớp thông tin khác nhau sẽ cho cùng một giá trị như nhau, tất nhiên có sự giới hạn về chu vi và diện tích có thể biến đổi (bằng nhau, lớn hơn, nhỏ hơn), nếu ta chồng xếp hai thông tin đó thì phần diện tích trùng nhau của đối tượng sẽ được gán giá trị cũ, còn giá trị khác sẽ là giá trị của các lớp thông tin biến động, tùy theo phép toán sử dụng trên lớp thông tin về chúng kết quả sẽ thể hiện sự tăng hoặc giảm về mặt diện tích của đối tượng trên thực tế.
T1, T2: thời gian
A, C: là đơn vị không biến động B: là đơn vị biến động
Hình 2.5. Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS
Một trong các phương pháp nghiên cứu biến động là thiết lập ma trân biến động (ma trận hai chiều). Trong các phần mềm xử lý chuyên dụng (ILLWIS, IDRISI), ma trận được thực hiện trong chức năng CROSSING. Nguyên tắc của CROSSING là tạo bản đồ mới thể hiện sự biến động về số lượng giữa các đối tượng, sự biến động có thể được thể hiện bằng một bảng thống kê hai chiều một cách rõ ràng.
Giả sử có hai bản đồ A và B, thể hiện hiện trạng sử dụng đất của cùng một khu vực nhưng ở hai thời điểm khác nhau, khi đó ma trận biến động được thành lập sẽ có dạng như sau: T1 T2 A C C A B C C
Bảng 2.8. Ma trận biến động B A 1 2 3 4 5 1 1 12 13 14 15 2 21 2 23 24 25 3 31 32 3 34 35 4 41 42 43 4 45 5 51 52 53 54 5 Ghi chú: T1: bản đồ thời điểm A T2: bản đồ thời điểm B
1, 2, 3, 4... : các đơn vị thuộc thời điểm gốc A, B 12, 13, 14...: các đơn vị biến động
Các đơn vị của ma trận là các đơn vị không biến động, các đơn vị biến động khác nằm ngoài đường chéo nói nên tính chất của sự biến động, ví dụ: đơn vị biến động 12, 13, 34, 45...
Như vậy, với n đối tượng trên bản đồ thành phần sẽ có n2 đối tượng trên bản đồ biến động. Kết quả thu được là bản đồ được thể hiện đầy đủ số lượng pixel của các loại hình biến động và diện tích của từng đối tượng biến động (đơn vị tính diện tích m2 hoặc ha). Thông thường bản đồ CROSSING được xử lý rất nhanh dưới dạng raster bằng các phần mềm chuyên dụng với độ chính xác đạt tới 80% - 90%. Để tăng độ chính xác có thể kết hợp xử lý thông tin dưới dạng vector.
2.4.3. Các phương pháp thành lập bản đồ biến động sử dụng đất và biến động sử dụng đất. động sử dụng đất.
Phát hiện biến động sử dụng đất là việc làm cần thiết trong việc hiện chỉnh bản đồ sử dụng đất và trợ giúp cho việc theo dõi, quản lý tài nguyên thiên nhiên.
Sự biến động thông thường được phát hiện trên cơ sở so sánh tư liệu viễn thám đa thời gian hoặc giữa bản đồ cũ và bản đồ mới được hiện chỉnh theo tư liệu viễn thám.
Tiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thám nghiên cứu biến động là những thay đổi sử dụng đất phải đưa đến sự thay đổi về giá trị bức xạ và những sự thay đổi về bức xạ do sự thay đổi sử dụng đất 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
Lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất là một trong những ứng dụng quan trọng nhất và tiêu biểu nhất của viễn thám. Sử dụng đất bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt trái đất (ví dụ: đất có rừng, trảng cỏ, xa mạc...).
Trong việc hiệu chỉnh bản đồ sử dụng đất, theo dõi quản lý tài nguyên thiên nhiên việc phát hiện các biến động của sử dụng đất là rất cần thiết và quan trọng. Sự biến động thông thường được phát hiện trên cơ sở so sánh tư liệu viễn thám đa thời gian hoặc giữa bản đồ cũ và bản đồ mới được hiệu chỉnh theo tư liệu viễn thám.
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 nhiều phương pháp nghiên cứu biến động thường được sử dụng. Dưới đây là một số phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động:
a. Thành lập bản đồ biến động bằng 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. Các bản đồ hiện trạng có thể thực hiện dưới dạng bản đồ raster.
Quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất theo phương pháp này có thể tóm tắt như hình 2.6.
Hình 2.6. Ảnh lập bản đồ biến động bằng phương pháp so sánh 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.
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