B. PHẦN NỘI DUNG
1.3.MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ VIỄN THÁM VÀ GIS
1.3.1. Hệ thống thông tin địa lý
1.3.1.1. Khái niệm
Hệ thống thông tin địa lý (HTTĐL)- Geographical information system (GIS) là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, dữ liệu địa lý và con ngƣời điều hành đƣợc thiết kế hoạt động một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lƣu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý. HTTĐL có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trƣờng không gian địa lý. (Viện nghiên cứu môi trƣờng Mỹ - 1994).
Công nghệ GIS: Là một loại hệ thông tin kiểu mới (New Information System) đƣợc xây dựng trên nền tảng công nghệ máy tính và công nghệ bản đồ. Từ các thông tin vị trí địa lý của đối tƣợng (dữ liệu không gian) và thông tin thuộc tính đƣợc lƣu trữ (dữ liệu thuộc tính) ta có thể dễ dàng tạo ra các loại bản đồ và các báo cáo để cung cấp một sự nhìn nhận có hệ thống và tổng thể, nhằm thu nhận và quản lý thông tin vị trí có hiệu quả. Khả năng của một hệ GIS tối thiểu giải quyết đƣợc 5 vấn đề chính sau:
- Vị trí: quản lý và cung cấp vị trí của các đối tƣợng theo yêu cầu bằng các cách khác nhau nhƣ tên địa danh, mã vị trí hoặc toạ độ.
18
- Điều kiện: thông qua phân tích các dữ liệu không gian cung cấp thông tin các sự kiện tồn tại hoặc xảy ra ở một địa điểm nhất định hoặc xác định các đối tƣợng thoả mãn các điều kiện đặt ra.
- Chiều hƣớng: cung cấp hƣớng thay đổi của đối tƣợng thông qua phân tích các dữ liệu trong một vùng lãnh thổ nghiên cứu theo thời gian.
- Kiểu mẫu: cung cấp mức độ sai lệch của các đối tƣợng so với kiểu mẫu và nơi sắp đặt chúng đã có từ các nguồn khác.
- Mô hình hoá: cung cấp và xác định những gì xảy ra nếu có sự thay đổi dữ liệu hay nói cách khác xác định xu thế phát triển của các đối tƣợng. Ngoài thông tin địa lý, hệ thống cần phải có thêm thông tin về các quy luật hoặc nguồn thông tin thống kê.
1.3.1.2. Các thành phần và chức năng
Một hệ thống thông tin địa lý bao gồm 5 hợp phần chính, đó là: Phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con ngƣời và phƣơng pháp. Việc lựa chọn và trang bị phần cứng và phần mềm thƣờng là những bƣớc dễ dàng nhất và nhanh nhất trong quá trình phát triển một hệ GIS. Việc thu thập và tổ chức dữ liệu, phát triển nhân sự và thiết lập các quy định cho vấn đề sử dụng GIS thƣờng khó khăn hơn và tốn nhiều thời gian hơn. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có các chức năng chủ yếu là: Nhập dữ liệu; Quản lý dữ liệu; Phân tích và truy vấn dữ liệu; Xuất dữ liệu.
19
Hình 1.3. Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý
1.3.1.3. Khả năng ứng dụng GIS trong nghiên cứu biến động sử sụng đất
Nhờ những khả năng phân tích và xử lý đa dạng, kỹ thuật GIS hiện nay đƣợc ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, đƣợc xem là “công cụ hỗ trợ quyết định”. Một số lĩnh vực đƣợc ứng dụng hệ thống thông tin địa lý nhƣ: Nghiên cứu quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng; Nghiên cứu điều kiện kinh tế - xã hội; Nghiên cứu hỗ trợ các chƣơng trình quy hoạch phát triển, đặc biệt là nó đƣợc ứng dụng trong nghiên cứu đất đai rất có hiệu quả.
Trong quy hoạch đánh giá phân loại đất, GIS là công cụ trợ giúp nhằm thu thập dữ liệu chuyên đề, xử lý dữ liệu địa lý, tích hợp dữ liệu để xây dựng các bản đồ đơn vị đất, mô phỏng kết quả đánh giá đất thông qua các bản đồ thích nghi cho từng loại hình sử dụng đất. Mỗi đơn vị đất là một khu vực địa lý khác biệt với các tính chất về thổ nhƣỡng, địa hình, thuỷ văn, khí hậu.
Ứng dụng GIS trong quy hoạch và sử dụng đất đai tuỳ thuộc vào quy mô và mức độ khác nhau. Có 4 mức độ phân tích: rất khái quát (Mega), khái quát (Macro), trung bình (Meso) và chi tiết (Micro).Mỗi mức độ phân tích trong hệ thống GIS căn cứ vào quy mô diện tích của vùng nghiên cứu. Khi phân tích thông tin từ mức Mega đến mức Micro, số lƣợng thông tin đƣa vào xử lý sẽ lớn hơn.
Khả năng tổng hợp và phân tích sâu thông tin ở một vùng lãnh thổ nhỏ hoặc ngƣợc lại, khái quát ở mức cao hơn cho vùng rộng lớn là ƣu điểm của GIS. Rõ ràng là bằng
20
ứng dụng GIS, những quy hoạch sử dụng đất đai trên vùng lãnh thổ lớn hay việc xây dựng những dự án phát triển sản xuất nông lâm nghiệp ở các khu vực nhỏ đều có thể đƣợc cung cấp một khối lƣợng thông tin toàn diện - tổng hợp, kịp thời và theo yêu cầu, từ cơ sở dữ liệu đƣợc cung cấp việc hoạch định những bƣớc đi cụ thể cần thiết (nhƣ điều tra bổ sung, thu thập mẫu…) nhanh chóng đƣợc xác định.
Một điều quan trọng về GIS so với bản đồ là GIS có thể thể hiện từng lớp bản đồ của vùng nghiên cứu. Không chỉ ở bề mặt mà còn cho thấy tầng đá gốc, loại đất, thảm thực vật và nhiều vấn đề khác. Nó rất hữu ích khi nghiên cứu vùng đất mới cho sản xuất nông lâm nghiệp, đỡ tốn kém tiền của của nông dân, bởi vì thay vì phải làm thí nghiệm đất tất cả số liệu về cấu trúc đất bên trong đã đƣợc lƣu trữ trong máy tính.
1.3.2. Viễn thám
1.3.2.1. Vài nét cơ bản về công nghệ viễn thám
Công nghệ viễn thám đã đƣợc ra đời từ rất lâu trên thế giới, nhƣng ở Việt Nam mới đƣợc ứng dụng rộng rải trong những năm ngần đây. Viễn thám (remote sensing) đƣợc hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tƣợng thông qua việc phân tích tƣ liệu thu nhận đƣợc bằng các phƣơng tiện. Những phƣơng tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng, khu vực hoặc với hiện tƣợng đƣợc nghiên cứu.
Tổ chức Japan Association of Remote Sensing định nghĩa: “Viễn thám là một khoa học và công nghệ trong đó các đặc điểm của đối tƣợng có thể phát hiện, đo đạc và phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng”
Nguyễn Ngọc Thạch (2006) định nghĩa: “Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tƣợng hoặc một hiện tƣợng mà không có sự tiếp xúc với đối tƣợng hoặc hiện tƣợng đó.
Do các tính chất của vật thể (đất, nhà, cây, nƣớc…) có thể đƣợc xác định thông qua năng lƣợng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tƣợng hoặc các điều kiện môi trƣờng thông qua những đặc trƣng riêng về sự phản xạ và bức xạ.
Mỗi một đối tƣợng thực phủ khác nhau sẽ cho các phản xạ hoặc bức xạ khác nhau trong cùng một kênh phổ.
Cùng một đối tƣợng thực phủ nhƣng ở các bƣớc sóng khác nhau sẽ cho các phản xạ khác nhau.
Nguồn năng lƣợng phản xạ hay bức xạ của các vật thể sau khi đƣợc thu nhận bởi bộ cảm biến và sau đó đƣợc chuyển hóa thành dữ liệu ảnh số.
Sóng điện từ đƣợc phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tƣợng cần phải đo lƣờng và phân tích trong viễn thám.
Thiết bị dùng để cảm nhận điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể đƣợc gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phƣơng
21
tiện mang sensors đƣợc gọi là vật mang (platform). Vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh…
Nguồn năng lƣợng chính thƣờng đƣợc sử dụng trong viễn thám là bức xạ Mặt Trời, năng lƣợng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ đƣợc thu nhận bởi các sensors đặt trên vật mang. Thông tin về đối tƣợng có thể nhận biết đƣợc thông qua xử lý tự động máy tính hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh của đối tƣợng dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin dƣới dạng ảnh số sẽ đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, khí tƣợng, môi trƣờng…
Hình 1.4. Nguyên lý thu nhận dữ liệu được sử dụng trong viễn thám
Nói một cách ngắn gọn, mỗi đối tƣợng sẽ có một giá trị phổ phản xạ duy nhất và khác với các đối tƣợng khác. Các đặc trƣng phổ phản xạ này sẽ đƣợc thể hiện bằng cấp độ xám trên ảnh viễn thám. Viễn thám chính là công nghệ phát hiện và tìm hiểu đối tƣợng thông qua các đặc trƣng phổ phản xạ riêng biệt ấy.
Phƣơng pháp viễn thám chính là phƣơng pháp sử dụng bức xạ điện từ nhƣ một phƣơng tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tƣợng.
1.3.2.2. Phân loại viễn thám
Viễn thám sử dụng các phản xạ, bức xạ điện từ để đo đạc xác định thông tin về đối tƣợng. Sóng điện từ có thể đƣợc coi nhƣ nguồn năng lƣợng chính trong Viễn thám. Viễn thám có thể đƣợc phân làm 3 loại cơ bản sau:
Viễn thám trong giải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ
Nguồn năng lƣợng chính là bức xạ Mặt Trời với bƣớc sóng ƣu thế là 0.5 micromet. Thông tin trên ảnh Viễn thám nhận đƣợc dựa vào sự đo lƣờng năng lƣợng bức xạ từ vật thể và bề mặt Trái Đất. Và ảnh thu đƣợc bởi kỹ thuật này đƣợc gọi là ảnh quang học
22
Nguồn năng lƣợng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể phát ra. Mỗi vật thể ở trong điều kiện bình thƣờng đều tự phát ra một bức xạ và bƣớc sóng ƣu thế ở loại Viễn thám này là 10 micromet. Ảnh thu nhận ở kỹ thuật Viễn thám này gọi là ảnh Viễn thám nhiệt.
Viễn thám siêu cao tầng
Viễn thám siêu cao tầng có hai loại kỹ thuật thu nhận là chủ động và bị động. Viễn thám chủ động vệ tinh cung cấp cho các vật thể một nguồn năng lƣợng riêng, rồi thu lại nguồn năng lƣợng phản xạ lại từ các vật thể. Còn kỹ thuật viễn thám bị động thì thu nhận năng lƣợng bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tƣợng và bƣớc sóng ƣu thế ở kỹ thuật Viễn thám này là trên 1mm.
1.3.2.3. Đặc trưng phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên
Mỗi đối tƣợng tự nhiên có một đặc trƣng phản xạ phổ nhất định và đây chính là cơ sở để hình thành nên các thông tin của viễn thám. Chính vì vậy, nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên có ý nghĩa vô cùng quan trọng, quyết định đến khả năng ứng dụng có hiệu quả phƣơng pháp viễn thám trong nghiên cứu các đối tƣợng. Phần lớn các phƣơng pháp ứng dụng viễn thám đƣợc sử dụng hiện nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng hay nhóm các đối tƣợng nghiên cứu.
Đặc trƣng phổ phản xạ của một số đối tƣợng tƣợng tự nhiên thƣờng xuất hiện trong bản đồ hiện trạng sử dụng đất đƣợc trình bày dƣới đây:
- Đặc trƣng phản xạ phổ của thực vật
Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố (chlorophil), phản xạ rất mạnh ánh sáng có bƣớc sóng từ 450 - 670 nm (tƣơng ứng với dải sóng màu lục - Green), vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn. Kết quả là lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green và Red) hoặc màu đỏ hẳn (hiện tƣợng này khá phổ biến khi mùa đông đến). Ở vùng hồng ngoại phản xạ (từ 0,7 - 1,3 µm) thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng (microwave) một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nƣớc trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngƣợc lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với vùng rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó lại càng tăng lên.
Sự khác nhau về đặc trƣng phản xạ phổ ở thực vật đƣợc xác định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài của cây (sắc tố diệp lục, cấu tạo mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái cây…), thời kì sinh trƣởng (tuổi cây, giai đoạn sinh trƣởng…) và tác động ngoại cảnh (điều kiện sinh trƣởng, điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý…). Tuy nhiên, đặc trƣng phản xạ phổ của lớp thực vật có một quy tắc chung: phản xạ mạnh ở vùng sóng xanh (510 - 575 nm) và hồng ngoại gần (>720 nm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng xanh - tím (390 - 480 nm) và sóng đỏ (680 - 720 nm).
23
Hình 1.5. Cơ chế phản xạ phổ của thực vật
Các đối tƣợng thuộc lớp phủ thực vật đƣợc chia ra một số nhóm chính, để sử dụng trong quá trình khai thác các thông tin viễn thám đa phổ, phục vụ các nghiên cứu về sử dụng đất và lớp phủ đất. Các nhóm đó là:
Nhóm cây nông nghiệp (lúa, hoa màu, rau…) Nhóm cây công nghiệp (cao su, cà phê, chè…) Nhóm cây thân gỗ lá rộng (cao su, muồng đen…) Nhóm cây thân gỗ lá kim (thông)
Nhóm cây nƣớc mặn (chà là, đƣớc, mắm…) Nhóm cây ăn quả (mít, xoài, cam…)
Nhóm cỏ và cây bụi (cỏ tranh, lục long, đuôi voi…) - Đặc trƣng phản xạ phổ của nƣớc
Khả năng phản xạ phổ của nƣớc phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nƣớc và hàm lƣợng các vật chất lơ lửng chứa trong nƣớc. Nƣớc trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (Blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (Red). Khi nƣớc bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hƣởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính chất của nƣớc (độ đục, độ mặn, độ sâu, hàm lƣợng Chlorophil,…) đều ảnh hƣởng đến tính chất phổ của chúng.
24
Hình 1.6. Khả năng hấp phụ và phản xạ của nước
- Đặc trƣng phản xạ phổ của đất
Đƣờng cong phổ phản xạ của đất khô tƣơng đối đơn giản, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng nhƣ ở thực vật.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến đƣờng cong phổ phản xạ của đất là: lƣợng ẩm, cấu trúc của đất (tỷ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại oxit kim loại, hàm lƣợng vật chất hữu cơ,…các yếu tố đó làm cho đƣờng cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đƣờng cong có giá trị trung bình. Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bƣớc sóng dài.
Hình 1.7. Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng
1.3.2.4. Mối quan hệ giữa thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất với phương pháp viễn thám
Phƣơng pháp viễn thám đƣợc ứng dụng rất có hiệu quả cho việc nghiên cứu sử dụng đất và lớp phủ mặt đất vì những lý do sau:
Các ảnh của một vùng rộng lớn có thể thu nhận sự thay đổi một cách rất nhanh chóng.
Các ảnh có độ phân giải thích hợp với việc phân loại các đối tƣợng trong việc quan sát, đo vẽ.
Ảnh viễn thám có thể giải quyết các công việc mà thông thƣờng quan sát trên mặt đất rất khó khăn.
25
Phân tích ảnh để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất nhanh hơn và rẻ hơn rất nhiều so với quan sát thực địa.
Ảnh viễn thám cung cấp các thông tin mà có thể bị bỏ sót trong quan sát thực địa. Các ảnh có thể cung cấp một tập hợp các thông tin (Multidata) để đối chiếu, so sánh các hiện tƣợng có sự thay đổi lớn nhƣ: sử dụng đất, lớp phủ mặt đất nhƣ: rừng, nông nghiệp, thủy văn và sự phát triển đô thị.
Tuy nhiên, một số hạn chế của phân tích ảnh viễn thám là:
Nhiều dạng khác nhau của sử dụng đất có thể không đƣợc phân biệt trên ảnh.
Đối với một vùng nhỏ thì chi phí cho sự nghiên cứu viễn thám trở nên đắt hơn các phƣơng tiện truyền thống, vì vậy sẽ không kinh tế.
Kết quả phân tích viễn thám cần phải đƣợc kiểm tra bằng các thông tin mặt đất tại