4. Phương phỏp thành lập bản đồ HTSDĐ bằng cỏch sử dụng tư liệu viễn thỏm để hiện chỉnh bản đồ HTSDĐ chu kỳ trước
3.4.2. Cỏc phương phỏp nghiờn biến động sử dụng đất
Tiền đề cơ bản để sử dụng dữ liệu viễn thỏm nghiờn cứu biến động là những thay đổi lớp phủ trờn bề mặt đất phải đưa đến sự thay đổi về giỏ 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 gõy ra do cỏc yếu tố khỏc. Những yếu tố khỏc bao gồm sự khỏc biệt về điều kiện khớ quyển, sự khỏc biệt về gúc chiếu tia mặt trời, sự khỏc biệt về độ ẩm của đất. Ảnh hưởng của cỏc yếu tố này cú thể được giảm từng phần bằng cỏch chọn dữ liệu thớch hợp.
Việc lựa chọn phương phỏp nghiờn cứu biến động rất quan trọng. Trước tiờn, chỳng ta phải xỏc định được phương phỏp phõn loại ảnh mà ta sử dụng. Sau đú cần xỏc định rừ yờu cầu nghiờn cứu cú cần biết chớnh xỏc thụng tin về nguồn gốc của sự biến động hay khụng. Từ đú cú sự lựa chọn phương phỏp thớch hợp. Tuy nhiờn tất cả cỏc nghiờn cứu đều cho thấy rằng, cỏc kết quả về biến động đều phải được thể hiện trờn bản đồ biến động và bảng tổng hợp. Cỏc phương phỏp nghiờn cứu biến động khỏc nhau sẽ cho những bản đồ biến động khỏc nhau. Cú nhiều phương phỏp nghiờn cứu biến động thường được sử dụng. Dưới đõy là một số phương phỏp được sử dụng rộng rói để nghiờn cứu biến động và thành lập bản đồ biến động.
105
3.4.2.1 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp so sỏnh sau phõn loại
Bản chất của phương phỏp này là từ kết quả phõn loại ảnh ở hai thời điểm khỏc nhau ta thành lập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất tại hai thời điểm đú. Sau đú chồng ghộp hai bản đồ hiện trạng để xõy dựng bản đồ biến động. Cỏc bản đồ hiện trạng cú thể thực hiện dưới dạng bản Quy trỡnh thành lập bản đồ biến động đất nụng nghiệp theo phương phỏp này cú thể túm tắt như hỡnh 5.2
Phương phỏp so sỏnh sau phõn loại được sử dụng rộng rói nhất, đơn giản, dễ hiểu và dễ thực hiện. Sau khi 2 ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hỡnh học sẽ tiến hành phõn loại độc lập để tạo thành hai bản đồ. Hai bản đồ này được so sỏnh bằng cỏch so sỏnh pixel tạo thành ma trận biến động.
Theo J. Jensen, ưu điểm của phương phỏp này cho biết sự thay đổi từ loại đất gỡ sang loại đất gỡ và chỳng ta cũng cú thể sử dụng bản đồ hiện trạng sử dụng đất đó được thành lập trước đú.
Nhược điểm của phương phỏp này là phải phõn loại độc lập cỏc ảnh viễn thỏm nờn độ chớnh xỏc phụ thuộc vào độ chớnh xỏc của từng phộp phõn loại và thường độ chớnh xỏc khụng cao vỡ cỏc sai sút trong quỏ trỡnh phõn loại của từng ảnh vẫn được giữ nguyờn trong bản đồ biến động.
Ảnh 1 Ảnh 2 Phõn loại Phõn loại Bản đồ hiện trạng 1 Bản đồ hiện trạng 2 Bản đồ biến động
106
3.4.2.2 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp phõn loại trực tiếp ảnh đa thời gian.
Phương phỏp này thực chất là chồng xếp hai ảnh của hai thời kỳ với nhau để tạo thành ảnh biến động. Sau đú dựa vào ảnh biến động ta tiến hành phõn loại và thành lập bản đồ biến động (hỡnh 5.3).
Ưu điểm của phương phỏp này là chỉ phải phõn loại một lần nhưng nhược điểm lớn nhất của nú là rất phức tạp khi lấy mẫu vỡ phải lấy tất cả cỏc mẫu biến động và khụng biến động. Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (cỏc mựa trong năm) và ảnh hưởng của khớ quyển của cỏc ảnh ở cỏc thời điểm khỏc nhau cũng khụng dễ được loại trừ, do đú ảnh hưởng đến độ chớnh xỏc của phương phỏp.Thờm vào đú bản đồ biến động sử dụng đất nụng nghiệp được thành lập theo phương phỏp này chỉ cho ta biết được chỗ biến động và chỗ khụng biến động chứ khụng cho biết được biến động như thế nào.
3.4.2.3 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp phõn tớch vộc tơ thay đổi phổ.
Khi ở trong khu vực nghiờn cứu cú biến động xảy ra thỡ nú được thể hiện bằng sự khỏc biệt về phổ ở giữa hai thời điểm trước và sau biến động. Giả sử xỏc định được giỏ trị phổ trờn hai kờnh x và y tại hai thời điểm trước và sau biến động như trờn biểu đồ hỡnh 5.4
Kờnh 2 Kờnh 3 Phõn loại Bản đồ biến động Ảnh thời điểm 1 Ảnh thời điểm 2 Kờnh 2 Kờnh 3 Ảnh biến động
107
Hỡnh 3.34. Vộc tơ thay đổi phổ
Điểm 1 biểu thị giỏ trị phổ tại thời điểm trước khi xảy ra biến động, điểm 2 biểu thị giỏ trị phổ tại thời điểm sau khi xảy ra biến động. Khi đú vộc tơ
12 chớnh là vộc tơ thay đổi phổ, và được biểu thị bởi giỏ trị (khoảng cỏch từ 1 đến 2) và hướng thay đổi (gúc ).
Giỏ trị của vộc tơ thay đổi phổ tớnh trờn toàn cảnh theo cụng thức:
CMpixel = 2 1 , , , , (1) (2) n k k j i k j i BV BV
Trong đú: - CMpixel là giỏ trị của vộc tơ thay đổi phổ,
- BVi,j,k(1), BVi,j,k(2) là giỏ trị phổ của pixel ij, kờnh k của ảnh trước và sau khi xảy ra biến động.
Hỡnh3.35. Thuật toỏn phõn tớch vec tor thay đổi phổ
Kờnh y Kờnh x 1 2 Kờnh x Thời điểm2 Kờnh y Kờnh x Thời điểm1 Thời điểm2 Ngưỡng Khụng thay đổi hoặc thay đổi nhỏ a. Kờnh y Kờnh x Thời điểm1 Thời điểm2 Thay đổi b. Kờnh y Thời điểm1 Thay đổi c.
108
Việc phõn tớch vộc tơ thay đổi được ghi lại thành hai tệp dữ liệu: một tệp chứa cỏc mó của khu vực, một tệp chứa độ lớn của cỏc vộc tơ thay đổi phổ. Thụng tin về sự thay đổi được tạo ra từ hai tệp dữ liệu đú và được thể hiện bằng màu sắc của cỏc pixel tương ứng với cỏc mó quy định. Trờn ảnh đa phổ thay đổi này sẽ kết hợp cả hướng và giỏ trị của vộc tơ thay đổi phổ. Sự thay đổi cú xảy ra hay khụng được quyết định bởi vộc tơ thay đổi phổ cú vượt ra khỏi ngưỡng quy định hay khụng. Giỏ trị ngưỡng được xỏc định từ kết quả thực nghiệm dựa vào cỏc mẫu biến động và khụng biến động
Trờn hỡnh 5.36 thể hiện thuật toỏn phõn tớch thay đổi phổ.Trường hợp a, khụng xảy ra biến động hoặc biến động nhỏ vỡ vộc tơ thay đổi phổ khụng vượt khỏi giỏ trị ngưỡng, trường hợp b, c cú xảy ra biến động và hướng của vộc tơ thay đổi phổ thể hiện tớnh chất của biến động trong trường hợp b khỏc trường hợp c, vớ dụ ở trường hợp b cú thể xảy ra sự biến mất của thực vật, cũn trong trường hợp c chỉ là sự khỏc biệt giai đoạn tăng trưởng của cõy trồng.
Sau đú lớp thụng tin thể hiện sự thay đổi hay khụng thay đổi sẽ được đặt lờn trờn tấm ảnh để thành lập bản đồ biến động.
Phương phỏp phõn tớch vộc tơ thay đổi phổ được ứng dụng hiệu quả trong nghiờn cứu biến động rừng nhất là biến động hệ sinh thỏi rừng ngập mặn nhưng nhược điểm của phương phỏp này là khú xỏc định ngưỡng của sự biến động.
3.4.2.4 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp số học.
Đõy là phương phỏp đơn giản để xỏc định mức độ biến động giữa hai thời điểm bằng cỏch sử dụng tỉ số giữa cỏc ảnh trờn cựng một kờnh hoặc sự khỏc nhau trờn cựng một kờnh của cỏc thời điểm chụp ảnh.
Trước tiờn cỏc ảnh được nắn về cựng một hệ tọa độ. Sau đú dựng cỏc biến đổi số học để tạo ra cỏc ảnh thay đổi. Phộp trừ và phộp chia số học được sử dụng trong trường hợp này.
Nếu ảnh thay đổi là kết quả của phộp trừ số học thỡ khi đú giỏ trị độ xỏm của cỏc pixel trờn ảnh thay đổi là một dóy số õm và dương. Cỏc kết quả õm và
109
dương biểu thị mức độ biến đổi của cỏc vựng, cũn giỏ trị 0 thể hiện sự khụng thay đổi. Với giỏ trị độ xỏm từ 0 đến 255 thỡ giỏ trị pixel thay đổi trong khoảng từ -255 đến +255. Thụng thường để trỏnh kết quả mang giỏ trị õm người ta cộng thờm một hằng số khụng đổi.
Cụng thức toỏn học để biểu diễn là:
Dijk = BVijk (1) - BVijk (2) + c Trong đú:
Dijk: giỏ trị độ xỏm của pixel thay đổi
BVijk (1): giỏ trị độ xỏm của ảnh thời điểm 1 BVijk (2): giỏ trị độ xỏm của ảnh thời điểm 2 c: là hằng số (c = 127)
i: chỉ số dũng; j: chỉ số cột
k: Kờnh ảnh (vớ dụ kờnh 4 trờn ảnh Landsat TM)
Ảnh thay đổi được tạo ra bằng cỏch tổ hợp giỏ trị độ xỏm theo luật phõn bố chuẩn Gauss. Vị trớ nào cú pixel khụng thay đổi, độ xỏm biểu diễn xung quanh giỏ trị trung bỡnh, vị trớ cú pixel thay đổi được biểu diễn ở phần biờn của đường phõn bố.
Cũng tương tự như vậy, nếu ảnh thay đổi được tạo ra từ phộp chia số học thỡ giỏ trị của cỏc pixel trờn ảnh là một tỷ số chứng tỏ ở đú cú sự thay đổi, nếu bằng 1 thỡ khụng cú sự thay đổi.
Giỏ trị giới hạn trờn ảnh thay đổi (tạo ra bởi phộp trừ số học) và ảnh tỷ số kờnh sẽ quyết định ngưỡng giữa ranh giới sự thay đổi - khụng thay đổi, và được biểu thị bằng biểu đồ độ xỏm của ảnh thay đổi.
Thụng thường độ lệch chuẩn sẽ được lựa chọn và kiểm tra theo kinh nghiệm, nhưng ngược lại, người ta thường sử dụng phương phỏp thử nghiệm nhiều hơn phương phỏp kinh nghiệm. Giỏ trị ngưỡng của sự thay đổi sẽ được xỏc định khi bắt gặp giỏ trị thay đổi trờn thực tế.
110
Vỡ vậy để xỏc định được ta cần phải hiểu rừ về khu vực nghiờn cứu, thậm chớ phải lựa chọn một số vựng biến động và ghi lại để hiển thị trờn vựng nghiờn cứu mà người lựa chọn biết rừ. Tuy nhiờn kỹ thuật này cú thể kết hợp với cỏc kỹ thuật khỏc để nghiờn cứu biến động và thành lập bản đồ biến động.
3.4.2.5 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp sử dụng mạng nhị phõn
Đõy là một phương phỏp xỏc định biến động rất hiệu quả. Đầu tiờn tiến hành lựa chọn để phõn tớch ảnh thứ nhất tại thời điểm n. Ảnh thứ 2 cú thể sớm hơn ảnh thứ nhất (n-1) hoặc muộn hơn (n+1). Cỏc ảnh đều được nắn chỉnh về cựng một hệ tọa độ.
Tiến hành phõn loại ảnh thứ nhất theo phương phỏp phõn loại thụng thường. Tiếp theo lần lượt chọn 1 trong cỏc kờnh (vớ dụ kờnh 3) từ hai ảnh để tạo ra cỏc tệp dữ liệu mới. Cỏc tệp dữ liệu này sẽ được phõn tớch bằng cỏc phộp biến đổi số học (như tỷ số kờnh, cỏc phộp cộng , trừ, nhõn, chia để tạo sự khỏc nhau của ảnh hoặc phương phỏp phõn tớch thành phần chớnh) để tớnh toỏn cỏc chỉ số và tạo ra một ảnh mới.
Sau đú sử dụng kỹ thuật phõn ngưỡng để xỏc định cỏc vựng thay đổi và khụng thay đổi trờn ảnh mới này theo phương phỏp số học đó trỡnh bày ở trờn. Ảnh thay đổi sẽ được ghi lại trờn một tệp "mạng nhị phõn" chỉ cú hai giỏ trị "thay đổi" và "khụng thay đổi". Sau đú mạng nhị phõn này được chồng phủ lờn ảnh thứ hai để phõn tớch và chỉ ra cỏc pixel thay đổi. Khi đú chỉ cú cỏc pixel được xỏc định là cú sự thay đổi được phõn loại trờn ảnh thứ hai này. Sau đú, phương phỏp so sỏnh sau phõn loại truyền thống được ứng dụng để tỡm ra thụng tin về biến động. Sơ đồ của phương phỏp thể hiện trong hỡnh 5.6
Ưu điểm của phương phỏp này là giảm được sai số xỏc định biến động do bỏ sút hoặc nhầm lẫn và cung cấp cụ thể thụng tin về sự biến động từ loại gỡ sang loại gỡ. Phương phỏp này cú thể phõn tớch được số lượng nhỏ cỏc vựng thay đổi giữa hai thời điểm. Ở hầu hết cỏc vựng nghiờn cứu, trong giai đoạn từ 1-5 năm thỡ diện tớch biến động thường khụng lớn quỏ 10% diện tớch toàn bộ vựng nghiờn cứu, vỡ vậy phương phỏp này khỏ thớch hợp để thành lập bản đồ
111
những vựng cú biến động nhỏ, nhưng bất lợi lớn nhất của phương phỏp này là rất phức tạp, đũi hỏi một số bước thực hiện và kết quả cuối cựng phụ thuộc vào vào chất lượng của mạng nhị phõn đó được sử dụng để phõn tớch. Tuy nhiờn để nghiờn cứu biến động và thành lập bản đồ biến động thỡ đõy là một phương phỏp rất hữu dụng phỏp rất hữu dụng.
3.4.2.6 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp chồng xếp ảnh phõn loại lờn bản đồ đó cú
Trong một số trường hợp mà khu vực nghiờn cứu đó cú bản đồ hiện trạng được thành lập hoặc đó cú bản đồ được số húa thỡ thay vỡ sử dụng ảnh viễn thỏm ở thời điểm 1 chỳng ta sử dụng cỏc nguồn dữ liệu đó sẵn cú. Tiến hành phõn loại ảnh ở thời điểm thứ hai, sau đú tiến hành so sỏnh cỏc pixel tương tự như phương phỏp so sỏnh sau phõn loại để tỡm ra biến động và thụng tin biến động.
Ưu điểm của phương phỏp này là sử dụng được nguồn dữ liệu đó biết, giảm được nguồn sai số do bỏ sút hay tổng quỏt và biết được thụng tin chi tiết về sự biến động. Hơn nữa chỉ cần phõn loại độc lập ảnh ở thời điểm 2.
Tuy nhiờn phương phỏp này cũng cú nhược điểm là dữ liệu số húa cú thể khụng đủ độ chớnh xỏc hoặc dữ liệu bản đồ khụng tương thớch với hệ thống phõn loại
112
3.4.2.7 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp cộng màu trờn một kờnh ảnh
Trong phương phỏp này ta chọn một kờnh ảnh nhất định (vớ dụ kờnh 1) sau đú ghi từng ảnh ở cỏc thời điểm lờn một băng từ đặc biệt của hệ thống xử lý ảnh số. Khi đú màu sắc của dữ liệu ảnh chồng xếp sẽ cho thấy sự biến động hay khụng biến động theo nguyờn lý tổ hợp màu.
Vớ dụ cú hai ảnh Landsat TM năm 1992 và năm 1998. Gỏn màu lục cho kờnh 1 của ảnh năm 1992, gỏn màu đỏ cho kờnh 1 của ảnh năm 1998, gỏn màu chàm cho một kờnh 1 của ảnh trống. Khi đú tất cả cỏc vựng khụng cú sự thay đổi giữa hai thời điểm sẽ cú màu vàng (theo nguyờn lý cộng màu, tổ hợp màu chàm
Hỡnh 3.6. Nghiờn cứu biến đụng mạng nhị phõn
Ảnh 2 sau phõn loại Ảnh 1 sau phõn loại Ảnh 1 Kờnh 2 Kờnh 3 Kờnh 3 - Ảnh 1 Kờnh 3 - Ảnh 2 Phộp biến
đổi số học Phỏt hiện pixel thay đổi tạo ra mạng nhị phõn Ảnh 2 Ảnh 1 sau phõn loại Bản đồ biến động Kờnh 2 Kờnh 3
113
và màu đỏ tạo thành màu vàng). Như vậy căn cứ vào màu sắc ta cú thể định lượng được sự thay đổi.
Ưu điểm của phương phỏp này cú thể xỏc định được biến động của hai thậm chớ ba thời điểm ở cựng một lần xử lý ảnh (hỡnh 5.7).
Tuy nhiờn kỹ thuật xử lý ảnh theo phương phỏp này khụng cung cấp được số liệu cụ thể về diện tớch biến động từ loại đất này sang loại đất khỏc. Tuy vậy,đõy là phương phỏp tối ưu để nghiờn cứu biến động trờn phạm vi rộng lớn như vựng hoặc lónh thổ.
3.4.2.8 Nghiờn cứu biến động bằng phương phỏp kết hợp
Thực chất việc thành lập bản đồ biến động bằng phương phỏp này là vộc tơ húa những vựng biến động từ tư liệu ảnh cú độ phõn giải cao như ảnh SPOT Pan hoặc ảnh hàng khụng.
Nếu dữ liệu ảnh tại một thời điểm cú độ phõn giải thấp hơn ta tiến hành phõn loại ảnh đú theo phương phỏp phõn loại khụng kiểm định. Từ ảnh phõn loại khụng kiểm định tạo ra được bản đồ hiện trạng tại thời điểm đú. Tiếp theo chồng xếp bản đồ lờn trờn ảnh cú độ phõn giải cao để phỏt hiện biến động. Sau đú tiến hành vộc tơ húa những vựng biến động. Việc khoanh vẽ những vựng xảy ra biến động trờn ảnh được thực hiện dễ dàng nhờ phương phỏp giải đoỏn bằng mắt dựa
Ảnh màu đỏ Ảnh màu lục Ảnh màu chàm Ảnh 1 Ảnh 2