CHƢƠNG 2 QUAN ĐIỂM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Chiết xuất thông tin sử dụng đất từ ảnh vệ tinh
2.3.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh
Trong luận văn, học viên đã sử dụng các ảnh Landsat ETM, 8 là các ảnh đƣợc thu trong dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại. Mặc dù vệ tinh Landsat 7 ETM+ sau 4 năm đƣa lên quỹ đạo đã bị lỗi sọc do gặp trục trặc về kỹ thuật SLC - Off (15/4/2003), làm giảm khả năng thu nhận thông tin quan sát trái đất khoảng 30%. Tuy nhiên, sau khi khảo sát, khu vực quận Đồ Sơn nằm trong diện tích khơng bị ảnh hƣởng bởi sọc, học viên đã thu thập dữ liệu này sử dụng trong luận văn để chiết tách thông tin sử dụng đất năm 2008. Quận Đồ Sơn nằm trong cảnh ảnh 126-046, dữ liệu ảnh sử dụng nhƣ trình bày ở Bảng 2.1.
Bảng 2. 1. Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat sử dụng trong nghiên cứu
Tên kênh ảnh Bƣớc sóng (µm) Độ phân giải không gian (m)
Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat ETM, cảnh 126046 chụp ngày 16/09/2008
Kênh 1-Blue 0,450 - 0,515 30 Kênh 2-Green 0,525 -0,605 30 Kênh 3-Red 0,63-0,69 30 Kênh 4-NIR 0,775-0,9 30 Kênh 5-SWIR 1 1,55-1,75 30 Kênh 6-TIR 10,4-12,5 60 Kênh 7-SWIR-2 2,09-2,35 30
2.3.2. Thực nghiệm phương pháp phân loại dựa trên đối tượng ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu
a. Xây dựng bảng chú giải
Việc xác định hệ thống phân loại là công việc đầu tiên rất quan trọng khi áp dụng viễn thám để xây dựng bản đồ sử dụng đất cũng nhƣ bản đồ lớp phủ. Hệ thống bảng chú giải phân loại khơng chỉ dựa vào các đối tƣợng nhìn thấy trên ảnh, mà cịn phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác: độ phân giải của ảnh viến thám, tính chất mùa vụ, thời gian chụp của vệ tinh, những kiến thức hiểu biết về địa phƣơng, …
Với nguồn dữ liệu hiện có và những hiểu biết về địa phƣơng học viên xây dựng bảng chú giải cho xây dựng bản đồ lớp phủ nhƣ :
Kênh 8-Panchromatic 0,52-0,9 15
Độ rộng cảnh 185km
Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat 8, cảnh 126046 chụp ngày 27/12/2013 và 02/07/2018
Kênh 1 - Coastal
aerosol 0,433 - 0,453 30
Kênh 2 - Blue 0,450 - 0,515 30
Kênh 3 - Green 0,525 - 0,600 30
Kênh 4 - Red 0,630 - 0,680 30
Kênh 5 - Near Infrared
(NIR) 0,845 - 0,885 30
Kênh 6 - SWIR 1 (= band
5 trong TM và ETM) 1,560 - 1,660 30 Kênh 7 - SWIR 2 2,100 - 2,300 30 Kênh 8 - Panchromatic 0,500 - 0,680 15 Kênh 9 - Cirrus 1,360 - 1,390 30 Kênh 10 - Thermal Infrared (TIR) 1 10,3 - 11,3 100 Kênh 11 - Thermal Infrared (TIR) 2 11,5 - 12,5 100
Bảng 2. 2. Bảng chú giải STT Loại lớp STT Loại lớp phủ Ghi chú Mẫu Ảnh thực tế 1 Đất xây dựng Bao gồm nhà ở, cơng trình giao thơng, khu cơng nghiệp… (viền màu đỏ) 2 Đất nông nghiệp Bao gồm khu trồng lúa, trồng màu (viền màu vàng) 3 Mặt nƣớc Mặt nƣớc sông, hồ, ao, biển (Viền màu xanh dƣơng)
4 Rừng Rừng, đất trồng
rừng,
(Viền màu xanh lá cây đậm) 5 Rừng Ngập mặn Khu vực rừng ngập mặn (màu đỏ) 6 NTTS Đất nuôi trồng thủy sản (khu vực màu xanh lơ) 7 Đất khác Khu đất trống, khu đất trống sử dụng mục đích du lịch, các loại đất khác
b. Qui trình phân loại ảnh
Các bƣớc tiến hành xử lý dữ liệu phục vụ cho việc nghiên cứu đƣợc thực hiện trình tự theo sơ đồ bên dƣới:
Hình 2. 2. Sơ đồ quy trình phân loại ảnh Bƣớc 1: Nắn chỉnh hình học
Các ảnh vệ tinh và bản đồ sử dụng đất tại Quận Đồ Sơn tỷ lệ 1/25.000 đƣợc nắn chỉnh về hệ tọa độ VN-2000 theo bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 năm 2010. Các ảnh Landsat ETM, Landsat 8 chỉ cần chuyển từ hệ tọa độ WGS-84 sang hệ tọa độ VN-2000.
Bƣớc 2: Cắt ghép ảnh khu vực nghiên cứu
Ảnh vệ tinh đƣợc cắt theo ranh giới của khu vực nghiên cứu là quận Đồ Sơn ảnh đƣợc trộn mầu theo các cách khác nhau sao cho các đối tƣợng trên ảnh đƣợc hiển thị một các rõ nhất Ảnh Landsat 2008, 2013, 2018 Bản đồ SDĐ Bản đồ lớp phủ Bản đồ sử dụng đất Sử dụng các kênh chỉ số Bản đồ địa hình Nắn chỉnh hình học Cắt, ghép ảnh khu vực nghiên cứu
Phân loại hƣớng đối tƣợng
Kết quả phân loại Kiểm tra
độ chính xác
a) Tổ hợp màu Red-Green-Blue ảnh Landsat năm 2008
b) Tổ hợp màu giả SWIR-1 – NIR – REDảnh Landsat năm 2008
c) Tổ hợp màu Red-Green-Blue Landsat năm 2013
d) Tổ hợp màu kênh SWIR-2 – NIR – RED - ảnh Landsat năm 2013
e) Tổ hợp màu Blue – Green – Red ảnh Landsat năm 2018
f) Tổ hợp màu NIR-Red-Green ảnh Landsat năm 2018
Hình 2. 3. Ảnh vệ tinh Landsat cắt theo khu vực Quận Đồ Sơn và tổ hợp màu giả khác nhau.
Bƣớc 3: Phân loại theo phƣơng pháp dựa trên đối tƣợng
- Phân đoạn ảnh:
Phân đoạn ảnh thực chất là gộp nhóm những pixel cạnh nhau có những đặc điểm tƣơng tự nhau về thông tin phổ và không gian [31, 40].Phân đoạn ảnh đƣợc thực hiện dựa trên việc lựa chọn các trọng số về hình dạng (shape), màu sắc (color), độ chặt (compactness), độ trơn (smoothness).Ngoài ra, tham số tỷ lệ (scale parameter) là một thơng số quan trọng có tác động trực tiếp tới kích thƣớc của mỗi đối tƣợng ảnh.Tùy thuộc vào các loại ảnh vệ tinh khác nhau mà các tham số này thay đổi. Chất lƣợng của việc phân loại ảnh phụ thuộc trực tiếp vào chất lƣợng của việc phân đoạn ảnh [44].
Quá trình phân đoạn ảnh đƣợc thực hiện trên phần mềm eCognition 8.64 theo các thông số sau: ảnh Landsat 8, thơng số tỷ lệ: 15, hình dạng: 0,7 và độ chặt: 0,3; với ảnh Landsat TM và ETM, thông số tỷ lệ: 5, tỷ lệ: 0,5 và độ chặt: 0,2.
- Phân loại ảnh
Để có đƣợc kết quả phân loại tốt thì việc chọn thuật tốn và các giá trị ngƣỡng là yếu tố quyết định. Sau khi phân đoạn ảnh thì tiến hành phân loại ảnh.Trƣớc tiên phải xác lập bộ quy tắc phân loại cho các ảnh viễn thám. Học viên đã xây dựng bộ quy tắc phân loại chung trong Bảng 2.3, tùy thuộc vào từng ảnh cụ thể mà thay đổi các ngƣỡng giá trị của từng thuật toán phân loại.
Từ các tài liệu học viên thu thập đƣợc và những hiểu biết chung nhất về quận Đồ Sơn học viên đã xác định và chiết xuất các đối tƣợng: Rừng, Rừng ngập mặn dân cƣ, đất nông nghiệp, Mặt nƣớc nuôi trồng thủy sản và đất khác ở trên ảnh vệ tinh.
Bảng 2. 3. Bộ qui tắc để phân loại ảnh
STT Đối tƣợng Quy tắc 1 Mặt nƣớc Mean Layer 7 ≤ 120 NDVI ≤ 0.06 Max.diff ≤ 0.7 Brightness ≤ 160 Length/Width > 1.88944 2 Đất nông nghiệp NDVI ≤ 0 (đất trống nông nghiệp)
0 < NDVI và 120< Mean layer (hoa màu) 3 Bãi bồi, Đất trống Rel.are of mặt nƣớc ≥ 0.99
4 Đất xây dựng, dân
cƣ 135 ≤ Brightness NDVI ≤ 0 Mean Layer 4 ≤ 110 Max.diff ≤ 1
0 < Rel.border to khu dan cu
5 Rừng 0.07 ≤ NDVI
Mean layer 6 ≤ 74 6 Rừng Ngập mặn Brightness ≤ 90
- Kết quả phân loại ảnh
Sau quá trình phân loại cho ra các kết quả phân loại ảnh nhƣ :
Năm 2008
Năm 2013
Năm 2018
Hình 2. 4. Kết quả phân đoạn và phân loại ảnh các năm tại quận Đồ Sơn
2.3.3. Kiểm chứng độ chính xác phân loại ảnh vệ tinh
Kết quả phân loại ảnh đƣợc kiểm chứng theo nhiều phƣơng pháp khác nhau. Học viên lựa chọn phƣơng pháp kiểm chứng trong phòng bằng cách so sánh kết quả phân loại năm 2013 với 2 loại dữ liệu là bản đồ sử dụng đất của thành phố năm 2010 và ảnh vệ tinh Google Earth có độ phân giải cao (1m).
Độ chính xác của kết quả phân loại là yếu tố quyết định đến việc phân tích các nội dung chuyên đề đúng hay sai. Kiểm tra độ chính xác của kết quả phân loại bằng ma trận sai số và hệ số Kappa.
Để kiểm tra độ chính xác, học viên đã dùng phƣơng pháp lựa chọn số ô mẫu ngẫu nhiên.Mẫu ngẫu nhiên (Random Sampling) là chìa khóa để chiếu độ chính xác các đặc tính của mẫu dựa trên số lƣợng để vẽ các mẫu đảm bảo rằng nó đại diện cho tồn bộ. Thƣờng thì việc tạo ra số lƣợng mẫu ngẫu nhiên thƣờng đƣợc xác định trong hệ tọa độ X,Y trong khu vực nghiên cứu. Các mẫu ngẫu nhiên này quan trọng đối với mỗi lớp.Và khi chọn một cách ngẫu nhiên thì sẽ đảm bảo cơng tác đánh giá độ chính xác. Phƣơng pháp chọn mẫu ngẫu nhiên sẽ không làm giảm hay tăng độ chính xác thực[13]. Số lƣợng ơ mẫu đƣợc tính theo lý thuyết xác suất nhị thức với công thức sau:
[34]
Trong đó: N là số lƣợng ơ mẫu, Z =2 từ độ lệch chuẩn thông thƣờng của 1,96 cho 95% độ tin cậy, E là sai số cho phép, p là phần trăm độ chính xác kỳ vọng của tồn bản đồ, q = 100 – p.
Việc lựa chọn số ô mẫu dùng để kiểm chứng phụ thuộc vào số lớp đối tƣợng muốn kiểm chứng, diện tích khu vực nghiên cứu. Theo kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu, đối với những bản đồ có diện tích nhỏ hơn 4000 ha và nhỏ hơn 12 lớp thì số lƣợng ô mẫu nhỏ nhất là 50 ô [33].
Hệ số Kappa đƣợc tính tốn theo cơng thức sau:
[34]
Trong đó: r là số hàng trong ma trận, xii là số giá trị trong hàng i và cột I, xi+ và x+I là tổng giá trị của hàng i và cột i, trong đó chú ý N là tổng số các giá trị.
Giá trị của hệ số Kappa thể hiện độ chính xác của kết quả phân loại nhƣ sau: Độ chính xác rất thấp: < 0,20
Độ chính xác trung bình: 0,40 – 0,60 Độ chính xác cao: 0,60 – 0,80
Độ chính xác rất cao: 0,80 – 1,00
Học viên đã tính số lƣợng ơ mẫu cho khu vực nghiên cứu là 51 ơ với độ chính xác kỳ vọng là 85%, sai số chấp nhận là 10%. Diện tích ơ mẫu bằng 5% so với tổng diện tích tự nhiên của tồn khu vực nghiên cứu [34]. Và vị trí của các ơ mẫu đƣợc sắp xếp một cách ngẫu nhiên.
Sau khi thành lập bảng ma trận sai số từ kết quả phân loại ảnh và bản đồ sử dụng đất thì sẽ cho thấy sai số của từng lớp đối tƣợng và sai số tổng thể.Từ bảng ma trận Bảng 2.4, học viên tính sai số tổng quát và hệ số Kappa.
Bảng 2. 4. Bảng ma trận sai số năm 2013 so sánh kết quả phân loại với bản đồ sử dụng đất năm 2010 Dân cƣ Nông nghiệp Mặt nƣớc Tổng hàng User Dân cƣ 3024900 418500 12600 3460500 0,87 Nông nghiệp 253800 6660900 110700 7034400 0,95 Mặt nƣớc 28800 106200 893700 1041300 0,86 Tổng số pixel 3307500 7191900 1020600 11633400 Producer 0,91 0,93 0,88 Độ chính xác tổng quát = 0,916 Hệ số Kappa = 0,844
Độ chính xác sau khi so sánh với bản đồ sử dụng đất năm 2010 của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng cho thấy kết quả hệ số Kappa là 0,844, đây là kết quả thể hiện kết quả phân loại ảnh vệ tinh có độ chính xác cao.
CHƢƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT
3.1. Điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên
3.1.1. Vị trí địa lý
Đồ Sơn là một đơn vị hành chính nằm phía Đơng Nam thành phố Hải Phịng cách trung tâm 22 km. Quận Đồ Sơn bao gồm các 7 phƣờng, phía Tây và Tây Bắc giáp quận Dƣơng Kinh, huyện Kiến Thụy, phía Nam và phía Đơng giáp biển, phía Tây Nam giáp với cửa sơng Văn Úc.
Đồ Sơn có 22,5 km bờ biển, có địa hình đồi núi nối tiếp nhau vƣơn ra biển tới 5km theo hƣớng Đông Bắc- Tây Nam với nhiều mỏm núi nhơ cao từ 25-130m. Vị trí địa lý đặc thù của quận tiếp giáp trực tiếp với biển Vịnh Bắc Bộ thuận lợi cho phát triển du lịch, dịch vụ và khai thác, nuôi trồng thủy hải sản.
3.1.2. Địa hình
- Đồ Sơn là một bán đảo với 22,5 km bờ biển, có địa hình đồi núi nối tiếp nhau vƣơn ra biển tới 5km với nhiều ngọn núi nhô cao từ 25-130 m. Với đặc điểm tự nhiên của vùng ven đô giáp cửa sông, cửa biển, quận Đồ Sơn gồm 3 vùng chính:
+ Vùng trung tâm chủ yếu thuộc địa phận phƣờng Ngọc Xuyên và Vạn Sơn, đƣợc hình thành và bảo vệ bởi đê ngăn nƣớc mặn. Đây là một khu vực rất thuận lợi cho phát triển các cơng trình xây dựng tập trung.Tuy nhiên, do là vùng thấp hơn xung quanh, nên nhiệt độ vào mùa hè thƣờng cao hơn các vùng khác.
+ Vùng bán đảo Đồ Sơn: là vùng đồi núi nhô ra biển, có cao trình tự nhiên trung bình +6m đến +7m, có những điểm cao từ +66m đến 125m. Đây là một vùng có cảnh quan đẹp với những dải núi chạy dài ra biển.
+ Vùng đất có diện tích bằng phẳng thuộc phƣờng Bàng La, Minh Đức và Hợp Đức có cao trình tự nhiên trung bình +2m đến 2,8m.
3.1.3. Khí hậu
Khu vực Đồ Sơn chịu hƣớng gió chủ đạoĐơng Nam vào mùa hè với tốc độ trung bình 2,3m/s và Đơng Bắc vào mùa đơng với tốc độ trung bình 2,1-2,8m/s. Khu vực có tần suất xuất hiện bão và áp thấp nhiệt đới cao nhất miền bắcvới trung bình mỗi năm có 1-4 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới đổ bộ trực tiếptừ tháng 7 đến tháng 10.
b. Chế độ nhiệt
Tính bình qn trong giai đoạn 1985 – 2017, nhiệt độ trung bình năm đạt 24,10C. Nhiệt độ cao tập trung từ tháng 5 đến tháng 10 (tháng cao nhất đạt 29,20C).Nhiệt độ tháng thấp nhất đạt 17,30C (vào tháng 1, tháng 2).Nhiệt độ cao tập trung từ tháng 5 đến tháng 10 (tháng cao nhất đạt 29,40C).Nhiệt độ tháng thấp nhất đạt 18,30C (vào tháng 12). Vùng trung tâm do bị chắn bởi các dãy núi nên vào mùa hè nhiệt độ thƣờng cao hơn. Nền nhiệt của năm 2017 là 24,4oC cao hơn so với nhiệt độ chung giai đoạn 1985 – 2017, đây là tác động của biến đổi khí hậu tồn cầu.
c. Chế độ mƣa và ẩm
Nằm ở vùng ven biển, quận Đồ Sơn thuộc tiểu vùng sinh thái duyên hải đồng bằng Bắc Bộ nên chịu ảnh hƣởng của chế độ nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mƣa nhiều.
Trong giai đoạn 1985 – 2017, tổng lƣợng mƣa trung bình đạt 1573 mm, tập trung vào tháng 5 - 10 với 1289mm chiếm 81,92% tổng lƣợng mƣa cả năm, trong khi vào các tháng 1-4, tháng 11, 12 lƣợng mƣa chỉ chiếm 18,08% tổng lƣợng mƣa cả năm.
Năm 2017, tổng lƣợng mƣa cả năm đạt 2050 mm. Lƣợng mƣa tập trung từ tháng 5 đến tháng 10 với 1862 mm chiếm 90,81% tổng lƣợng mƣa cả năm. Từ tháng 1 đến tháng 4, tháng 11, tháng 12 lƣợng mƣa chỉ chiếm 9,19% tổng lƣợng mƣa cả năm.
Độ ẩm khơng khí tƣơng đối trung bình năm vào khoảng 83%.
3.1.4. Đặc điểm thủy văn và nguồn nước
Chế độ thuỷ văn phụ thuộc vào nƣớc thuỷ triều, sóng biển và mực nƣớc sông Cấm, sơng Văn Úc. Vào mùa mƣa, bão sóng biển dâng cao có thể làm ảnh hƣởng các cơng trình hạ tầng do địa hình nhơ ra sát biển.
Đồ Sơn có diện tích khơng lớn, diện tích đất rừng tính đến 2017 là 488,52 ha, trong đó có 475,0 harừng phịng hộ và 13,52ha rừng đặc dụng. Thực vật rừng chủ yếu là rừng ngập mặn, ngồi ra có một số diện tích rừng trồng nhƣ thơng, keo, bạch đàn.Còn lại chủ yếu là thực vật trồng nông nghiệp và cây xanh đƣờng phố.
Vùng biển Đồ Sơn nằm ở vị trí trung tâm vịnh Bắc Bộ, gần các ngƣ trƣờng lớn là Bạch Long Vỹ, Long Châu, Cát Bà.Nguồn nƣớc biển với độ mặn trung bình và ổn định giúp phát triển nghề sản xuất muối và nuôi trồng thủy sản. Ngƣ trƣờng vùng biển Đồ Sơn có gần 1000 lồi tơm, cá và hàng chục lồi rong biển có giá trị kinh tế cao nhƣ cá thu, tơ he, cua bể, sị huyết có thể khai thác để tiêu thụ.
3.2. Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội quận Đồ Sơn
3.2.1. Dân số
Dân số: Năm 2017 quận Đồ Sơn có dân số là 48.800 ngƣời. Mật độ dân số bình