Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.4. Tích hợp hệ thống thông tın địa lý (GIS) và vıễn thám trong nghıên cứu bıến
2.4.2. Ứng dụng của công nghệ tích hợp viễn thám và GIS
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.
GIS bắt đầu đươc xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỷ XX và đã được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới. Sau khi vệ tinh quan sát Trái đất Landsat đầu tiên được phóng vào năm 1972, các dữ liệu viễn thám được xem là nguồn thông tin đầu vào quan trọng của GIS nhờ những tiến bộ về kỹ thuật của nó. Ngày nay, Trái đất được nghiên cứu thông qua một dải quang phổ rộng với nhiều bước sóng khác nhau từ dải sóng nhìn thấy được đến dải sóng hồng ngoại nhiệt. Các thế hệ vệ tinh mới được bổ sung thêm các tính năng quan sát trái đất tốt hơn với những quy mô không gian khác nhau. Vệ tinh cung cấp một lượng thông tin khổng lồ và phong phú về các phản ứng quang phổ của các hợp phần của trái đất như đất, nước và thực vật. Chính các phản ứng này sau đó sẽ phản ánh bản chất sinh lý của trái đất và các hiện tượng diễn ra trong tự nhiên bao gồm các hoạt động của con người.
Có thể nói lâm nghiệp là một trong những lĩnh vực đầu tiên áp dụng thành tựu của công nghệ viễn thám. Hiện nay, việc sử dụng tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ rừng, theo dõi biến động, chặt phá rừng...đã trở thành công nghệ phổ biến trên thế giới. Tích hợp dữ liệu viễn thám với hệ thống thông tin địa lý (GIS) có thể dự báo những khu vực có nguy cơ cháy rừng; dự báo sự suy giảm diện tích rừng trên quy mô toàn cầu do biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số. Xét một ví dụ về kết hợp giữa viễn thám và GIS trong nghiên cứu cháy rừng: nhờ có công nghệ viễn thám con người đã sử dụng những tấm ảnh viễn thám chụp được để phân loại rừng. Còn dữ liệu GIS sẽ cung cấp các thông tin về địa hình, khí hậu, mạng lưới thuỷ văn, những thông tin về khu vực nghiên cứu. Trên cơ sở đó các thông tin tích hợp sẽ chỉ ra các khu vực có nguy cơ cháy rừng ở mức độ khác nhau.
Trong nghiên cứu địa chất: người ta sử dụng tư liệu viễn thám kết hợp với GIS để thành lập các bản đồ kiến tạo, các cấu trúc địa chất.… Trong lĩnh vực nông nghiệp và sử dụng đất: 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…
Trong những năm vừa qua Việt Nam ngày càng chịu ảnh hưởng nặng nề bởi biến đổi khí hậu, hàng năm chịu nhiều ảnh hưởng của thiên tai, bão lũ; ảnh hưởng đến đời sống và hoạt động sản xuất nông nghiệp của nhân dân. Trước tình hình đó công tác dự báo và quản lý thiên tai đóng vai trò quan trọng trong giảm thiểu thiệt hại. Và hiện tại vệ tinh của Việt Nam mới đáp ứng phần nào nhu cầu phục vụ phát triển kinh tế, thương mại. Bởi vậy, ngành nông nghiệp đã và đang tiếp cận nhiều với các công nghệ phân tích ảnh viễn thám. Đến nay, từ những ảnh viễn thám do nước ngoài và Việt Nam cung cấp kết hợp với công nghệ GIS đã ứng dụng vào công tác theo dõi, quản lý, bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường, đặc biệt là tài nguyên rừng.
2.4.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (gis) trong và ngoài nƣớc
2.4.3.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS 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.
GIS bắt đầu được xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỷ XX và đã được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới. Sau khi vệ tinh quan sát trái đất Landsat đầu tiên được phóng vào năm 1972, các dữ liệu viễn thám được xem là nguồn thông tin đầu vào quan trọng của GIS nhờ những tiến bộ về kỹ thuật của nó. Ngày nay, Trái đất được nghiên cứu thông qua một dải quang phổ rộng với nhiều bước sóng khác nhau từ dải sóng nhìn thấy được đến dải sóng hồng ngoại nhiệt. Các thế hệ vệ tinh mới được bổ sung thêm các tính năng quan sát trái đất tốt hơn với những quy mô không gian khác nhau. Vệ tinh cũng cung cấp một lượng thông tin khổng lồ và phong phú về các phản ứng quang phổ của cá hợp phần của trái đất như đất, nước, thực vật. Chính các phản ứng này sau đó sẽ phản ánh bản chất sinh lý của trái đất và các hiện tượng diễn ra trong tự nhiên bao gồm các hoạt động của con người. Nhờ khả năng phân tích không gian, thời gian và mô hình hóa, GIS cho phép tạo ra những thông tin có giá trị gia tăng cho các thông tin được triết xuất từ dữ liệu vệ tinh.
Có thể nói lâm nghiệp là một trong những lĩnh vực đầu tiên áp dụng thành tựu của công nghệ viễn thám. Hiện nay, việc sử dụng tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ rừng, theo dõi biến động, chặt phá rừng … đã trở thành công nghệ phổ biến trên thế giới. Tích hợp dữ liệu viễn thám với hệ thống thông tin địa lý (GIS) có thể dự báo những khu vực có nguy cơ cháy rừng; dự báo suy giảm diện tích rừng trên quy mô toàn cầu do biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số. Xét một ví dụ về kết hợp giữa viễn thám và GIS trong nghiên cứu cháy rừng: nhờ có công nghệ viễn thám công người đã sử dụng những tấm ảnh viễn thám chụp được để phân loại rừng. Còn dữ liệu GIS sẽ cung cấp các thông tin về địa hình, khí hậu, mạng lưới thủy văn, những thông tin về khu vực nghiên cứu. Trên cơ sở đó các thông tin tích hợp sẽ chỉ ra các khu vực có nguy cơ cháy rừng ở mức độ khác nhau.
Trong nghiên cứu địa chất: người ra sử dụng tư liệu viễn thám kết hợp với GIS để thành lập các bản đồ kiến tạo, các cấu trúc địa chất, …
Trong lĩnh vực nông nghiệp và sử dụng đất: 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 hóa 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 họa xảy ra như sóng thần, lũ lụt, hiện tượng hiệu ứng nhà kính, … Xuất phát từ thực tế đố 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, …
Năm 1971, ở Berlin đã sử dụng các ảnh hàng không chụp liên tiếp nhau để kiểm soát sự thay đổi của đô thị (Dueker et al., 1971).
Năm 1985, Gupta D.M và Menshi M.K đã tiến hành nghiên cứu sự thay đổi đô thị thông qua việc thành lập các bản đồ sử dụng đất của đô thị tại ba thời điểm 1959, 1969, 1978 bằng các ảnh viễn thám đa thời gian.
Năm 1987, Manfred Ehlers và cộng tác viên cũng nghiên cứu biến đổi sử dụng đất giai đoạn 1975 – 1986 thông qua giải đoán ảnh hàng không năm 1975 và xử lý ảnh số vệ tinh SPOT năm 1986 (Đinh Bảo Hoa, 2007).
Trong đề tài nghiên cứu “Assessment of Soil Protection Efficiency And Land Use Change” (G.Siebielec et al., 2010) là một nghiên cứu báo cáo tóm tắt kết quả phân tích về mối quan hệ giữa chính sách bảo vệ sử dụng đất hiện tại của chính phủ và thay đổi sử dụng đất tại các khu vực thử nghiệm được lựa chọn của Trung ương Châu Âu từ năm 1990 – 1992 và 2006 – 2007 dựa vào ảnh vệ tinh SPOT và các bản đồ sử dụng đất của 7 thành phố địa diện cho Đức, Công Hòa Sec, Ba Lan, Slovakia, Áo và Italya (Milan, Bratislava, Wroclaw, Prague, Stuttgart, Salzburg, Vienna) kết quả phân tích cho thấy đất được mở rộng bề mặt nhân tạo diễn ra chủ yếu trên các vùng đất canh tác. Hệ thống quản lý đất trong các thành phố không có hiệu quả bảo vệ đất tốt nhất cho đến năm 2006. Không có xung đột mạnh mẽ giữa các mục tiêu và nhu cầu bảo vệ đất liên quan đến phát triển kinh tế giữa các thành phố.
Kết hợp GIS và chuỗi Mackov thì đề tài “The Assesment and Predicting of Land Use Changes to Urban Area Using Multi-Temporal Satelite Imagery and GIS: A Case Study on Zanjan, IRAN (2984-2011)” (Mohsen Ahadnekad Raveshty, 2011)
đã có kết quả phân loại độ che phủ đất cho 3 thời điểm khác nhau về biến động sử dụng đất bên cạnh kết hợp chuỗi Makov để dự báo tác động của con người về biến đổi sử dụng đất đến năm 2020 trong khu vực Zanjan. Kết quả của nghiên cứu này tiết lộ rằng khoảng 44% tổng diện tích bị thay đổi sử dụng đất, ví dụ thay đổi đất nông nghiệp, vườn cây ăn quả và đất trống để định cư, xây dựng công nghiệp khu vực và đường cao tốc. Mô hình cây trồng cũng thay đổi, chẳng hạn như đất vườn sang đất nông nghiệp và ngược lại. Những thay đổi được đề cập đã xảy ra trong vòng 27 năm qua tại thành phố Zanjan và khu vực xung quanh.
Đề tài “A Makov Chain Model of Land Use Change in the Twin Cities, 1986-2005” (Michel Iacono, 2012) trong nghiên cứu tác giả ứng dụng một mô hình chuỗi Markov ước tính cho thấy khu vực đô thị Hoa Kỳ sử dụng một tập hợp các dữ liệu trong giai đoạn lớn từ năm 1085 – 2005, để dự đoán tình hình sử dụng đât hiện tại và sau đó sử dụng để dự báo trong tương lai. Trong đề tài này nghiên cứu sự kết hợp của vệ tinh viễn thám, hệ thống thông tin địa lý (GIS) và chuỗi Markov đã được sử dụng trong phân tích và dự đoán sự thay đổi sử dụng đất. Kết quả cho thấy tình hình phát triển đô thị không đồng đều, diện tích đất rừng bị mất mát đáng kể và quá trình thay đổi sử dụng đất không ổn định, Nghiên cứu cho thấy rằng việc tích hợp của vệ tinh viễn thám và GIS có thể là một phương pháp hiệu quả để phân tích các mô phỏng không gian, thời gian của sự thay đổi sử dụng đất. Hội nhập sâu hơn của 2 kỹ thuật này với mô hình Markov đã hỗ trợ hiệu quả trong việc mô tả, phân tích và dự đoán quá trình biến đổi sử dụng đất. Kết quả dự đoán về sử dụng đất cho năm 2015 là sự gia tăng đáng kể của đất đô thị và đất nông nghiệp.
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. Sau đây là ví dụ tại một số quốc gia về việc kết hợp tư liệu ảnh viễn thám và GIS để nghiên cứu biến động sử dụng đất.
a. 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.
b. Iran
Ở Iran, việc nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng tư liệu viễn thám được áp dụng ngay từ những năm 90 của thế kỷ trước. Năm 1996 đã thành lập được bản đồ biến động sử dụng đất của tỉnh Gillan bằng tư liệu viễn thám. Bản đồ biến động sử dụng đất của thành phố Mashhad được thành lập bằng tư liệu ảnh Landsat theo phương pháp phân loại Fuzzy.
Một tác giả ở trường Đại học Zanjan đã kết hợp kỹ thuật viễn thám và công nghệ GIS để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất của thành phố Bonab và Maraghen. Dựa trên tư liệu thu thập được là ảnh vệ tinh Landsat năm 1989 và năm 1998, bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 và 1:50.000 khu vực nghiên cứu. Trước tiên hai ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học theo bản đồ địa hình. Tiến hành phân loại độc lập hai ảnh đó để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 1989 và 1998. Sau đó sử dụng chức năng của phần mềm GIS để xác định biến động và thành lập bản đồ biến động sử dụng đất.
c. 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.