c, Vệ tinh Orbitview (Orbview)
Vệ tinh Orbview 1 đƣợc phóng vào ngày 03 tháng 04 năm 1995 trên độ cao 470km. Đây là vệ tinh cho phép phân biệt vùng có mây và khơng mây, nó phục vụ chủ yếu cho việc nghiên cứu khí quyển và dự báo khí hậu.
Vệ tinh Orbview 2 đƣợc phóng lên quỹ đạo năm 1997, cung cấp ảnh cho 14 trạm thu ảnh mặt đất. Orbview 2 đƣợc trang bị các bộ cảm đa phổ nghiên cứu mặt đất và biển. Đây là vệ tinh chuyên nghiên cứu màu của đại dƣơng nằm trong dự án NASA SeaWiFS.
Hiện nay cơ quan OrbImage và tập đoàn khoa học về quỹ đạo ( Orbital Sciences Corporarion) xây dựng các vệ tinh Orbview 3 và Orbview 4 có độ phân giải cao. Orbview 4 cho ảnh có độ phân giải là 1m đối với ảnh toàn sắc, 4 m đối với đa phổ trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. Ngồi ra nó cịn đƣợc trang bị bộ cảm siêu phổ (200 kênh) với độ phân giải 8m trong dải sóng từ 0.4-2.5μm chuyên để nghiên cứu đặc điểm thành phần vật chất trên bề mặt đất. Orbview 4 sẽ cho ảnh phục vụ nghiên cứu nơng nghiệp, rừng, khai khống và kiểm tra mơi trƣờng. Bên cạnh đó, với
mại và an ninh. Độ phân giải 1m cho phép phát hiện nhà rõ nét, 4 m cho phép xác định chính xác các đối tƣợng không gian nhƣ: nông thôn, thành thị và các vùng đang phát triển.
d, Vệ tinh SPOT
Ảnh vệ tinh SPOT đƣợc chụp bởi vệ tinh SPOT. SPOT là chƣơng trình viễn thám do các nƣớc Pháp, Thụy Điển, Bỉ hơp tác. SPOT 1 đƣợc phóng lên quỹ đạo tháng 2 năm 1986, SPOT 2 đƣợc đƣa lên quỹ đạo ngày 22/1/1990, SPOT 3 là tháng 4 năm 1993, SPOT 4 là tháng 4 năm 1998 và SPOT 5 là vào tháng 7 năm 2002.
Vệ tinh SPOT có quỹ đạo trịn cận cực đồng bộ mặt trời với độ cao bay chụp là 830 km và góc nghiên so với mặt phẳng quỹ đạo là 98.70. Thời điểm bay qua xích đạo là 10h30’ sáng. Chu kỳ lặp lại tại một điểm trên mặt đất là 26 ngày trong chế độ quan sát bình thƣờng. Vệ tinh SPOT đƣợc trang bị một bộ quét đa phổ HRV gồm 2 máy HRV-1, HRV-2. Đặc trƣng HRV Dạng đa phổ Dạng toàn sắc Band - Green - Red - NIR 0.50 - 0.59 μm 0.61 - 0.68 μm 0.79 - 0.80 μm 0.51 - 0.73 μm Trƣờng nhìn 4013 4013
Độ phân giải mặt đất 20 x 20 m (SPOT 4) 10 x 10 m (SPOT5) 10 x 10 m (SPOT4) 2.5 x 2.5 m (SPOT5) Số pixel trên một hàng 3000 6000 Dải rộng mặt đất 60 km 60 km Độ phủ dọc 117 km 117 km Độ phủ bên 3 km 3 km Bảng 2.3: Đặc điểm hệ thống SPOT
2.2. Đặc trƣng phản xạ phổ của các đôi tƣợng tự nhiên
Đồ thị phổ phản xạ đƣợc xây dựng với chức năng là một hàm số của bƣớc sóng, đƣợc gọi là đƣờng cong phổ phản xạ.
Hình 2.2: Đặc điểm phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên chính
Hình dáng của đƣờng cong phổ phản xạ cho biêt một cách tƣơng đối rõ ràng tính chất phổ của một đối tƣợng và hình dạng đƣờng cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà thiết bị viễn thám có thể thu nhận đƣợc tín hiệu[1].
Hình dáng của đƣờng cong phổ phản xạ cịn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tƣợng. Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tƣợng khác nhau, của một nhóm đối tƣợng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chũng dao động xung quanh giá trị trung bình.
2.2.1. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bƣớc sóng . Thƣ̣c vâ ̣t khỏe ma ̣nh chƣ́a nhiều diê ̣p lu ̣c , phản xạ mạnh ánh sáng có bƣớc sóng từ 0,45 – 0,7 m, do đó nó có màu lu ̣c. Khi diê ̣p lu ̣c giảm đi, thƣ̣c vâ ̣t chuyển sang có khả nă ng phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn , lá cây sẽ có màu vang đỏ . Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hƣởng đến các tính phản xạ phổ của nó .
Thực vật khỏe mạnh, chất diệp lục hấp thụ mạnh ánh sáng có bƣớc sóng từ 0,45 - 0,67 m ( tƣơng ứng với dải sóng màu lục - Green) vì vậy ra nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi chất diệp lục giảm đi, thực vật chuyển sang có khả năng hấp thụ 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 ( rừng ở khí hậu lạnh, hiện tƣợng này khá phổ biến khi mùa đông đến), ở vùng hồng ngoại phản xạ ( từ 0,7 - 1,3 m) thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và sóng cực ngắn (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 rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên
2.2.2. Đặc tính phản xạ phổ của nước
Khả năng phản xạ phổ của nƣớc thay đổi theo bƣớc sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nƣớc . Khả năng phản xạ phổ ở nƣớc còn phụ thuộc vào bề mặt nƣớc và trạng thái của nƣớc . Trên kênh hồng ngoa ̣i và câ ̣n hồng ngoa ̣i đƣờng bờ nƣớc đƣợc phát hiê ̣n rất dễ dàng . Nƣớc trong chỉ phản xa ̣ ma ̣nh ở vùng sóng của tia blue và yếu dần khi sang tia green , triệt tiêu ở cuối dải sóng red . Khi nƣớc bị đục khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hƣởng sự tán xạ của các vật chất lơ lƣ̉ng. Sƣ̣ thay đổi tính chất nƣớc đều ảnh hƣởng đến tính chất phở của chúng.
2.2.3. Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng
Đƣờng cong phản xạ phở của thở nhƣỡng tƣơng đới đơn giản , ít có những cực đa ̣i và cƣ̣c tiểu mơ ̣t cách rõ ràng . Các yếu tố ảnh hƣởng đến đƣờng cong phản xạ phổ của đất là : lƣơ ̣ng ẩm, cấu trúc của đất , đô ̣ nhám bề mă ̣t , sƣ̣ có mă ̣t của các loại oxit kim loa ̣i, hàm lƣợng vật chất hữu cơ … các yếu tố đó làm cho đƣờng cong phản xạ phổ biến đô ̣ng rất nhiều quanh đƣờng cong có giá tri ̣ trung bình . Tuy nhiên , giá trị phổ phản xa ̣ của đất tăng dần về phía sóng có bƣớc sóng dài.
2.3. Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám vào nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất mặt đất
Phƣơng pháp Viễn thám cho phép thu thập thông tin về đối tƣợng trên mặt đất thơng qua hình ảnh của đối tƣợng mà khơng cần phải tiếp xúc trực tiếp ngoài thực địa. Các loại tƣ liệu ảnh viễn thám có thể đƣợc chụp từ máy bay (ảnh hàng không) nhƣng thông dụng nhất là đƣợc chụp từ ảnh vệ tinh.
Tƣ liệu viễn thám có hai loại chính là ảnh quang học và ảnh radar. Ảnh quang học chụp bề mặt trái đất nhờ năng lƣợng mặt trời và các thiết bị chụp ảnh sử dụng thấu kính quang học, hệ thống chụp ảnh này đƣợc gọi là hệ thống thụ động. Loại thứ hai là ảnh radar đƣợc chụp nhờ các thiết bị thu, phát sóng radar đặt trên vệ tinh. Hệ thống này đƣợc gọi là hệ thống chụp ảnh chủ động hay tích cực.
Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tƣợng lớp phủ mặt đất trên ảnh vệ tinh là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ.
Những ƣu thế cơ bản của ảnh vệ tinh có thể kể ra là:
- Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (Landsat 180km x180km, SPOT, ASTER 60km x 60 km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc.
- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên cứu các đặc điểm của đối tƣợng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau.
- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau đo đó cho phép nghiên cứu bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau. Ví dụ nhƣ các loại ảnh độ phân giải siêu cao nhƣ SPOT 5, IKONOS, QuickBird để nghiên cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhƣng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn nhƣ MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu vực. - Khả năng chụp lặp lại hay còn gọi là độ phân giải thời gian. Do đặc điểm quĩ đạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại đƣợc vị trí trên mặt đất. Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tƣợng diễn ra trên mặt đất, ví dụ nhƣ quá trình sinh trƣởng của cây trồng, lúa, màu.
- Các dữ liệu đƣợc thu nhận ở dạng số nên tận dụng đƣợc sức mạnh xử lý của máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin nhƣ hệ thống thông tin địa lý (GIS).
Do những đặc tính hết sức ƣu việt kể trên ảnh vệ tinh đã trở thành một công cụ không thể thiếu đƣợc trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng nói chung và việc chiết tách các thơng tin lớp phủ nói riêng, nhất là ở những vùng khó tiếp cận nhƣ các vùng núi cao, biên giới, hải đảo.
Phƣơng pháp viễn thám cho phép thu thập phần lớn các thơng tin ở trong phịng nhƣng kết quả giải đoán cần đƣợc kiểm chứng ở ngồi thực địa do đó cơng tác thực địa là một phần khơng thể thiếu trong công nghệ Viễn thám.
Ảnh vệ tinh quang học với nhiều ƣu điểm nhƣ hình ảnh quen thuộc với con ngƣời, dễ giải đoán, kỹ thuật tƣơng đối dễ phát triển trên nền các công nghệ chụp ảnh hiện hành nên đã nhanh chóng đƣợc chấp nhận và ứng dụng rộng rãi. Các loại ảnh quang học nhƣ Landsat, SPOT, Aster, IKONOS, QuickBird đã trở nên quen thuộc và phổ biến trên tồn thế giới. Trong cơng tác thành lập các loại bản đồ lớp phủ bằng công nghệ Viễn thám sử dụng ảnh quang học đã đƣợc đƣa vào các qui trình qui phạm tƣơng đối hồn chỉnh. Bảng dƣới đây liệt kê các thơng số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học chính.
Ảnh vƯ tinh Các kờnh ph phõn gii Tần st chụp lặp (ngày) DiƯn tÝch phđ trïm (km) SPOT 2 XS (®a phỉ) PAN (tồn sắc) 20 m 10 m 26 60 x 60 SPOT 4 XS (§a phỉ) PAN (tồn sắc) 20 m 10 m 26 60 x 60 SPOT 5 XS (Đa phổ) PAN (toàn sắc) PAN (toàn sắc) 10 m 5 m 2,5m 26 60 x 60 LANDSAT TM Kªnh 1,2,3,4,5,6,7 30 m 16 180 x 180 LANDSAT ETM+ Kªnh 1,2,3,4,5,6,7 Kªnh 8 30 m 15 m 16 180 x 180 ASTER Kªnh 1,2,3N,3B Kªnh 4,5,6,7,8,9 Kªnh 10,11,12,13,14 15 m 30 m 90 m 16 60 x 60
IKONOS Kênh toàn sắc Kênh đa phổ Tại tâm ngoài tâm 0,82 m 1 m 3,2 m 4 m 14 11 x 11
QUICKBIRD Kênh đa phổ Kênh toàn sắc
2,44 m
0,61 m 1 - 3,5 16,5 x 16,5
Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học cơ bản
Nhƣợc điểm chính của ảnh quang học là chỉ có thể chụp vào ban ngày khi đƣợc mặt trời chiếu sáng và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết. Trong trƣờng hợp thời tiết xấu nhƣ mƣa bão, mây, mù, sẽ rất khó chụp đƣợc ảnh. Trên ảnh quang học cũng thƣờng có nhiều mây, nhất là ở khu vực nhiệt đới trong đó có Việt nam. Những những nhƣợc điểm này đã làm hạn chế rất nhiều khả năng ứng dụng của ảnh quang học. Đặc biệt là đối với những ứng dụng cần sử dụng ảnh chụp ở nhiều thời điểm.
Tuy ảnh vệ tinh có nhiều tính năng ƣu việt, nhƣng khả năng ứng dụng vào thực tiễn để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất còn phụ thuộc vào các yếu tố khác nhƣ độ
chính xác hình học, khả năng hơng tin về các đối tƣợng mà ảnh vệ tinh có thể đem lại, cơng nghệ đƣợc sử dụng. Trong số các loại ảnh vệ tinh, do đặc thù của ảnh, các ảnh radar ít đƣợc sử dụng nhƣ tài liệu chính để thành lập bản dồ lớp phủ. Nhƣng trong một số trƣờng hợp ảnh radar cho phép nhận dạng đƣợc nhiều loại đối tƣợng khi xử lý ảnh ở các thời điểm khác nhau.
Về độ chính xác hình học, đối với nhiều loại ảnh vệ tinh hiện nay (nhƣ SPOT, IKONOS, QuickBird) đã có thể thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất đến tỷ lệ 1:5000.
Bên cạnh khả năng đảm bảo độ chính xác về hình học, khả năng thơng tin về các đối tƣợng lớp phủ của ảnh vệ tinh có ý nghĩa quyết định đến khả năng và phƣơng pháp sử dụng ảnh vệ tinh thành lập bản đồ lớp phủ và đánh giá biến động lớp phủ.
Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ viễn thám, tại những nƣớc phát triển, đã đƣợc thực hiện ngay từ khi có những tấm ảnh đầu tiên của vệ tinh quan sát trái đất. Cho đến nay ảnh vệ tinh đã đƣợc ứng dụng ở hầu khắp các nƣớc, kể cả những nƣớc đang phát triển. Ở Việt nam, mặc dù việc ứng dụng cơng nghệ Viễn thám có chậm hơn những nƣớc tiên tiến trong khu vực nhƣng ảnh vệ tinh cũng đã đƣợc sử dụng ở rất nhiều các cơ quan, ngành và địa phƣơng khác nhau nhƣ nông nghiệp, lâm nghiệp, đo đạc và bản đồ, qui hoạch đất đai, địa chất – khoáng sản… Những ứng dụng tiêu biểu của ảnh vệ tinh liên quan đến việc chiết tách các thông tin về lớp phủ mặt đất là:
- Thành lập bản đồ lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất
- Điều tra thành lập bản đồ hiện trạng và theo dõi biến động rừng - Theo dõi giám sát mùa màng ..
- Thành lập bản đồ và theo dõi biến động các vùng đất ngập nƣớc - Thành lập bản đồ và theo dõi biến động rừng ngập mặn
- Kiểm kê tài nguyên nƣớc mặt
- Qui hoạch đô thị và theo dõi q trình đơ thị hóa
Một vài nhận xét chung về khả năng sử dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất:
- Ảnh vệ tinh phản ánh trực tiếp lớp phủ mặt đất với các hợp phần tự nhiên cùng các dấu vết tác động của con ngƣời lên đó cũng nhƣ các đối tƣợng kinh tế- xã hội do con ngƣời tạo ra.
- Trên ảnh vệ tinh có nhiều đối tƣợng có hình ảnh và vùng phân bố đặc thù nên có thể điều vẽ dễ dàng với độ chính xác cao. Tuy nhiên, do đặc điểm của đối tƣợng,
độ phân giải phổ, độ phân giải hình học, điều kiện chụp, xử lý ảnh nên dẫn đến trƣờng hợp một vài đối tƣợng có hình ảnh gần giống nhau, rất khó để phân biệt trên ảnh. Do vậy cần kết hợp thêm thông tin từ các nguồn tài liệu khác, đặc biệt là số liệu thực địa.
- Trên ảnh vệ tinh, có thể cùng một đối tƣợng nhƣng có nhiều hình ảnh khác nhau, tùy thuộc vào trạng thái bề mặt, vị trí, thói quen canh tác, … Vì vậy nên sử dụng ảnh đa thời điểm và am hiểu điều kiện sinh thái cảnh quan, kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu.
- Thực tế cho thấy, ảnh đa phổ đem lại nhiều thông tin về các đối tƣợng lớp phủ mặt đất. Tuy nhiên, độ phân giải cao của ảnh toàn sắc đƣợc khai thác kết hợp với ảnh đa phổ sẽ đem lại hiệu quả cao nhất.
Chƣơng 3. THỰC NGHIỆM - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS VÀO NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ KHU VỰC HUYỆN TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI.
3.1. Khái quát về khu vực nghiên cứu
Huyện Từ Liêm đƣợc thành lập theo quyết định số 78/QĐ ngày 31 tháng 5 năm 1961 của Chính phủ.
Hình 3.1: Khu vực nghiên cứu
3.1.1. Điều kiện tự nhiên
Từ Liêm là huyện nằm ở phía Tây thành phố Hà Nội. Phía Bắc giáp huyện