2.4.1 Bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất và cỏc phương phỏp thành lập
2.4.1.1 Những vấn ủề chung về bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất
Biến ủộng là sự biến ủổi, thay ủổi, thay thế trạng thỏi này bằng một trạng thỏi khỏc liờn tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong mụi trường tự nhiờn cũng như mụi trường xó hộị
Phỏt hiện biến ủộng là quỏ trỡnh nhận dạng sự biến ủổi, sự khỏc biệt về trạng thỏi của sự vật, hiện tượng bằng cỏch quan sỏt chỳng tại cỏc thời ủiểm khỏc nhaụ
Để nghiờn cứu biến ủộng sử dụng ủất người ta cú thể sử dụng nhiều phương phỏp từ nhiều nguồn tài liệu khỏc nhau như: số liệu thống kờ hàng năm, số liệu kiờm kờ hoặc từ cỏc cuộc ủiều trạ Cỏc phương phỏp này cú ủộ chớnh xỏc khụng cao, tốn nhiều thời gian và kinh phớ, ủồng thời chỳng khụng thể hiện ủược sự thay ủổi sử dụng ủất từ loại ủất này sang loại ủất khỏc và vị trớ khụng gian của sự thay ủổi ủú. Thành lập bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất từ tư liệu viễn thỏm ủa thời gian sẽ khắc phục ủược những nhược ủiểm trờn.
Bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất ngoài cỏc yếu tố nội dung cơ bản của cỏc bản ủồ chuyờn ủề như: ủịa hỡnh, ủịa vật, giao thụng, thủy văn… phải thể hiện ủược sự biến ủộng về sử dụng ủất theo thời gian.
Cỏc thụng tin về tỡnh hỡnh sử dụng ủất, biến ủộng sử dụng ủất kết hợp với cỏc thụng tin cú liờn quan là yếu tố quan trọng phục vụ cụng tỏc quy hoạch, kế hoạch và quản lý ủất ủai ủể ủảm bảo sử dụng ủất bền vững, hiệu quả, thõn thiện mụi trường và quan trọng nhất là ủảm bảo an ninh lương thực.
Cỏc số liệu ủiều tra về tỡnh hỡnh biến ủộng sử dụng ủất cú thể ủó ủược phõn tớch và thống kờ tổng hợp dưới dạng bảng biểu nhưng chưa phõn tớch hay trỡnh bày số liệu này dưới dạng khụng gian ủịa lý hoặc làm chỳng dễ tiếp cận hơn ủối với cỏc nhà nghiờn cứu hoặc cỏc nhà hoạch ủịnh chớnh sỏch. Tiềm năng của hệ thống thụng tin ủịa lý hiện ủại trong việc phõn tớch dữ liệu khụng gian ủể thành lập bản ủồ vẫn chưa ủược ứng dụng rộng róị Việc thể hiện sự biến ủộng của số liệu theo khụng gian ủịa lý làm tăng giỏ trị của số liệu lờn rất nhiều ủặc biệt ủối với nước ta, một nước cú lónh thổ trải dài trờn 3000km, hai vựng ủồng bằng chõu thổ rộng lớn tương phản với cỏc vựng miền nỳi bao lạ Sự ủa dạng về ủặc ủiểm kinh tế xó hội và việc sử dụng ủất ủược ủỏnh giỏ rừ hơn ở dưới dạng bản ủồ.
Ưu ủiểm của bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất là thể hiện ủược rừ sự biến ủộng theo khụng gian và theo thời gian. Diện tớch biến ủộng ủược thể hiện rừ ràng trờn bản ủồ, ủồng thời cho chỳng ta biết cú biến ủộng hay khụng biến ủộng, hay biến ủộng từ loại ủất nào sang loại ủất nàọ Nú cú thể ủược kết hợp với nhiều nguồn dữ liệu tham chiếu khỏc ủể phục vụ cú hiệu quả cho rất nhiều mục ủớch khỏc nhau như quản lý tài nguyờn, mụi trường, thống kờ, kiểm kờ ủất ủaị
Về cơ bản, bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất ủược thành lập trờn cơ sở hai bản ủồ hiện trạng sử dụng ủất tại hai thời ủiểm nghiờn cứu vỡ vậy ủộ chớnh xỏc của bản ủồ này phụ thuộc vào ủộ chớnh xỏc của cỏc bản ủồ hiện trạng sử dụng ủất tại hai thời ủiểm nghiờn cứụ
2.4.1.2 Cỏc phương phỏp thành lập bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất và biến ủộng lớp phủ bề mặt
Tiền ủề cơ bản ủể sử dụng dữ liệu viễn thỏm nghiờn cứu biến ủộng là những thay ủổi lớp phủ trờn bề mặt ủất phải ủưa ủến sự thay ủổi về giỏ trị bức
xạ và những sự thay ủổi về bức xạ do sự thay ủổi lớp phủ phải lớn hơn so với những thay ủổi về bức xạ gõy ra bởi cỏc yếu tố khỏc. Những yếu tố khỏc bao gồm sự khỏc biệt về ủiều kiện khớ quyển, sự khỏc biệt về gúc chiếu tia mặt trời, sự khỏc biệt về ủộ ẩm của ủất. Ảnh hưởng của cỏc yếu tố này cú thể ủược giảm từng phần bằng cỏch chọn dữ liệu thớch hợp.
Việc lựa chọn phương phỏp nghiờn cứu biến ủộng rất quan trọng. Trước tiờn, chỳng ta phải xỏc ủịnh ủược phương phỏp phõn loại ảnh ủược sử dụng. Sau ủú cần xỏc ủịnh rừ yờu cầu nghiờn cứu cú cần biết chớnh xỏc thụng tin về nguồn gốc của sự biến ủộng hay khụng. Từ ủú cú sự lựa chọn phương phỏp thớch hợp. Tuy nhiờn tất cả cỏc nghiờn cứu ủều cho thấy rằng, cỏc kết quả về biến ủộng ủều phải ủược thể hiện trờn bản ủồ biến ủộng và cỏc bảng tổng hợp. Cỏc phương phỏp nghiờn cứu biến ủộng khỏc nhau sẽ cho những bản ủồ biến ủộng khỏc nhaụ Cú nhiều phương phỏp nghiờn cứu biến ủộng thường ủược sử dụng. Dưới ủõy là một số phương phỏp ủược sử dụng rộng rói ủể nghiờn cứu biến ủộng và thành lập bản ủồ biến ủộng.
* Phương phỏp so sỏnh sau phõn loại
Bản chất của phương phỏp này là từ kết quả phõn loại ảnh ở hai thời ủiểm khỏc nhau ta thành lập ủược bản ủồ hiện trạng sử dụng ủất tại hai thời ủiểm ủú. Sau ủú chồng ghộp hai bản ủồ hiện trạng ủể xõy dựng bản ủồ biến ủộng. Cỏc bản ủồ hiện trạng sử dụng ủất cú thể thực hiện dưới dạng bản ủồ raster.
Phương phỏp so sỏnh sau phõn loại ủược sử dụng rộng rói nhất, ủơn giản, dễ hiểu và dễ thực hiện. Sau khi ảnh vệ tinh ủược nắn chỉnh hỡnh học sẽ tiến hành phõn loại ủộc lập ủể tạo thành hai bản ủồ. Hai bản ủồ này ủược so sỏnh bằng cỏch so sỏnh pixel tạo thành ma trận biến ủộng.
Ưu ủiểm của phương phỏp này cho biết sự thay ủổi từ loại ủất gỡ sang loại ủất gỡ và chỳng ta cũng cú thể sử dụng cỏc bản ủồ hiện trạng sử dụng ủất ủó ủược thành lập trước ủú.
Nhược ủiểm của phương phỏp này là phải phõn loại ủộc lập cỏc ảnh viễn thỏm nờn ủộ chớnh xỏc phụ thuộc vào ủộ chớnh xỏc của từng phộp phõn loại và thường ủộ chớnh xỏc khụng cao vỡ cỏc sai sút trong quỏ trỡnh phõn loại của từng ảnh vẫn ủược giữ nguyờn trong bản ủồ biến ủộng [2].
Hỡnh 2.11 Thành lập bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất bằng phương phỏp so sỏnh sau phõn loại
* Phương phỏp phõn loại trực tiếp ảnh ủa thời gian
Phương phỏp này thực chất là chồng xếp hai ảnh với nhau ủể tạo thành ảnh biến ủộng. Sau ủú dựa vào ảnh biến ủộng ta tiến hành phõn loại và thành lập bản ủồ (hỡnh 2.12).
Hỡnh 2.12 Thành lập bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất bằng phương phỏp phõn loại trực tiếp ảnh ủa thời gian
Ưu ủiểm của phương phỏp này là chỉ phải phõn loại một lần. Nhưng nhược ủiểm lớn nhất của nú là rất phức tạp trong lấy mẫu vỡ phải lấy tất cả cỏc mẫu biến ủộng và khụng biến ủộng. Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay ủổi theo thời gian (cỏc mựa trong năm) và ảnh hưởng của khớ quyển của cỏc ảnh ở cỏc
Ảnh 1 Ảnh 2 Phõn loại Phõn loại Bản ủồ hiện trạng 1 Bản ủồ hiện trạng 2 Bản ủồ biến ủộng Phõn loại Bản ủồ biến ủộng Kờnh 2 Kờnh 3 Kờnh 4 Kờnh 2 Kờnh 3 Kờnh 4 Ảnh thời ủiểm 1 Ảnh thời ủiểm 2 Ảnh biến ủộng
thời ủiểm khỏc nhau cũng khụng dễ ủược loại trừ, do ủú ảnh hưởng ủến ủộ chớnh xỏc của phương phỏp.
Thờm vào ủú bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất ủược thành lập theo phương phỏp này chỉ cho ta biết ủược chỗ biến ủộng và chỗ khụng biến ủộng chứ khụng cho biết ủược biến ủộng theo xu hướng nào [2].
* Phương phỏp phõn tớch vộctơ thay ủổi phổ
Khi ở trong khu vực nghiờn cứu cú biến ủộng xảy ra thỡ nú ủược thể hiện bằng sự khỏc biệt về phổ ở giữa hai thời ủiểm trước và sau biến ủộng. Giả sử xỏc ủịnh ủược giỏ trị phổ trờn hai kờnh x và y tại hai thời ủiểm trước và sau biến ủộng như trờn hỡnh 2.13.
Hỡnh 2.13 Vector thay ủổi phổ
Điểm 1 biểu thị giỏ trị phổ tại thời ủiểm trước khi xảy ra biến ủộng, ủiểm 2 biểu thị giỏ trị phổ tại thời ủiểm sau khi xảy ra biến ủộng. Khi ủú Vector 12
chớnh là Vector thay ủổi phổ, và ủược biểu thị bởi giỏ trị (khoảng cỏch từ 1 ủến 2) và hướng thay ủổi (gúc θ).
Giỏ trị của Vector thay ủổi phổ tớnh trờn toàn cảnh theo cụng thức: CMpixel = [ ]2 1 , , , , (1) (2) ∑ = − n k k j i k j i BV BV
Trong ủú: CMpixel là giỏ trị của Vector thay ủổi 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 ủộng.
Việc phõn tớch Vector thay ủổi ủược ghi lại thành hai tệp dữ liệu: một tệp chứa cỏc mó của khu vực, một tệp chứa ủộ lớn của cỏc Vector thay ủổi phổ. Thụng tin về sự thay ủổi ủược tạo ra từ hai tệp dữ liệu ủú và ủược thể hiện bằng màu sắc của cỏc pixel tương ứng với cỏc mó ủó quy ủịnh. Trờn ảnh ủa
θ
Kờnh y
Kờnh x 1
phổ thay ủổi này sẽ kết hợp cả hướng và giỏ trị của Vector thay ủổi phổ. Sự thay ủổi cú xảy ra hay khụng ủược quyết ủịnh bởi Vector thay ủổi phổ cú vượt ra khỏi ngưỡng quy ủịnh hay khụng. Giỏ trị ngưỡng ủược xỏc ủịnh từ kết quả thực nghiệm dựa vào cỏc mẫu biến ủộng và khụng biến ủộng.
Hỡnh 2.14 Thuật toỏn phõn tớch thay ủổi phổ
Trường hợp a, khụng xảy ra biến ủộng hoặc biến ủộng nhỏ vỡ Vector thay ủổi phổ khụng vượt khỏi giỏ trị ngưỡng, trường hợp b, c cú xảy ra biến ủộng và hướng của Vector thay ủổi phổ thể hiện tớnh chất của biến ủộng 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 ủoạn tăng trưởng của cõy trồng.
Sau ủú lớp thụng tin thể hiện sự thay ủổi hay khụng thay ủổi sẽ ủược ủặt lờn trờn tấm ảnh ủể thành lập bản ủồ biến ủộng.
Phương phỏp phõn tớch Vector thay ủổi phổ ủược ứng dụng hiệu quả trong nghiờn cứu biến ủộng rừng nhất là biến ủộng hệ sinh thỏi rừng ngập mặn. Nhưng nhược ủiểm của phương phỏp này là khú xỏc ủịnh ngưỡng của sự biến ủộng [2].
* Phương phỏp số học
Đõy là phương phỏp ủơn giản ủể xỏc ủịnh mức ủộ biến ủộng giữa hai thời ủiểm bằng cỏch sử dụng tỉ số giữa cỏc ảnh trờn cựng một kờnh hoặc sự khỏc nhau trờn cựng một kờnh của cỏc thời ủiểm ảnh.
Trước tiờn cỏc ảnh ủược nắn về cựng một hệ tọa ủộ. Sau ủú dựng phộp cỏc biến ủổi số học ủể tạo ra cỏc ảnh thay ủổị Phộp trừ và phộp chia số học
Kờnh y Kờnh x Thời ủiểm1 Thời ủiểm2 Ngưỡng Khụng thay ủổi
hoặc thay ủổinhỏ
Kờnh y Kờnh x Thời ủiểm1 Thời ủiểm2 Thay ủổi Kờnh y Kờnh x Thời ủiểm1 Thời ủiểm2 Thay ủổi ạ b. c.
ủược sử dụng trong trường hợp nàỵ
Nếu ảnh thay ủổi là kết quả của phộp trừ số học thỡ khi ủú giỏ trị ủộ xỏm của cỏc pixel trờn ảnh thay ủổi là một dóy số õm và dương. Cỏc kết quả õm và dương biểu thị mức ủộ biến ủổi của cỏc vựng, cũn giỏ trị 0 thể hiện sự khụng thay ủổị Với giỏ trị ủộ xỏm từ 0 ủến 255 thỡ giỏ trị pixel thay ủổi trong khoảng từ -255 ủến + 255. Thụng thường ủể trỏnh kết quả mang giỏ trị õm người ta cộng thờm một hằng số khụng ủổị
Cụng thức toỏn học ủể biểu diễn là Dijk = BVijk (1)- BVijk (2) + c Trong ủú:
Dijk: giỏ trị ủộ xỏm của pixel thay ủổi
BVijk (1): giỏ trị ủộ xỏm của ảnh thời ủiểm 1 BVijk (2): giỏ trị ủộ xỏm của ảnh thời ủiểm 2 c: là một 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 ủổi ủược tạo ra bằng cỏch tổ hợp giỏ trị ủộ xỏm theo luật phõn bố chuẩn Gauss. Vị trớ nào cú pixel khụng thay ủổi, ủộ xỏm biểu diễn xung quanh giỏ trị trung bỡnh, vị trớ cú pixel thay ủổi ủược biểu diễn ở phần biờn của ủường phõn bố.
Cũng tương tự như vậy, nếu ảnh thay ủổi ủược tạo ra từ phộp chia số học thỡ giỏ trị của cỏc pixel trờn ảnh là một tỷ số chứng tỏ ở ủú cú sự thay ủổi, nếu bằng 1 thỡ khụng cú sự thay ủổị
Giỏ trị giới hạn trờn ảnh thay ủổi (tạo ra bởi phộp trừ số học) và ảnh tỷ số kờnh sẽ quyết ủịnh ngưỡng giữa ranh giới sự thay ủổi-khụng thay ủổi, và ủược biểu thị bằng biểu ủồ ủộ xỏm của ảnh thay ủổị
Thụng thường ủộ lệch chuẩn sẽ ủược lựa chọn và kiểm tra theo kinh nghiệm. Nhưng ngược lại, hầu hết cỏc nhà phõn tớch ủều sử dụng phương phỏp thử nghiệm nhiều hơn phương phỏp kinh nghiệm. Giỏ trị ngưỡng của sự thay ủổi sẽ ủược xỏc ủịnh khi bắt gặp giỏ trị thay ủổi trờn thực tế.
chớ phải lựa chọn một số vựng biến ủộng và ghi lại ủể 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 ủể nghiờn cứu biến ủộng và thành lập bản ủồ biến ủộng hiệu quả [2].
* Phương phỏp sử dụng mạng nhị phõn
Đõy là một phương phỏp xỏc ủịnh biến ủộng rất hiệu quả. Đầu tiờn tiến hành lựa chọn ủể phõn tớch ảnh thứ nhất tại thời ủiểm n. Ảnh thứ 2 cú thể sớm hơn ảnh thứ nhất (n-1) hoặc muộn hơn (n+1). Cỏc ảnh ủều ủược nắn chỉnh về cựng một hệ tọa ủộ.
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 ủể tạo ra cỏc tệp dữ liệu mớị Cỏc tệp dữ liệu này sẽ ủược phõn tớch bằng cỏc phộp biến ủổi số học (như tỷ số kờnh, cỏc phộp cộng , trừ, nhõn, chia ủể tạo sự khỏc nhau của ảnh hoặc phương phỏp phõn tớch thành phần chớnh) ủể tớnh toỏn cỏc chỉ số và tạo ra một ảnh mớị
Sau ủú sử dụng kỹ thuật phõn ngưỡng ủể xỏc ủịnh cỏc vựng thay ủổi và khụng thay ủổi trờn ảnh mới này theo phương phỏp số học ủó trỡnh bày ở trờn. Ảnh thay ủổi sẽ ủược ghi lại trờn một tệp "mạng nhị phõn" chỉ cú hai giỏ trị "thay ủổi" và "khụng thay ủổi". Và phải hết sức cẩn thận trong việc thành lập mạng lưới nàỵ Sau ủú mạng nhị phõn này ủược chồng phủ lờn ảnh thứ hai ủể phõn tớch và chỉ ra cỏc pixel thay ủổị Khi ủú chỉ cú cỏc pixel ủược xỏc ủịnh là cú sự thay ủổi ủược phõn loại trờn ảnh thứ hai nàỵ Sau ủú, phương phỏp so sỏnh sau phõn loại truyền thống ủược ứng dụng ủể tỡm ra thụng tin về biến ủộng.
Ưu ủiểm của phương phỏp này là giảm ủược sai số xỏc ủịnh biến ủộng do bỏ sút hoặc cộng thờm vào và cung cấp cụ thể thụng tin về sự biến ủộng từ loại gỡ sang loại gỡ. Phương phỏp này cú thể phõn tớch ủược số lượng nhỏ cỏc vựng thay ủổi giữa hai thời ủiểm. Ở hầu hết cỏc vựng nghiờn cứu, trong giai ủoạn từ 1-5 năm thỡ diện tớch biến ủộng thường khụng lớn quỏ 10% diện tớch toàn bộ vựng nghiờn cứu, vỡ vậy phương phỏp này khỏ thớch hợp ủể thành lập bản ủồ những vựng cú biến ủộng nhỏ.
số bước thực hiện và kết quả cuối cựng phụ thuộc vào chất lượng của mạng nhị phõn ủó ủược sử dụng ủể phõn tớch. Tuy nhiờn ủể nghiờn cứu biến ủộng và thành lập bản ủồ biến ủộng thỡ ủõy là một phương phỏp rất hữu dụng [2].
Hỡnh 2.15 Thành lập bản ủồ biến ủộng sử dụng ủất bằng phương phỏp mạng nhị phõn
* Phương phỏp chồng xếp ảnh phõn loại lờn bản ủồ ủó cú