BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP H NI
----------------------------
lê thị thuỳ vân
ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để xác định
biến động đất đai trên địa bàn phường Vĩnh Trại,
thành phố Lạng Sơn giai đoạn 2003-2008
LUN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP
Chuyên ngành : QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI
Mã số
: 60.62.16
Người hướng dẫn khoa học : TS. NguyÔn thanh xu©n
HÀ NỘI - 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào.
Tơi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận
văn đã được cám ơn, các thơng tin trích dẫn đã chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 27 tháng 01 năm 2010
Tác giả luận văn
Lê Thị Thuỳ Vân
i
LI CM N
Để hoàn thành được bản luận văn này, tôi đà nhận được sự giúp đỡ tận
tình của TS. Nguyễn Thanh Xuân - Giám đốc Trung tâm Viễn thám - Viện
Quy hoạch và thiết kế Nông nghiệp, sự quan tâm tạo điều kiện của Trung tâm
viễn thám Quốc Gia, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Lạng Sơn, Phòng Tài
nguyên và Môi trường thành phố Lạng Sơn, Khoa Sau đại học, Ban chủ nhiệm
Khoa Tài nguyên và Môi trường, đà tạo điều kiện cho tôi học tập và giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Tôi xin gửi tới gia đình, bạn bè, những người thân và đồng nghiệp nơi tôi
đang công tác đà giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực
hiện đề tài.
Tự đáy lòng mình, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và quý
báu đó !
Hà Nội, ngày 27 tháng 01 năm 2010
Tác giả
Lê Thị Thuỳ V©n
ii
MỤC LỤC
Lời cam đoan
i
Lời cảm ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục bảng
v
Danh mục hình
vi
1.
MỞ ĐẦU
i
1.1.
Tính cấp thiết của đề tài
1
1.2.
Mục đích của đề tài
2
1.3.
Yêu cầu của đề tài
2
2.
TỔNG QUAN
3
2.1.
Công nghệ viễn thám
3
2.2.
Hệ thống thơng tin địa lý(GIS) và hệ thống định vị tồn cầu (GPS)
17
2.3.
Lịch sử hình thành và phát triển của cơng nghệ viễn thám.
27
2.4.
Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước.
32
2.5.
Khái quát chung về biến động
37
3.
ĐỐI TƯỢNG, ĐỊA ĐIỂM, NỘI DUNG VÀ
PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
44
3.1.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
44
3.2.
Nội dung nghiên cứu
44
3.3.
Phương pháp nghiên cứu
45
4.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
47
4.1.
Điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội
47
4.1.1. Điều kiện tự nhiên
47
4.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội
49
4.1.3. Tìm hiểu thực trạng cơng tác quản lý đất đai của phường từ
2003 -2008
52
iii
4.1.4. Tình hình sử dụng và phân bố đất đai của phường từ 2003 -2008.
4.2.
53
Trình tự, nội dung xử lý, phân tích ảnh viễn thám có độ phân giải
cao để lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất
55
4.2.1. Thu thập tư liệu
56
4.2.2. Nhập ảnh
57
4.2.3. Tăng cường chất lượng ảnh
57
4.2.4. Nắn chỉnh tư liệu ảnh
57
4.2.5. Phân loại ảnh
62
4.2.6. Giải đoán ảnh lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất
71
4.2.7. Lập bản đồ biến động sử dụng đất
72
5.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
lxxvii
5.1.
Kết luận
lxxvii
5.2.
Đề nghị
lxxvii
TÀI LIỆU THAM KHẢO
lxxix
Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC
iv
DANH MỤC BẢNG
STT
Tên bảng
Trang
2.1.
Bảng so sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám
12
2.2.
Bảng ma trận biến động giữa hai thời gian a và b
41
4.1.
Hiện trạng sử dụng đất năm 2008 của phường Vĩnh Trại
54
4.2.
Các điểm khống chế dùng nắn ảnh 2003
60
4.3.
Bảng sai số RMS sau khi nắn ảnh 2003Error! Bookmark not defined.
4.4.
Các điểm khống chế dùng nắn ảnh 2008
4.5.
Bảng sai số RMS sau khi nắn ảnh 2008Error! Bookmark not defined.
4.6.
Bảng xây dựng tệp mẫu ảnh năm 2003 Error! Bookmark not defined.
4.7.
Các loại hình sử dụng đất của phường Vĩnh Trại
63
4.8.
So sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại ảnh 2003
64
4.9.
Bảng xây dựng tệp mẫu ảnh năm 2008 Error! Bookmark not defined.
4.10.
So sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại ảnh 2008Error! Bookmark not defined.
4.11.
Mẫu khoá giải đoán ảnh vệ tinh
67
4.12.
Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2003
68
4.13.
Bảng đánh giá độ chính xác phân loại ảnh năm 2003
69
4.14.
Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2008
69
4.15.
Bảng đánh giá kết quả phân loại năm 2008
70
4.16.
Thống kê diện tích đất giải đốn năm 2003
72
4.17.
Thống kê diện tích đất giải đốn năm 2008
72
4.18.
Thống kê diện tích biến động giai đoạn 2003-2008Error! Bookmark not defined.
4.19.
Biến động sử dụng đất giai đoạn 2003-2008 phường Vĩnh Trại
73
4.20.
Diện tích biến động từng loại đất giai đoạn 2003 - 2008
73
4.21.
So sánh sự thay đổi diện tích các loại đất từ 2003-2008
74
v
60
DANH MỤC HÌNH
STT
Tên hình
Trang
2.1.
Ngun lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám
4
2.2.
Nguồn dữ liệu viễn thám
5
2.3.
Nghiên cứu núi lửa
2.4.
Nghiên cứu địa chất
13
2.5.
Nghiên cứu sóng thần
14
2.6.
Nghiên cứu bão nhiệt đới Choi-Wan Error! Bookmark not defined.
2.7.
Biến động tầng ô zôn
Error! Bookmark not defined.
2.8.
Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt
Error! Bookmark not defined.
2.9.
Theo dõi nạn phá rừng nhiệt đới
Error! Bookmark not defined.
15
2.10. Ứng dụng ảnh viễn thám trong thành lập bản đồError! Bookmark not defined.
2.11.
Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhauError! Bookmark n
2.12. Thành phần chính của một hệ GIS
19
2.13.
21
Hệ thống định vị tồn cầu (GPS)
2.14. Trạm thu ảnh vệ tinh&Trung tâm Quản lý Dữ liệu quốc gia.
35
2.15. Bản đồ ngập lụt tỷ lệ 1/100.000 thu nhỏ (Huế)
37
2.16. Phương pháp phân loại dữ liệu đa thời gian
39
2.17. Phương pháp đánh giá biến động tạo thay đổi phổ
40
2.18. Chỉ số thực vật qua hai mùa khác nhau trong năm
41
2.19. Phương pháp đánh giá biến động sau phân loại
42
4.1.
Cơ cấu sử dụng đất năm 2008 của phường Vĩnh Trại
55
4.2.
Trình tự giải đốn ảnh viễn thám bằng cơng nghệ số
56
4.3.
Tư liệu ảnh viễn thám
57
4.4.
Ảnh tước khi được nắn
4.5.
Bản đồ địa hình của phường Vĩnh Trại trên phần mềm MapInfo
59
4.6.
Thực hiện nắn ảnh theo bản đồ trên ENVI
59
Error! Bookmark not defined.
vi
4.7.
Lựa chọn thông số để nắn ảnh trên ENVIError! Bookmark not defined.
4.8.
Bảng nhập toạ độ các điểm khống chế để nắn ảnh
4.9.
Lựa chọn phương pháp tái chia mẫu
60
Error! Bookmark not defined.
4.10. Ảnh được cắt theo ranh giới phường Vĩnh TrạiError! Bookmark not defined.
4.11. Ảnh tham chiếu và ảnh cần nắn
Error! Bookmark not defined.
4.12. Lựa chọn phương pháp nắn ảnh theo ảnhError! Bookmark not defined.
4.13. Bảng nhập toạ độ các điểm khống chế để nắn ảnhError! Bookmark not defined.
4.14. Vị trí các điểm khống chế trên ảnh
Error! Bookmark not defined.
4.15. Ảnh được cắt theo ranh giới phường Vĩnh Trại năm 2008
62
4.16. Xây dựng tệp mẫu cho ảnh
Error! Bookmark not defined.
4.17. Lấy mẫu đất mặt nước
Error! Bookmark not defined.
4.18. Lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất Error! Bookmark not defined.
4.19. Kết quả lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất năm 2003Error! Bookmark not define
4.20. Quá trình lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất năm 2008Error! Bookmark not defin
4.21. Kết quả lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất năm 2008Error! Bookmark not define
4.22. Lựa chọn phương pháp phân loại
Error! Bookmark not defined.
4.23. Kết quả phân loại ảnh 2003
Error! Bookmark not defined.
4.24. Kết quả xử lý lọc nhiễu phân loại ảnh 2003Error! Bookmark not defined.
4.25. Ảnh 2003 sau khi phân loại và lọc nhiễu chuyển sang vectorError! Bookmark not de
4.26. Ảnh 2003 dạng vector xuất sang ArcViewError! Bookmark not defined.
4.27. Kết quả phân loại và xử lý lọc nhiễu phân loại ảnh 2008Error! Bookmark not define
4.28. Ảnh 2008 sau khi phân loại và lọc nhiễu chuyển sang vectorError! Bookmark not de
4.29. Ảnh 2008 dạng vector xuất sang ArcViewError! Bookmark not defined.
4.30. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2003 thành lập trên ArcViewError! Bookmark not de
4.31. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2008 thành lập trên ArcView
72
4.32. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2008 thành lập trên ArcViewError! Bookmark not de
4.33. Sự biến động các loại đất giai đoạn 2003 -2008
vii
75
1. MỞ ĐẦU
1.1
Tính cấp thiết của đề tài
Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá đối với mỗi quốc gia bởi nó là tư
liệu sản xuất đặc biệt, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường
sống, là địa bàn phân bố của các khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn
hoá, xã hội, an ninh và quốc phòng. Trong xã hội hiện nay dưới sức ép của gia
tăng dân số thì đất đai đã trở thành vấn đề sống còn của mỗi quốc gia, mỗi
dân tộc và việc xác định biến động đất đai càng trở nên cấp thiết nhằm sử
dụng đất hợp lý, tiết kiệm và có hiệu quả.
Cơng nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã
đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến, được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt là ứng dụng có hiệu quả cơng nghệ viễn thám
vào điều tra, nghiên cứu, khai thác, sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên
trong đó có tài nguyên đất. Với khả năng cung cấp thông tin đa dạng và cập
nhật của cơng nghệ viễn thám, khả năng tích hợp, phân tích thơng tin của GIS
kết hợp với phương pháp truyền thống thì việc nghiên cứu thành lập bản đồ
hiện trạng sử dụng đất, bản đồ biến động sử dụng đất sẽ đạt hiệu quả cao hơn.
Bên cạnh việc phát triển kinh tế, gia tăng dân số là sự diễn ra nhanh
chóng của q trình cơng nghiệp hố và đơ thị hố. Q trình này kéo theo
hàng loạt các biến động về quỹ đất và tình hình sử dụng đất (giảm diện tích
sản xuất nơng nghiệp, đất đơ thị ngày càng tăng lên..). Trong tình hình chung
đó, thành phố Lạng Sơn đã và đang diễn ra sự biến đổi nhanh chóng trong q
trình sử dụng đất đặc biệt từ khi thị xã Lạng Sơn được công nhận là thành phố
vào năm 2003. Từ đó dẫn tới sự biến đổi hàng loạt theo cả chiều hướng tích
cực lẫn tiêu cực đến các vấn đề môi trường tự nhiên và môi trường xã hội.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như tính cấp bách của việc xác định
biến động đất đai trên địa bàn thành phố Lạng Sơn, được sự đồng ý của Khoa
1
Tài nguyên và Môi trường, Khoa Sau đại học - trường Đại học Nông Nghiệp
Hà Nội, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để xác định biến động đất đai
trên địa bàn phường Vĩnh Trại, thành phố Lạng Sơn giai đoạn 2003-2008”.
1.2
Mục đích của đề tài
- Tìm hiểu cơng nghệ viễn thám và ứng dụng của nó, trọng tâm trong
nghiên cứu biến động sử dụng đất.
- Thành lập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ biến động sử
dụng đất qua hai thời điểm bay chụp dựa trên công nghệ viễn thám kết hợp
với GIS.
- Đánh giá tình hình biến động đất đai trên địa bàn phường giai đoạn
2003-2008.
1.3
Yêu cầu của đề tài
- Nắm vững cơng nghệ giải đốn ảnh viễn thám.
- Nắm được tình hình quản lý và sử dụng đất đai trên địa bàn phường từ
2003 - 2008.
- Các số liệu điều tra, thu thập chính xác, đầy đủ và phản ánh trung
thực, khách quan.
2
2. TỔNG QUAN
2.1
Công nghệ viễn thám
2.1.1 Khái niệm chung về công nghệ viễn thám
2.1.1.1 Định nghĩa
Viễn thám (Remote sensing) là một khoa học và cơng nghệ mà nhờ nó
các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà
khơng cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Hay hiểu đơn giản viễn thám là thăm
dò từ xa về một đối tượng mà khơng có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng
hoặc hiện tượng đó.
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám như:
Theo Ficher và nnk,1976: Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít
nhiều về một vật khơng cần phải chạm vào vật đó.
Theo Barret và Curtis, 1976: Viễn thám là quan sát về một đối tượng
bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định.
Theo Floy Sabin 1987: Phương pháp viễn thám là phương pháp sử
dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương
tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng…
Tuy nhiên, mọi định nghĩa đều có nét chung và nhấn mạnh rằng viễn
thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng
trên trái đất.
Về bản chất viễn thám là công nghệ nhằm xác định và nhận biết các đối
tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua các đặc trưng riêng về phản
xạ hoặc bức xạ điện từ [10]. Tuy nhiên những năng lượng như từ trường,
trọng trường cũng có thể được sử dụng.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ đối
tượng được gọi là bộ cảm còn phương tiện dùng để mang các bộ cảm được
gọi là “vật mang”. Vật mang có thể là khinh khí cầu, máy bay hoặc vệ tinh.
3
2.1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đốn và tách lọc thơng tin
bằng giải đốn tư liệu ảnh hàng khơng hoặc ảnh vệ tinh dạng số.
Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc
ghi nhận năng lượng bức xạ và sóng phản hồi phát ra từ vật thể khi khảo sát.
Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau,
cùng cho thơng tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đốn đối
tượng một cách chính xác hơn [11].
Mặt trời
Vệ tinh
Bức xạ mặt trời
Hấp thụ
mặt trời
Khí quyển
Rừng
Nước
Cỏ
Đất
Đường
Nhà
Hình 2.1. Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám
Giải đốn, tách lọc thơng tin từ dữ liệu ảnh viễn thám được thực hiện
dựa trên các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là:
- Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ
nhìn thấy đến cận hồng ngoại.
- Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các
độ cao khác nhau, như ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ
máy bay đến các vệ tinh.
4
Hình 2.2. Nguồn dữ liệu viễn thám
- Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau.
- Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không
gian, phổ và thời gian.
- Đa phương pháp: Phân tích ảnh bằng phương pháp số hoặc bằng mắt.
2.1.1.3 Vấn đề thu nhận và phân tích tư liệu viễn thám
Năng lượng điện từ của ánh sáng sau khi truyền qua các cửa sổ khí
quyển tương tác với các đối tượng trên bề mặt Trái đất và phản xạ lại để các
thiết bị thu của viễn thám có thể ghi nhận các tín hiệu đó. Q trình này thực
hiện qua 3 bước chính sau đây:
- Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bước rất quan trọng, bao
gồm phát hiện về dải sóng, về cường độ và tính chất khác của nguồn năng
lượng điện từ.
- Ghi tín hiệu: Các tín hiệu phát hiện được có thể ghi dưới dạng hình
ảnh hoặc các tín hiệu điện từ. Khi xử lý các tín hiệu dạng hình ảnh, một số
kiểu phim ảnh có phủ các lớp nhạy cảm ánh sáng để phát hiện sự khác nhau
của nguồn năng lượng điện từ tạo nên hình ảnh khơng gian, cung cấp nhiều
chi tiết trong khơng gian và có thể hiệu chỉnh hình học dễ dàng. Năng lượng
điện từ có thể được ghi dưới dạng các tín hiệu, biểu đồ phổ hoặc dưới dạng
hình ảnh số. Các tín hiệu điện từ có thể ghi nhận ở dạng phim, băng từ hoặc
đĩa từ và có thể hiển thị dễ dàng.
5
- Phân tích các tín hiệu phổ: Có thể được thực hiện bằng hai phương
pháp là phân tích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính.
2.1.2 Phương pháp xử lý thơng tin viễn thám
2.1.2.1 Khái niệm giải đốn ảnh viễn thám
Giải đốn ảnh viễn thám là q trình chiết tách thơng tin định tính cũng
như định lượng từ ảnh như hình dạng, vị trí, cấu trúc, đặc điểm, chất lượng,
điều kiện…Mối quan hệ tương hỗ giữa các đối tượng dựa trên tri thức chuyên
ngành hoặc kinh nghiệm của người giải đốn ảnh. Việc tách thơng tin trong
viễn thám có thể chia thành 5 loại, cụ thể:
- Phân loại đa phổ: là q trình tách gộp thơng tin dựa trên các tính chất
phổ, khơng gian và thời gian của đối tượng.
- Phát hiện biến động: là phát hiện và tách các biến động dựa trên tư
liệu ảnh đa thời gian (ví dụ: xác định biến động thổ nhưỡng).
- Chiết tách các thông tin tự nhiên: tương ứng với việc đo nhiệt độ,
trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ.
- Xác định các chỉ số: là việc tính tốn các chỉ số mới (ví dụ: chỉ số
thực vật, chỉ số ô nhiễm).
- Xác định các đối tượng đặc biệt: là xác định các đặc tính hoặc các
hiện tượng đặc biệt như thiên tai, cháy rừng, chỉ ra các đường đứt gãy, đặc
điểm khảo cổ…
2.1.2.2 Giải đốn ảnh bằng mắt
Phân tích bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh. Phân
tích ảnh bằng mắt có sự kết hợp nhuần nhuyễn các kiến thức chun mơn của
người phân tích để từ đó khai thác được các thơng tin có trong tư liệu ảnh. Do
đó kết quả giải đốn phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích.
Hạn chế của giải đốn bằng mắt là không nhận biết được hết các đặc tính phổ
của đối tượng, nguyên nhân do khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của
mắt người hạn chế tối đa là 12-14 mức.
6
Đốn đọc bằng mắt là sử dụng mắt thường có sự trợ giúp của các dụng
cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu…Cơ sở để đoán đọc
là các chuẩn đoán đọc vẽ và mẫu đoán đọc.
Các chuẩn đốn đọc bao gồm [13]:
Chuẩn kích thước: Kích thước của một đối tượng được xác định theo tỷ
lệ ảnh và kích thước đo được trên ảnh. Dựa vào thơng tin này cũng có thể
phân biệt được các đối tượng trên ảnh.
Chuẩn hình dạng: Hình dạng là những đặc trưng bên ngồi tiêu biểu
cho từng đối tượng vì vậy nó có ý nghĩa quan trọng trong đốn đọc. Ví dụ hồ
hình móng ngựa là các khúc sơng cụt, dạng chổi sáng màu là các cồn cát…
Chuẩn bóng: Bóng của vật thể có thể dễ dàng nhận thấy khi khi nguồn
sáng khơng nằm chính xác ở đỉnh đầu hoặc trường hợp chụp ảnh xiên. Dựa
vào bóng của vật thể có thể xác định được chiều cao của đối tượng.
Chuẩn độ đen: Độ đen là một chuẩn quan trọng để xác định tính chất
của đối tượng. Cát khơ phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng có màu
trắng, trong khi đó cát ướt có màu tối hơn trên ảnh đen trắng. Trên ảnh hồng
ngoại đen trắng, cây lá nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên có màu trắng
cịn nước lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong dải sóng này nên bao giờ cũng có
màu đen.
Chuẩn màu sắc: Màu sắc giúp cho người đoán đọc dễ dàng xác định
được các đối tượng trên ảnh là thực vật, nước, đất trống, đất đơ thị, hoặc xác
định được ngay đó là kiểu lồi thực vật gì.
Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc là tập hợp của nhiều đặc tính rất rõ ràng trên
ảnh, ví dụ một bãi cỏ khơng bị lẫn các loài cây khác cho một cấu trúc mịn trên
ảnh, ngược lại rừng hỗn giao cho một cấu trúc sần sùi
Chuẩn phân bố: Là tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo một
quy luật nhất định trên toàn cảnh và trong mối quan hệ tương hỗ với đối
tượng cần nghiên cứu. Hình ảnh của các dãy nhà, ruộng lúa nước, đồi chè tạo
7
ra những hình mẫu riêng đặc trưng cho các đối tượng.
Chuẩn mối quan hệ tương hỗ: Một tổng thể các chuẩn đốn đọc, mơi
trường xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tượng cung cấp thơng tin
đốn đọc quan trọng.
Để trợ giúp cho cơng tác đốn đọc người ta thành lập các mẫu đoán
đọc. Tất cả các chuẩn đoán đọc cùng với các thông tin về thời gian chụp, mùa
chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào mẫu đoán đọc. Một bộ mẫu đốn đọc khơng
chỉ gồm phần ảnh mà cịn mơ tả bằng lời.
2.1.2.3 Giải đốn ảnh bằng công nghệ số
Xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh
số (digital image) chứ không phải dạng ảnh tương tự (analogue). Ưu điểm của
phương pháp là có thể phân tích các tín hiệu phổ một cách rất chi tiết (256
mức hoặc hơn). Phương pháp với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm
chun dụng có thể tách chiết rất nhiều thơng tin phổ của đối tượng, từ đó
nhận biết các đối tượng một cách tự động [11]. Tuy nhiên, quá trình xử lý ảnh
số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn kiến thức chuyên môn với hiểu biết về đối
tượng của người phân tích.
Các tư liệu thu được trong viễn thám phần lớn là ở dưới dạng số cho
nên vấn đề đoán đọc điều vẽ ảnh bằng xử lý số trong viễn thám giữ một vai
trò quan trọng và trở thành phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại.
Phương pháp giải đốn ảnh bằng cơng nghệ số bao gồm các bước sau:
- Nhập số liệu: Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các
máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp. Trong trường
hợp ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao
HDDT và các băng từ CCT. Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu.
Các ảnh tương tự cũng được chuyển thành dạng số thông qua các máy quét.
- Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số
được hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được.
8
Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các Trung
tâm thu số liệu vệ tinh. Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh
hệ thống, nó bao gồm các bước sau [12]:
+ Hiệu chỉnh bức xạ: Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu
một mức độ nhiễu xạ nhất định. Nhằm loại trừ các nhiễu kiểu này cần phải
thực hiện một số phép tiền xử lý. Khi thu các bức xạ từ mặt đất trên các vật
mang trong vũ trụ, người ta thấy chúng có một số sự khác biệt so với trường
hợp quan sát cùng đối tượng đó ở khoảng cách gần. Điều này chứng tỏ ở
những khoảng cách xa như vậy tồn tại một lượng nhiễu nhất định gây bởi
ảnh hưởng của góc nghiêng và độ cao mặt trời, một số điều kiện quang học
khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, độ mù...Chính vì vậy, để bảo đảm được
sự tương đồng nhất định về mặt bức xạ cần thiết phải thực hiện việc hiệu
chỉnh bức xạ.
+ Hiệu chỉnh khí quyển: Bức xạ mặt trời trên đường truyền xuống mặt
đất bị hấp thụ, tán xạ một lượng nhất định trước khi tới được mặt đất và bức
xạ phản xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới được bộ cảm.
Do vậy, bức xạ mà bộ cảm thu được chứa đựng không phải chỉ riêng năng
lượng hữu ích mà cịn nhiều thành phần nhiễu khác. Hiệu chỉnh khí quyển là
một cơng đoạn tiền xử lý nhằm loại trừ những thành phần bức xạ khơng mang
thơng tin hữu ích.
+ Hiệu chỉnh hình học: Méo hình hình học được hiểu như sự sai lệch vị
trí giữa tọa độ ảnh thực tế đo được và tọa độ ảnh lý tưởng được tạo bởi một
bộ cảm có thiết kế hình học lý tưởng và trong các điều kiện thu nhận lý tưởng.
Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng được mối tương quan giữa hệ
toạ độ ảnh đo và hệ toạ độ quy chiếu chuẩn. Hệ toạ độ quy chiếu chuẩn có thể
là hệ toạ độ mặt đất (hệ tọa độ vng góc hoặc hệ tọa độ địa lý) hoặc hệ toạ
độ ảnh khác.
9
- Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý, tăng cường chất lượng, biến đổi
tuyến tính...là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy
tính nhỏ và bao gồm các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến
đổi tuyến tính.
+ Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách đặc tính
Tăng cường chất lượng có thể được định nghĩa như một thao tác
chuyển đổi nhằm thể hiện ảnh với cường độ, độ tương phản phù hợp với thiết
bị hiển thị ảnh. Chiết tách đặc tính là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp
các thơng tin có sẵn trong ảnh theo các u cầu hoặc chỉ tiêu đưa ra dưới dạng
các hàm số.
Những phép tăng cường chất lượng cơ bản thường được sử dụng là
biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, tổ hợp màu, chuyển đổi màu giữa
hai hệ RGB và HSI...
Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, một trong những ưu điểm của
phương pháp xử lý ảnh số là có thể chọn các tổ hợp màu tuỳ ý. Tổ hợp màu
có nghĩa là gán 3 màu cơ bản đỏ, lục, chàm cho ba kênh phổ nào đó [3]. Có
hai phương pháp trộn màu đó là cộng màu và trừ màu.
Nếu ta chia tồn bộ dải sóng nhìn thấy thành 3 vùng cơ bản là đỏ, lục,
chàm và sau đó lại dùng ánh sáng trắng chiếu qua kính lọc đỏ, lục, chàm
tương ứng ta thấy hầu hết các mầu tự nhiên đều được khôi phục lại. Phương
pháp tổ hợp màu này được gọi là tổ hợp mầu tự nhiên.
Trong viễn thám, các kênh phổ khơng được chia đều trong dải sóng
nhìn thấy nên không thể tái tạo lại được các mầu tự nhiên mặc dù cũng sử
dụng ba mầu cơ bản đỏ, lục, chàm. Tổ hợp màu như vậy gọi là tổ hợp màu
giả. Tổ hợp mầu giả thông dụng nhất trong viễn thám là khi ta gán màu đỏ
cho kênh hồng ngoại, màu lục cho kênh đỏ, màu chàm cho kênh lục. Trong tổ
10
hợp màu này, thực vật có màu đỏ (với mức độ khác nhau của mầu đỏ thể hiện
mức độ dày đặc của thảm thực vật), đất trống thường có cường độ rất cao nên
có màu trắng, nước có màu xanh là tổ hợp của hai màu chàm và màu lục.
- Phân loại đa phổ: Nhằm tách các thông tin cần thiết phục vụ theo dõi
các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác
tư liệu viễn thám.
Mục đích của q trình phân loại là tự động phân loại tất cả các pixel
trong ảnh thành các lớp phủ đối tượng. Có hai phương pháp phân loại cơ bản
là phân loại không kiểm định và phân loại có kiểm định.
+ Phân loại có kiểm định: Được dùng để phân loại các đối tượng theo yêu
cầu của người sử dụng. Trong phân loại có kiểm định người giải đốn kiểm tra
q trình phân loại pixel bằng việc quy định cụ thể theo thuật tốn máy tính các
mô tả bằng số các loại lớp phủ mặt đất gọi là dữ liệu mẫu. Để có kết quả phân
loại chính xác, dữ liệu mẫu cần phải vừa đặc trưng vừa đầy đủ. Việc phân loại
thường dùng ba thuật toán: thuật toán phân loại theo xác suất cực đại, thuật toán
phân loại theo khoảng cách ngắn nhất, thuật toán phân loại hình hộp.
+ Trong phân loại khơng kiểm định khơng sử dụng dữ liệu mẫu làm cơ
sở để phân loại mà dùng các thuật toán để xem xét các pixel chưa biết trên
một ảnh và kết hợp chúng thành một số loại dựa trên các nhóm tự nhiên hoặc
các loại tự nhiên có trên ảnh.
- Xuất kết quả: Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả. Ở
đây, ranh giới giữa viễn thám, bản đồ máy tính, làm bản đồ số và hệ thống
thơng tin địa lý bị xố nhồ. Có thể lựa chọn một cách không hạn chế các sản
phẩm đầu ra. Ba dạng tổng quát thường được sử dụng: các sản phẩm bản đồ
đồ hoạ, các dữ liệu đưa ra bằng bảng, các file thông tin bằng số.
11
2.1.2.4 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám
Bảng 2.1. Bảng so sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám
Phương pháp
Ưu điểm
Nhược điểm
- Sử dụng kinh nghiệm của - Tốn thời gian.
Giải đoán bằng người điều vẽ.
- Địi hỏi người có hiểu biết,
mắt
- Có sự hiểu biết về ảnh phức kinh nghiệm để điều vẽ.
hợp tốt hơn.
- Kết quả thu được khơng
- Có thể phân tích được các thông đồng nhất.
tin phân bố không gian.
- Thời gian xử lý ngắn.
- Kết quả xử lý được chuẩn hoá.
Giải đốn bằng - Chiết xuất được các đặc tính
cơng nghệ số vật lý.
- Năng suất cao, có thể đo được
các chỉ số đặc trưng tự nhiên.
- Rất khó ứng dụng kinh
nghiệm của người điều vẽ.
- Chiết xuất ít thơng tin về bối
cảnh.
- Kết quả phân tích các thơng
tin kém.
2.1.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám
Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã
đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội, đặc biệt có hiệu quả cao trong ứng dụng
đối với lĩnh vực khí tượng thuỷ văn và tài nguyên môi trường ở nhiều nước
trên thế giới [2]. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều
tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và mơi
trường ngày càng gia tăng nhanh chóng khơng những đối với các nước phát
triển có trình độ khoa học tiên tiến mà còn đối với các nước nền kinh tế đang
phát triển. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa
học và các nhà hoạch định chính sách lựa chọn các phương án có tính chiến
lược về sử dụng và quản lý tài ngun thiên nhiên, mơi trường. Do đó viễn
thám trở thành cơng nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Một số ứng dụng của
công nghệ này được kể đến như:
12
2.1.3.1 Nghiên cứu địa chất
Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đốn các thơng tin địa chất.
Dữ liệu viễn thám được dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay, ảnh vệ tinh
và ảnh radar. Tổ hợp dữ liệu viễn thám với dữ liệu địa lý sẽ làm giàu thêm
khả năng nghiên cứu các thông tin địa chất cần quan tâm [11].
- Ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: Các dạng địa hình được thể hiện rất
rõ trên ảnh viễn thám và được giải đoán một cách chính xác như: địa hình kiến
tạo, địa hình sơng suối, núi lửa, địa hình thành tạo do cát, thành tạo do băng...
Cấu trúc địa chất: Mục đích chính của việc áp dụng kỹ thuật viễn thám
trong địa chất là phát hiện, xác định và lập bản đồ các yếu tố trên bề mặt hoặc
gần bề mặt của vỏ trái đất dựa trên các ưu điểm của tư liệu viễn thám như tính
tổng quan khu vực, tính đa phổ...Các tư liệu viễn thám được giải đốn nhằm
khai thác các thơng tin về các hệ thống cấu trúc, các yếu tố địa hình địa mạo,
các hệ thống thuỷ văn như: giải đốn các bề mặt và độ dốc của trầm tích, các
yếu tố uốn nếp, đứt gãy, các cấu trúc vịng...
Hình 2.4. Nghiên cứu địa chất
- Ứng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu.
- Điều tra khảo sát nước ngầm, điều tra địa chất cơng trình...
2.1.3.2 Nghiên cứu mơi trường
Viễn thám là phương tiện hữu hiệu để nghiên cứu môi trường và sự
biến đổi môi trường bao gồm: điều tra về sự biến đổi sử dụng đất và lớp
phủ; vẽ bản đồ thực vật; nghiên cứu các quá trình sa mạc hoá và phá rừng;
giám sát thiên tai (hạn hán, cháy rừng, bão, mưa đá...); nghiên cứu ô nhiễm
nước và không khí; nghiên cứu mơi trường biển (đo nhiệt độ, màu nước
biển, gió sóng)...
Những năm gần đây việc ứng dụng cơng nghệ viễn thám trong nghiên
cứu mơi trường tồn cầu cũng như môi trường khu vực, các thảm hoạ thiên tai
13
như lũ lụt, cháy rừng, hiệu ứng nhà kính...đã trở nên phổ biến và có hiệu quả
cao. Trong nghiên cứu các thảm hoạ do lụt lội gây ra đã có nhiều cơng trình
được cơng bố, đặc biệt từ năm 1997 trở lại đây. Các nghiên cứu chỉ ra, để
thành lập bản đồ sâu ngập lụt và tần số xuất hiện ngập lụt, việc tích hợp thơng
tin từ các bản đồ lớp phủ đất, bản đồ địa chất, bản đồ hệ thống thoát nước và
bản đồ địa văn là tổ hợp tốt nhất.
Hình 2.5. Nghiên cứu sóng thần
2.1.3.3 Phân loại lớp phủ bề mặt, phát hiện biến động lớp phủ bề mặt
Lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt là một trong những ứng dụng
quan trọng nhất và tiêu biểu nhất của viễn thám. Lớp phủ bề mặt phản ánh các
điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt trái đất (ví dụ: đất có rừng, trảng
cỏ, xa mạc...).
Trong việc hiệu chỉnh bản đồ lớp phủ bề mặt, theo dõi quản lý tài
nguyên thiên nhiên việc phát hiện các biến động của lớp phủ bề mặt là rất cần
thiết và quan trọng. Sự biến động thông thường được phát hiện trên cơ sở so
sánh tư liệu viễn thám đa thời gian hoặc giữa bản đồ cũ và bản đồ mới được
hiệu chỉnh theo tư liệu viễn thám. Có hai phương pháp phát hiện biến động là:
- So sánh hai bản đồ lớp phủ bề mặt được thành lập độc lập với nhau.
- Nhấn mạnh các biến động trên cơ sở áp dụng phương pháp tổ hợp
màu hoặc phương pháp phân tích thành phần chính.
Các biến động có thể chia thành biến động theo mùa và biến động hàng
năm. Thông thường hai loại biến động này pha trộn với nhau rất phức tạp
trong khuôn khổ một bức ảnh, do vậy người giải đoán cần sử dụng các tư liệu
cùng thời gian, cùng mùa trong năm để phát hiện đúng các biến động [12].
2.1.3.4 Nghiên cứu khí hậu
Nghiên cứu đặc điểm tầng ozon, mây, mưa, nhiệt độ quyển khí, dự báo
bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tượng.
Đánh giá nhiệt độ bề mặt đất từ số liệu viễn thám là vấn đề tổng hợp
14
của việc tính tốn các thành phần của năng lượng và bốc thốt hơi. Đo nhiệt
độ bề mặt có ý nghĩa quan trọng trong giám sát cháy rừng.
2.1.3.5 Nghiên cứu thực vật, rừng
Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn cầu nghiên cứu thực phủ theo
ngày, vụ, mùa vụ, năm, tháng và theo giai đoạn; Điều tra phân loại rừng, diễn
biến của rừng; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng...Thực vật
là đối tượng đầu tiên mà ảnh viễn thám vệ tinh thu nhận được thông tin. Trên
ảnh viễn thám chúng ta có thể tính tốn sinh khối, độ trưởng thành và sâu
bệnh dựa trên chỉ số thực vật, nghiên cứu cháy rừng qua ảnh vệ tinh.
Hình 2.9. Theo dõi nạn phá rừng nhiệt đới
2.1.3.6 Nghiên cứu thuỷ văn
Mặt nước và các hệ thống dòng chảy được hiển thị rất rõ trên ảnh vệ
tinh. Dữ liệu vệ tinh được ghi nhận trong mùa lũ, là dữ liệu được sử dụng để
tính tốn diện tích thiên tai và dự báo lũ lụt. Công nghệ viễn thám được sử
dụng để lập bản đồ phân bố tài nguyên nước, bản đồ phân bố tuyết, bản đồ
phân bố mạng lưới thuỷ văn...
2.1.3.7 Sử dụng tư liệu viễn thám để thành lập bản đồ
Các con tàu vũ trụ đầu tiên như Mercury, Gemini, Apollo đã cho chúng
ta toàn cảnh bề mặt trái đất. Các kết quả thực nghiệm ban đầu từ các tư liệu
15
ảnh thu nhận trên các con tàu trên đã chỉ ra rằng: có thể sử dụng các tư liệu
ảnh thu nhận bề mặt trái đất từ các con tàu vũ trụ này để thành lập bản đồ tỷ lệ
1/250.000 và nhỏ hơn [12]. Tuy nhiên, độ phân giải của chúng không thoả
mãn một số yêu cầu của nội dung bản đồ chi tiết như thể hiện chính xác con
đường, các khu đô thị và vẽ cấu trúc nhân tạo ở trong đó. Từ năm 1980, các
hệ thống Sensors được nghiên cứu và cải tiến với tốc độ nhanh, tốc độ phân
giải từ 80m/pixel của ảnh Landsat tới 6m. Điều này có tác động lớn đến khả
năng sử dụng các tấm ảnh chụp từ vũ trụ cho công tác thành lập bản đồ. Một
số khả năng sử dụng các tư liệu ảnh vệ tinh phổ biến trong công tác thành lập
bản đồ như:
- Tư liệu ảnh Landsat MSS: được sử dụng để tạo ra các sản phẩm bản
đồ ảnh, một số loại bản đồ chuyên đề, cập nhật và hiệu chỉnh các loại bản đồ
cảnh quan, bản đồ bay, bản đồ địa hình và đồng thời biên vẽ lược đồ nơng sâu
của biển bởi vì vệ tinh Landsat có thể cung cấp lượng thông tin vô cùng
phong phú bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắn. Tư liệu MSS trở thành
nguồn dữ liệu mới cho các mục đích thành lập bản đồ [17].
- Tư liệu ảnh Landsat TM, Spot và Mapsat:
+ Ảnh Landsat TM có độ phân giải cao, độ chính xác mặt bằng hình
ảnh sau khi xử lý có thể đáp ứng công tác thành lập hoặc hiệu chỉnh bản đồ tỷ
lệ 1/25.000 đến 1/50.000.
+ Ảnh Spot có thể sử dụng để thành lập các loại bản đồ tỷ lệ đến
1/25.000 với khoảng cao đều 20-25m.
+ Ảnh đa phổ Mapsat của Mỹ: có thể dùng để thành lập bản đồ tỷ lệ
1/50.000 (mơ hình số độ cao) với khoảng cao đều 20m. Độ phân giải mặt đất
là 10m đối với ảnh toàn sắc và 30m đối với ảnh đa phổ.
+ Ảnh Radar: có khả năng thể hiện các thơng tin về địa hình, địa chất,
thực vật và lớp đất mỏng. Ở những vùng khơ, radar có thể xun qua bề mặt
trái đất đến một độ sâu nào đó. Điều này rất quan trọng cho việc nghiên cứu
16
nước ngầm và mỏ. Tư liệu ảnh này được dùng để thành lập bản đồ từ rất sớm.
Năm 1968, ảnh radar đã được sử dụng để xây dựng bản đồ tỷ lệ 1/1000.000 ở
Panama đã gây một chú ý lớn trong lĩnh vực Trắc địa - bản đồ. Vì vùng này bị
mây che phủ quanh năm nên tất cả các dạng chụp ảnh khác ở vùng này đều
không thực hiện được. Tiếp sau đó ảnh radar được sử dụng thành lập bản đồ
vùng Nam Mỹ và thu được những thành tựu rất lớn. Các sản phẩm bản đồ
được thành lập từ ảnh Radar ở tỷ lệ 1/250.000 được sử dụng phổ biến trong
thực tế cho nên tư liệu ảnh Radar được xem là những tư liệu bổ sung cho việc
thành lập bản đồ tỷ lệ nhỏ và trung bình.
2.2
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
2.2.1 Khái quát chung về GIS và GPS
2.2.1.1 Vài nét về GIS
a. Định nghĩa về GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tập các công cụ để thu thập, lưu trữ,
tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm
phục vụ thực hiện mục đích cụ thể. Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ
thế giới thực thơng qua:
Vị trí địa lý của đối tượng thơng qua một hệ toạ độ.
Các thuộc tính của chúng mà khơng phụ thuộc vào vị trí.
Các quan hệ khơng gian giữa các đối tượng (quan hệ topo).
Có nhiều định nghĩa khác nhau về hệ thống thông tin địa lý. Căn cứ vào
nguồn gốc, đối tượng, mục tiêu, thành phần hệ thống hay các phân tích khác
nhau…mà có những quan điểm khác nhau để định nghĩa về GIS.
Một số định nghĩa về GIS:
- Hệ thống thông tin Địa lý là một hệ thống bao gồm các phần mềm, phần
cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật,
quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các
17