ứng dụng ảnh phân giải cao spot để nghiên cứu biến động sử dụng đất huyện thường tín giai đoạn 2000 – 2011 và đưa ra dự báo tốc độ phát triển năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



NGUYỄN TÂN DUY



ỨNG DỤNG ẢNH PHÂN GIẢI CAO SPOT ĐỂ NGHIÊN CỨU
BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN THƢỜNG TÍN GIAI ĐOẠN
2000 – 2011 VÀ ĐƢA RA DỰ BÁO TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN NĂM
2015



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC




Hà Nội – 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



NGUYỄN TÂN DUY

ỨNG DỤNG ẢNH PHÂN GIẢI CAO SPOT ĐỂ NGHIÊN CỨU
BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN THƢỜNG TÍN GIAI ĐOẠN
2000 – 2011 VÀ ĐƢA RA DỰ BÁO TỐC ĐỘ PHÁT TRIỂN NĂM
2015

Chuyên ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN XUÂN LÂM

Hà Nội - 2013
1
LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành TS. Nguyễn Xuân Lâm,
người tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo ở khoa Địa Lý, phòng Sau đại học, trường
Đại học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQGHN đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học
tập tại trường và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Cảm ơn các bạn
bè, đồng nghiệp đã cổ vũ động viên tôi trong suốt quá trình học tập tại trường.
Tuy đã có những cố gắng nhất định nhưng do thời gian và trình độ có hạn
nên chắc chắn luận văn này còn nhiều thiếu sót và hạn chế nhất định. Kính mong
nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn.
Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2014
Học viên

Nguyễn Tân Duy












2
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu,
tìm hiểu của riêng cá nhân tôi. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều
được trình bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu.
Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy
định cho lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 14 tháng 02 năm 2014
Học viên


Nguyễn Tân Duy

3
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 8
CHƢƠNG 1: Tổng quan về cơ sở của công nghệ viễn thám 12
1.1. Những khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám 12
1.1.1. Khái niệm về hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám 12
1.1.2. Cơ sở phương pháp viễn thám 13
1.1.3. Bức xạ điện từ 15
1.1.4. Đặc tính phản xạ phổ của một số nhóm đối tượng tự nhiên 18
1.1.5. Một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của ảnh viễn thám 27
1.2. Thông số kỹ thuật của tƣ liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT 29
1.3. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất đô thị 31
1.3.1. Những vấn đề chung về bản đồ hiện trạng sử dụng đất 31
1.3.2. Những vấn đề chung về nghiên cứu biến động sử dụng đất 32

CHƢƠNG 2: Khả năng giải đoán ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên
cứu hiện trạng sử dụng đất 35
2.1. Phân loại đối tƣợng sử dụng đất trong bản đồ hiện trạng sử dụng đất
theo luật đất đai năm 2003 35
2.2. Khả năng thông tin của ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên cứu hiện
trạng sử dụng đất 36
2.3. Phƣơng pháp phân loại đối tƣợng sử dụng đất 40
2.3.1. Phương pháp giải đoán ảnh 40
2.3.2. Phương pháp phân loại ảnh 46
2.3.3. Lẫy mẫu đối tượng sử dụng đất trên ảnh và kiểm tra ngoài thực địa 52
CHƢƠNG 3: Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng ảnh vệ tinh SPOT
thành lập bản đồ biến động các loại hình sử dụng đất khu vực huyện
Thƣờng Tín giai đoạn 2001 – 2011 và dự báo tốc độ phát triển các loại
hình sử dụng đất năm 2015 55
3.1. Giới thiệu về khu vực nghiên cứu 55
3.1.1. Vị trí địa lý 55
3.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội 56
3.1.3. Tình hình sử dụng đất đai của huyện Thường Tín 58
4
3.2. Quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất huyện
Thƣờng Tín 59
3.2.1.Các phương pháp nghiên cứu biến động bằng ảnh viễn thám 59
3.2.2. Sơ đồ công nghệ 64
3.2.3. Mô tả các bước quy trình công nghệ 64
3.3. Kết quả phân loại ảnh SPOT và bản đồ biến động sử dụng đất huyện
Thƣờng Tín giai đoạn 2001 - 2011 67
3.4. Ứng dụng hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu phân tích biến động
diện tích các loại hình sử dụng đất huyện Thƣờng Tín 68
3.5. Phân tích đánh giá sơ bộ nguyên nhân biến động của các đối tƣợng sử
dụng đất 72

3.6. Dự báo tốc độ phát triển các loại hình sử dụng đất huyện Thƣờng Tín
năm 2015 bằng mô hình dự báo MARKOV 74
KẾT LUẬN 80
Tài liệu tham khảo 82























5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường trái đất 13

Hình 1.2: Khái niệm chung về viễn thám 14
Hình 1.3: Đường cong phổ phản xạ 17
Hình 1.4: Phân loại sóng điện từ 18
Hình 1.5: Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 20
Hình 1.6: Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nước 21
Hình 1.7: Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào độ ẩm 22
Hình 1.8: Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 22
Hình 1.9: Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm 23
Hình 1.10: Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước 25
Hình 1.11: Khả năng phản xạ phổ của một số loại nước 26
Hình 1.12: Mô hình trộn màu cơ bản 29
Hình 2.1: Mẫu ảnh của đất trồng lúa 38
Hình 2.2: Mẫu ảnh của sông Hồng và hồ, ao 39
Hình 2.3: Mẫu ảnh của đất ở và đất trụ sở cơ quan nhà nước 39
Hình 2.4: Mẫu ảnh của đất khu công nghiệp 39
Hình 2.5: Mẫu ảnh của đất trống khi không có lớp phủ 40
Hình 3.1: Sơ đồ nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng phương pháp so sánh
sau phân loại 59
Hình 3.2: Sơ đồ nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng phương pháp phân loại
trực tiếp ảnh đa thời gian 60
Hình 3.3: Vectơ thay đổi phổ 61
Hình 3.4: Thuật toán phân tích thay đổi phổ 62
Hình 3.5: Sơ đồ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất 64
Hình 3.6: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn
2001 – 2011 (km
2
) 69
Hình 3.7: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn
2001 – 2011 (ha) 69
Hình 3.8: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất trồng lúa từ năm 2011-2011

(6,26 km
2
) 71
6
Hình 3.9: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất trồng cây hàng năm khác từ
năm 2011-2011 (3,42 km
2
) 71
Hình 3.10: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất ở từ năm 2011-2011 (3,94
km
2
) 72
Hình 3.11: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất khu công nghiệp từ năm
2011-2011 (2,75 km
2
) 72
Hình 3.12: Biểu đồ cơ cấu chuyển dịch diện tích đất sông hồ ao từ năm 2011-
2011 (1,85 km
2
) 72
Hình 3.13: Mô hình MARKOV để dự báo khả năng thay đổi các loại hình sử
dụng đất 74
Hình 3.14: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn
2001 – 2011 và dự báo tới năm 2015 (km
2
) 78
Hình 3.15: Biểu đồ thể hiện diện tích sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn
2001 – 2011 và dự báo tới năm 2015 (ha) 79

7
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Cơ chế tương tác giữa khí quyển và sóng điện từ 16
Bảng 1.2: Mối quan hệ giữa bước sóng và độ thấu quang của nước 26
Bảng 1.3: Đặc tính cơ bản của ảnh SPOT 1 - 4 30

Bảng 1.4: Đặc tính cơ bản của ảnh SPOT 5 31
Bảng 2.1: Ví dụ về mô tả khả năng thông tin của các kênh đa phổ 44
Bảng 2.2: Bảng lấy mẫu đối tượng sử dụng đất từ ảnh SPOT 5 52
Bảng 3.1: Diện tích các loại hình sử dụng đất năm 2001 và 2011 68
Bảng 3.2: Bảng phân tích tình hình tăng giảm diện tích đất theo mục đích sử
dụng (km
2
) 70
Bảng 3.3: Ma trận tỷ lệ biến động giữa các loại hình sử dụng đất giai đoạn
2001 – 2011 75
Bảng 3.4: Diện tích các loại hình sử dụng đất năm 2001, 2011 và 2015 77

8
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất đai từ lâu vẫn luôn luôn đóng vai trò quan trọng đối với sự sinh tồn và
phát triển của con người. Nó là tư liệu sản suất đặc biệt cho sự phát triển kinh tế xã
hội, an ninh và quốc phòng. Nhưng đất đai chỉ có thể phát huy tiềm năng vốn có
dưới sự tác động tích cực của con người một cách thường xuyên.
Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay ở nước ta, sự chuyển
dịch kinh tế từ Nông nghiệp – Công nghiệp – Dịch vụ sang Công nghiệp – Dịch vụ
- Nông nghiệp đã và đang gây sức ép lớn về đất đai. Sức ép về dân số, tốc độ công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đã kéo theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng trong khi
quỹ đất lại có hạn. Đất đai đã thực sự trở thành “Tấc đất tấc vàng”. Trong quá trình
sử dụng đất, thường nảy sinh nhu cầu sử dụng đất vào các mục đích khác nhau của
con người. Do đó luôn có sự biến động đất đai về sử dụng đất. Để phục vụ cho công
tác quản lý của Nhà nước thì cần làm rõ biến động sử dụng đất. Chính vì vậy cần
phải có một phương pháp quản lý hợp lý về tình hình sử dụng đất ở các đô thị. Hiện
nay, nhiều vệ tinh nhân tạo đã được phóng lên quỹ đạo với các mục đích khác nhau
để theo dõi diễn biến các hiện tượng trên bề mặt trái đất, trong đó có mục đích theo
dõi lớp phủ bề mặt trái đất. Đây là một phương pháp với công nghệ mới giúp làm
nhanh và hiệu quả hơn so với các công nghệ trước đây. Ngày nay có thể tiến hành
thành lập bản đồ biến động sử dụng đất đô thị một cách nhanh hơn trước nhờ vào
việc sử dụng ảnh vệ tinh với độ phân giải cao thay vì trước đây phải thực hiện các
công tác thực địa phức tạp làm tăng thời gian hoàn thành công việc.
Với bản đồ biến động được thực hiện bằng phương pháp viễn thám đạt độ
chính xác cao, ta có thể tiến hành dự đoán các loại hình sử dụng đất trong những

năm tiếp theo để các nhà quy hoạch có thể hoạch định các loại hình sử dụng đất một
cách phù hợp hơn. Có nhiều cách để dự báo tình hình sử dụng đất dựa trên các hàm
toán học, chuỗi MARKOV là một trong các hàm dự báo phổ biến trong các mô hình
dự báo và được chọn để sử dụng trong luận văn.
9
Huyện Thường Tín là một trong những huyện nằm trong phạm vi mở rộng
của thành phố Hà Nội (từ ngày 1 tháng 8 năm 2008). Trong những năm qua, do
yêu cầu của phát triển kinh tế - xã hội và quá trình phát triển đô thị hóa nên tình
hình sử dụng đất của huyện có nhiều biến đổi. Xuất phát từ thực tế đó, em đã chọn
đề tài: “Ứng dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT để nghiên cứu biến động sử
dụng đất khu vực huyện Thường Tín – thành phố Hà Nội giai đoạn 2000 – 2011
và đưa ra dự báo tốc độ phát triển các loại hình sử dung đất năm 2015”.
2. Mục tiêu của đề tài
- Khảo sát khả năng sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao cho việc theo dõi biến
động một số loại hình sử dụng đất
- Đề xuất quy trình công nghệ thành lập bản đồ biến động sử dụng đất, trong đó có
kết hợp sử dụng hệ thông tin địa lý để lập bản đồ và đánh giá biến động
- Sử dụng mô hình dự báo MARKOV để dự báo các loại hình sử dụng đất
- Tiến hành thực nghiệm tại khu vực huyện Thường Tín, thành phố Hà Nội
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám
Bao gồm những khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám như: Khái niệm
về hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám, bức xạ điện từ, đặc tính phản xạ phổ của
các đối tượng tự nhiên và một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của ảnh viễn thám
- Nghiên cứu khả năng thông tin của ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT cho mục
đích nghiên cứu biến động sử dụng đất huyện Thường Tín
Dựa trên ảnh SPOT độ phân giải cao để nghiên cứu khu vực cần thành lập
bản đồ rồi từ đó tiến hành xác định và phân loại đối tượng nghiên cứu, biến động
được xác định thông qua việc thay đổi sự dụng đất vào mục đích cụ thể qua các năm
- Nghiên cứu các phương pháp phân loại và phần mềm phân loại ảnh để thành lập

bản đồ hiện trạng sử dụng đất.
Phân loại bằng phương pháp giải đoán là phương pháp khoanh định các vật
thể cũng như xác định trạng thái của chúng nhờ phân biệt các đặc tính yếu tố ảnh
(độ sáng, kiến trúc, kiễu mẫu, hình dạng, kích thước, vị trí, màu) và các mối quan
10
hệ của đối tượng này với các đối tượng khác. Kết quả giải đoán phụ thuộc vào kinh
nghiệm người giải đoán, tuy nhiên bị hạn chế do khả năng phân biệt phổ của mắt
người hạn chế.
Sau khi thực hiện công tác giải đoán ảnh, ta sẽ tiến hành thực địa và kiểm
chứng kết quả phân loại với các mẫu giải đoán
- Tiến hành nghiên cứu biến động sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn 2000 -
2011 bằng hệ thông tin địa lý (GIS) và đưa ra dự báo trong các năm kế tiếp bằng
mô hình dự báo MARKOV
Dữ liệu GIS về hiện trạng sử dụng đất qua các năm được phân tích bằng
phương pháp chồng ghép dữ liệu, một phương pháp thông dụng trong GIS. Kết quả
thu được từ việc chồng ghép sẽ là tình hình biến động một số loại hình sử dụng đất
qua các năm đã chọn
Theo các kết quả tính toán được từ bản đồ biến động sử dụng đất, ta sử dụng
mô hình dự báo MARKOV để tính toán các loại hình sử dụng đất trong các năm
tiếp theo
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Để giải quyết mục đích của đề tài luận văn, ta tiến hành thu thập tài liệu,
thông tin, nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ viễn thám, đặc tính kỹ thuật của
ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT, nghiên cứu khả năng thông tin của ảnh viễn
thám độ phân giải cao SPOT cho mục đích theo dõi biến động đất ở khu vực nghiên
cứu.
- Lựa chọn các phương pháp phân loại và phần mềm phân loại để giải đoán
lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Thường Tín. Qua việc theo dõi sử dụng đất
của một khu vực trong một khoảng thời gian kết hợp với việc phân loại các mẫu rồi
từ đó rút ra nhận xét, so sánh tình hình biến động giai đoạn 2000 – 2011. Việc xác

định các loại hình sử dụng đất qua ảnh SPOT bao gồm dấu hiệu gián tiếp về quy
luật, đặc điểm, sự phân bố và mối quan hệ giữa các đối tượng. Việc xác định yếu tố
sử dụng đất ở trên ảnh có thể đưa ra hiện trạng sử dụng đất của khu vực nghiên cứu.
11
Quá trình điều tra thực địa chủ yếu nhằm mục đích giải đoán chính xác các điểm lấy
mẫu và xác minh các điểm chưa rõ ràng trên ảnh.
- Trên cơ sở giải đoán phân loại, ta tiến hành ứng dụng hệ thông tin địa lý
trong nghiên cứu phân tích biến động các loại hình sử dụng đất khu vực nghiên cứu.
Kết quả của đề tài là bản đồ biến động sử dụng đất huyện Thường Tín giai đoạn
2000 – 2011.
- Từ đó phân tích đánh giá sơ bộ nguyên nhân biến động và dự báo biến động
trong năm 2015 bằng phương pháp dự báo chuỗi của MARKOV
Luận văn có kết cấu gồm 3 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về cơ sở của công nghệ viễn thám
Chương 2: Khả năng giải đoán ảnh vệ tinh SPOT đối với việc nghiên cứu
hiện trạng sử dụng đất huyện Thường Tín
Chương 3: Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng ảnh vệ tinh SPOT thành
lập bản đồ biến động các loại hình sử dụng đất khu vực huyện Thường Tín
giai đoạn 2000 – 2011 và dự báo biến động tới năm 2015

12
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ CỦA CÔNG NGHỆ
VIỄN THÁM

1.1. Những khái niệm cơ bản về công nghệ viễn thám
1.1.1. Khái niệm về hệ thống ghi nhận thông tin viễn thám
Năng lượng điện từ của ảnh 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. Trên cơ sở các tín hiệu đó có thể tách
chiết các thông tin về đối tượng. Quá trình đó được thể hiện bằng các công đoạn
chính: phát hiện, ghi, phân tích các tín hiệu.
 Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bước rất quan trọng. 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 không gian, không đắt và cung cấp
nhiều chi tiết trong không 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
hình ảnh số giống như hình ảnh nền của mành hình máy tính, tài liệu số
thường có giá đắt hơn tư liệu ảnh, song lại có nhiều ưu điểm về độ phân giải
phổ, khả năng truyền thông tin. Các tín hiệu điện từ có thể ghi nhận ở dạng
phim, băng từ hoặc đĩa từ và có thể hiện thị dễ dàng.
 Phân tích các tín hiệu phổ: có thể thực hiện được bằng hai phương thức: phân
tích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính
Phân tích bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh. Đây là

công việc đã rất phổ biến trong viễn thám, phân tích ảnh bằng mắt có sự kết hợp rất
nhuần nhuyễn các kiến thức chuyên môn của người phân tích để từ đó khai thác
được các thông tin tồn tại trong tư liệu ảnh. Kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều
13
vào khả năng của người phân tích. Tất nhiên, hạn chế của giải đoán bằng mắt là
không phân biệt được hết các đặc tính phổ của đối tượng, nguyên nhân là do khả
năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế (tối đa 12 – 14 mức).
Xử lý số là phương pháp xử lý phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh số
chứ không phải dạng ảnh tương tự (analoge hay pictorial). Ưu thế của phương pháp
xử lý số là có thể phân tích các tín hiệu phổ một cách chi tiết (256 mức hoặc hơn).
Với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng, có thể tách chiết rất
nhiều thông tin phổ của đối tượng, từ đó có thể nhận biết các đối tượng một cách tự
động. Tất nhiên quá trình xử lý số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức
chuyên môn của người phân tích hoặc người lập các chương trình tính toán
1.1.2. Cơ sở phương pháp viễn thám
Viễn thám được định nghĩa là sự thu nhận thông tin về đối tượng mà không
có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể. Công nghệ viễn thám phát triển dựa trên những
thành tựu mới nhất của khoa học kỹ thuật cũng như công nghệ vũ trụ, công nghệ tin
học … Với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan nhất


Hình 1.1: Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trƣờng trái đất
Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ
viễn thám phát triển mạnh bởi những cải tiến về vệ tinh chụp ảnh, thiết bị chụp ảnh
và các phương pháp chụp
Những thông tin thu thập được từ công nghệ viễn thám được sử dụng vào rất
nhiều mục đích như:
 Nghiên cứu về biến đổi khí hậu
 Nghiên cứu về biến động tầng ôzôn
14

 Dự báo thời tiết
 Ứng dụng trong nông nghiệp và lâm nghiệp
 Điều tra tài nguyên thiên nhiên
 Theo dõi giảm nhẹ thiên tai
 Ứng dụng trong quản lý đới bờ
 Các ứng dụng trong hải dương học
Viễn thám là phương pháp xử lý và phân tích các thông tin của những đối
tượng phân bố trên bề mặt Trái Đất và được thu thập từ ba tầng không gian:
* Vũ trụ (ngoài khí quyển)
* Tầng trung (tầng khí quyển)
* Mặt đất
nhằm xác định một cách tổng hợp những thuộc tính cơ bản của đối tượng nghiên
cứu

Hình 1.2: Khái niệm chung về viễn thám
Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lý trong tự
nhiên là các vật thể (đối tượng) trong những điều kiện khác nhau thì khả năng phản
xạ hoặc bức xạ của sóng điện từ sẽ có những đặc trưng riêng. Từ đó, nguồn tư liệu
viễn thám được hình thành như là kết quả thu nhận năng lượng phản xạ hoặc bức xạ
15
các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ cảm hoặc bằng các
máy chụp ảnh
Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư liệu
chủ yếu trong viễn thám. Các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua
các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám là một công nghệ nhằm
xác định và nhận biết đối tượng hay các điều kiện môi trường thông qua những đặc
trưng riêng về phản xạ và bức xạ.
1.1.3. Bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ có 4 thông số cơ bản: tần số, hướng lan truyền, biên độ và
mặt phẳng phân cực. Các thông số này có thể sử dụng trong việc khai thác thông tin

ảnh. Ví dụ: tần số có thể được ding để xác định vận tốc chuyển động của vật thể dựa
trên hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phát hiện các cấu trúc của
đối tượng. Biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể và được sử dụng như những
phần tử giải đoán ảnh cơ bản, mặt phân cực được sử dụng để xác định hình dạng
của vật thể - ánh sáng phản xạ trên các bề mặt tương tự nhau sẽ cho các chùm tia có
mặt phẳng phân cực giống nhau.
Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO
2
…
mà độ truyền dẫn của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng. Tại những vùng
đó, bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất – đồng nghĩa
với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin. Ở những vùng còn lại
trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ đạt tới bộ cảm.
Những vùng bước sóng đó được gọi là cửa sổ khí quyển, chỉ trong các vùng bước
sóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho bộ cảm. Năng lượng sóng điện
từ khi qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ ở nhiều mức độ khác
nhau tùy thuộc vào bước sóng cụ thể. Các bước sóng ngắn hơn 0,3 m hầu hết bị
hấp thụ bởi tầng ôzôn, vùng ánh sáng khả kiến ít bị hấp thụ bởi khí quyển. Bức xạ
nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng 10 m trong vùng cửa sổ khí
quyển và sóng vô tuyến cao tần lớn hơn 1 mm cũng ít bị hấp thụ bởi khí quyển. Do
đó thông tin ảnh viễn thám thu nhận được thường dựa vào sự đo lường năng lượng
16
phản xạ, phản xạ sóng điện từ trong vùng khả kiến và hồng ngoại nhiệt (ảnh quang
học), vùng sóng siêu cao tần (rada). Trong viễn thám người ta thường chú ý đến khả
năng lan truyền sóng điện từ trong khí quyển. Vì các hiện tượng và cơ chế tương tác
giữa sóng điện từ và khí quyển sẽ có những tác động mạnh đến thông tin được bộ
cảm thu nhận. Khí quyển có sự tương tác khác nhau với bức xạ điện từ có bước
sóng khác nhau. Trong quá trình lan truyền nguồn năng lượng mặt trời xuống mặt
đất và quá trình lan truyền nguồn năng lượng mặt trời xuống mặt đất và quá trình
lan truyền sóng điện từ luôn bị hấp thu, tán xạ, khác xạ bởi Oxy, Nitơ, Cacbonic,

Ozon và hơi nước có trong khí quyển trước khi đi đến bộ cảm biến. Để thấy được
cơ chế tương tác giữa khí quyển và sóng điện từ ta xem bảng dưới đây:
Bảng 1.1: Cơ chế tƣơng tác giữa khí quyển và sóng điện từ
Dải phổ điện từ
Bƣớc sóng
Đặc điểm
Tia cực tím
0,3 – 0,4 m
Hấp thụ mạnh bởi khí quyển ở tầng cao,
không thể thu nhận năng lượng do dải
sóng này cung cấp
Khả kiến
0,4 – 0,76 m
Rất ít bị hấp thụ bởi Oxy, nước, năng
lượng phản xạ cực đại với bước sóng 0,5
m trong khí quyển. Năng lượng do dải
sóng này cung cấp giữ vai trò quan trọng
trong viễn thám
Hồng ngoại trung
bình
0,77 – 1,34 m



1,55 – 2,4 m
Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các
bước sóng hồng ngoại gần từ 0,77 – 0,9
m. Sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại
theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55 – 2,4
m

Hồng ngoại nhiệt
3 – 22 m
Một số vùng bị hấp thụ mạnh bởi hơi
nước, dải sóng này giữ vai trò quan trọng
trong phát hiện cháy rừng, hoạt động của
17
núi lửa (3 – 5 m). Bức xạ nhiệt của trái
đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng
10 m
Vô tuyến Rada
1 mm – 100 cm
Khí quyển không hấp thụ năng lượng
bước sóng lớn hơn 2 cm, cho phép thu
nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm, không
ảnh hưởng bởi mây, sương mù hay mưa
Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ
bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng
phổ. Đặc trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận ra đối
tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc trưng
phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng.
Về nguyên tắc, vệ tinh “nhìn” được tất cả các đối tượng trên bề mặt Trái Đất
bao gồm: đất, nước, thực vật. Đặc trưng phổ của các đối tượng này có thể được biểu
diễn như hình dưới đây:
Hång ngo¹i gÇn Hång ngo¹i trung
d¶I sãng
§Êt kh«
§Êt -ít
Thùc vËt
Ph¶n x¹ (%)
N-íc

0,8 1,2 1,6 2,0 2,4

Hình 1.3: Đƣờng cong phổ phản xạ
18

Hình 1.4: Phân loại sóng điện từ
Thông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng, người ta
thiết kế thiết bị thu nhận sao cho tại khoảng bước sóng đó các đối tượng có độ phản
xạ phổ là dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng này sự hấp thụ
của khí quyển là nhỏ nhất.
Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3m – 0,4m),
vùng ánh sáng nhìn thấy (0,4m – 0,7m), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại
nhiệt. Trong tất cả các tài liệu về cơ sở viễn thám, theo bước sóng sử dụng, công
nghệ viễn thám có thể chia làm 3 nhóm chính:
1. Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
2. Viễn thám hồng ngoại nhiệt
3. Viễn thám siêu cao tần
Các loại sóng điện từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ
như: Tia Gamma – Y tế và hạt nhân; Vùng nhìn thấy – Cho các phân tích bằng mắt;
Hồng ngoại – Phân biệt thảm thực vật; Nhiệt – Lửa cháy, nhiệt độ mặt nước; Sóng
ngắn – Mặt đất, mặt nước.
1.1.4. Đặc tính phản xạ phổ của một số nhóm đối tượng tự nhiên
Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông số
quan trọng nhất trong viễn thám. Độ phản xạ phổ được tính theo công thức:
19
E
r
(λ) Năng lượng của bước sóng λ phản xạ từ đối tượng
P
(λ)

= = x 100%
E
0
(λ) Năng lượng của bước sóng λ rơi vào đối tượng
Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ
các đối tượng, nên việc nghiên cứu các tính chất quang học (chủ yếu là đặc trưng
phản xạ phổ) của các đối tượng tự nhiên đóng vai trò hết sức quan trọng đối với
việc ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám. Phần lớn các phương pháp ứng
dụng viễn thám được sử dụng đến nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với
việc nghiên cứu các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng hay nhóm đối tượng
nghiên cứu. Các thiết bị ghi nhận, các loại phim chuyên dụng với độ nhạy cảm phổ
phù hợp đã được chế tạo dựa trên kết quả nghiên cứu về quy luật phản xạ phổ của
các đối tượng tự nhiên.
Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả của việc giải đoán các thông tin phụ thuộc
rất nhiều vào sự hiểu biết mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ, bản chất và
trạng thái các đối tượng tự nhiên. Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ sẽ cho
phép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối chứa nhiều thông tin nhất về đối
tượng nghiên cứu, đồng thời đó cũng là cơ sở dữ liệu viễn thám để phân tích,
nghiên cứu các tính chất của đối tượng địa lý, tiến tới phân loại các đối tượng đó.
* Đặc tính phổ phản xạ của thực vật
Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo độ dài bước sóng.
Trên đồ thị thể thiện được đặc trưng phản xạ phổ thực vật xanh và các vùng phản xạ
phổ chính
Trong vùng sóng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc
tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin trong lá cây, ngoài ra còn một số
chất sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật
Theo đồ thị trên hình 1.5 thì sắc tố hấp thụ bức xạ vùng sóng ảnh sáng nhìn
thấy và ở vùng cận hồng ngoại, do trong lá cây có nước nên hấp thụ bức xạ vùng
hồng ngoại. Cũng từ đồ thị trên ta có thể thấy khả năng phản xạ phổ của lá xanh ở
vùng sóng ngắn và vùng ánh sáng đỏ là thấp. Hai vùng suy giảm khả năng phản xạ

20
phổ này tương ứng với hai dải sóng bị clorophin hấp thụ. Ở hai dải sóng này,
clorophin hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy năng lượng phản xạ của lá
cây không lớn. Vùng sóng bị phản xạ mạnh nhất tương ứng với sóng 0,54 m, tức
là vùng sóng ánh sáng lục. Do đó lá cây tươi được mắt ta cảm nhận có màu lục. Khi
lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophin trong lá giảm đi, lúc đó khả năng phản xạ
phổ cũng sẽ bị thay đổi và lá cây sẽ có màu vàng đỏ

Hình 1.5 : Đặc tính phản xạ phổ của thực vật
Ở vùng hồng ngoại ảnh hưởng chủ yếu lên khả năng phản xạ phổ của lá cây
là hàm lượng nước trong lá. Khả năng hấp thụ năng lượng
(r
λ
), mạnh nhất ở các bước sóng 1,4 m; 1,9 m và 2,7 m. Bước sóng 2,7 m hấp
thụ mạnh nhất gọi là dải sóng cộng hưởng hấp thụ, ở đây sự hấp thụ mạnh diễn ra
đối với sóng trong khoảng từ 2,66 – 2,73 m
21

Hình 1.6: Đặc tính hấp thụ của lá cây và của nƣớc
Trên hình 1.6 cho thấy ở dải hồng ngoại khả năng phản xạ phổ của lá mạnh
nhất ở bước sóng 1,6 m và 2,2 m – tương ứng với vùng ít hấp thụ của nước
Tóm lại: Khả năng phản xạ phổ của mỗi loài thực vật là khác nhau và đặc
tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là:
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản
xạ phổ khác biệt rõ rệt
- Ở vùng ánh sáng nhìn thấy thì phần lớn năng lượng bị hấp thụ bởi
clorophin có trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá, còn lại bị phản xạ
Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá
là hàm lượng nước, ở vùng này khi độ ẩm lá cao, năng lượng hấp thụ cực đại. Ảnh
hưởng của các cấu trúc tế bào lá ở vùng hồng ngoại đối với khả năng phản xạ phổ là

không lớn bằng hàm lượng nước trong lá.
Khi hàm lượng nước trong lá giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của lá cây
cũng tăng lên đáng kể (hình 1.7)
22

Hình 1.7: Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào độ ẩm
* Đặc tính phổ phản xạ của thổ nhƣỡng
Đường đặc trưng phản xạ phổ của đa số thổ nhưỡng không phức tạp như
thực vật. Hình 1.8 thể hiện khả năng phản xạ phổ của ba loại đất ở trạng thái khô

Hình 1.8: Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhƣỡng
Đặc tính chung nhất của chúng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài
bước sóng, đặc biệt là ở vùng cận hồng ngoại và hồng ngoại. Ở đây chỉ có năng
lượng hấp thụ và năng lượng phản xạ, mà không có năng lượng thấu quang. Tuy
nhiên với các loại đất cát có thành phần cấu tạo các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau,
khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào thành phần hợp chất mà biên độ
23
của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến phản xạ
phổ của đất là cấu trúc bề mặt đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, vô cơ.
Cấu trúc của đất phụ thuộc vào tỷ lệ sét, bụi, cát. Sét là hạt mịn đường kính
nhở hơn 0,002 mm, bụi có đường kính 0,002 – 0,05 mm, cát có đường kính 0,05 – 2
mm. Tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần của ba loại đất cơ bản trên mà tạo ra các loại
đất có tên khác nhau
Với loại đất mịn thì khoảng cách giữa các hạt cũng nhỏ vì chúng ở sít gần
nhau hơn. Với hạt lớn khoảng cách giữa chúng lớn hơn, do vậy khả năng vận
chuyển không khí và độ ẩm cũng dễ dàng hơn. Khi ẩm ướt, trên mỗi hạt cát sẽ bọc
một màng mỏng nước, do vậy độ ẩm và lượng nước trong loại đất này sẽ cao hơn và
do đó độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của chúng

Hình 1.9: Khả năng phản xạ phổ của đất phụ thuộc vào độ ẩm

Khi độ ẩm đất tăng, khả năng phản xạ phổ cũng sẽ bị giảm (hình 1.9). Do
vậy khi hạt nước rơi vào cát khô ta sẽ thấy cát bị thẫm hơn, đó là do sự chênh lệch
rõ rệt giữa các đường đặc trưng 1, 2, 3. Tuy nhiên nếu cát đã ẩm mà có thêm nước
cũng sẽ không thẫm màu đi mấy (do sự chênh lệch ít giữa đường 2 và đường 3).
Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ là hợp chất hữu cơ
trong đất. Với hàm lượng chất hữu cơ từ 0,5 – 5,0 % thì đất có màu nâu xẫm. Nếu
hàm lượng chất hữu cơ thấp hơn đất sẽ có màu sáng