Ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu biến động sử dụng đất Cửa Nam Triệu-Cửa Cấm (Hải Phòng) và vùng Cửa Đáy (Nam Định - Ninh Bình) trong giai đoạn 1987 - 2010

Ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu biến động sử
dụng đất Cửa Nam Triệu-Cửa Cấm (Hải Phòng) và
vùng Cửa Đáy (Nam Định - Ninh Bình) trong giai đoạn
1987 - 2010 : Luận văn ThS. Địa lý tự nhiên: 60 44 76
\ Bùi Phương Thảo ; Nghd. : TS. Phạm Quang Sơn
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................ 3
4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học- công nghệ và thực tiễn ............................................................... 3
6. Dữ liệu trang thiết bị phục vụ cho nghiên cứu.......................................................... 4
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT ĐẶC ĐIỂM MỘT SỐ YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ PHÁT
TRIỂN KTXH CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU………………………………… 5
1.1. Đặc điểm địa lý……………………………………………………………………5
1.2. Điều kiện tự nhiên .................................................................................................. 9
1.2.1. Địa hình ............................................................................................................... 9
1.2.2. Khí hậu ................................................................................................................ 10
1.2.3. Chế độ bức xạ và nhiệt độ không khí ................................................................. 10
1.3. Điều kiện kinh tế- xã hội ........................................................................................ 10
1.4. Khái quát về đất ngập nước .................................................................................. 11
1.5. Khái quát về hiện trạng sử dụng đất ...................................................................... 12
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 15
2.1. Quan điểm nghiên cứu ........................................................................................... 14
2.2. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 16
2.2.1 Tổng quan về phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguyên đất ..... ..17
2.2.2. Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng viễn thám và GIS ................................ 19
1


2.2.3.Cơ sở viễn thám ................................................................................................... 22

2.2.3.1. Khái niệm viễn thám ........................................................................................ 22
2.2.3.2. Thông tin trên ảnh viễn thám ........................................................................... 23
2.2.3.3. Lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám ....................................................................... 29
2.2.3.4. Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận đa quy mô ................................................. 30
2.2.3.5. Khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động sử dụng
đất .................................................................................................................................. 31
2.2.4. Các phương pháp đánh giá biến động ................................................................. 32
2.2.5. Hệ thông tin địa lý (GIS) ................................................................................... 34
2.2.5.1. Định nghĩa ........................................................................................................ 34
2.2.5.2. Cấu trúc dữ liệu ................................................................................................ 34
2.2.5.3. Khả năng phân tích của GIS ............................................................................ 37
2.2.5.4. Sử dụng GIS trong nghiên cứu biến động sử dụng đất .................................... 41
2.3. Lý thuyết về phân loại và phương pháp phân loại theo đối tượng ........................ 42
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT KHU VỰC CỬA NAM
TRIỆU- CỬA CẤM (HẢI PHÒNG) VÀ CỬA ĐÁY (NAM ĐỊNH- NINH BÌNH)
BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM- GIS ........................................................................ 47
3.1. Mô tả dữ liệu ......................................................................................................... 47
3.1.1. Mô tả dữ liệu viễn thám ...................................................................................... 47
3.1.2. Mô tả các dữ liệu khác ........................................................................................ 48
3.2. Quy trình nghiên cứu ............................................................................................ 48
3.3. Xử lý dữ liệu ảnh.................................................................................................... 48
3.3.1. Tiền xử lý dữ liệu ảnh ........................................................................................ 48
3.3.2. Quá trình phân loại.............................................................................................. 50
3.4. Xây dựng chú giải .................................................................................................. 54
3.5. Biến động sử dụng đất khu vực Cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng) ............. 56
3.6. Biến động sử dụng đất khu vực Cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình) ...................... 61
2


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 69
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
Danh mục hình
Hình 1.1. Vị trí khu vực cửa Đáy…………………………………………………………5
Hình 1.2. Ảnh thực địa ven biển Nghĩa Hưng…………………………………………….7
Hình 1.3. Vị trí khu vực cửa Cấm…………………………………………………………9
Hình 2.1. Sự tương tác giữa hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ bề mặt, tài nguyên đất…..15
Hình 2.2. Phương pháp nghiên cứu……………………………………………………...16
Hình 2.3: Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS…………………………………21
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám …………………………..23
Hình 2.5. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên chính………………………………..24
Hình 2.6. Đồ thị phản xạ phổ của một số loại thực vật………………………………….25
Hình 2.7. Đồ thị phản xạ phổ của một số loại nước……………………………………..25
Hình 2.8. Phản xạ phổ của một số loại đất……………………………………………….26
Hình 2.9. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng trong đô thị…………………………26
Hình 2.10. Độ phân giải không gian……………………………………………………..28
Hình 2.11. Các phương pháp đánh giá biến động……………………………………..…33
Hình 2.12. Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính…………………37
Hình 2.13. Nguyên lý khi chồng xếp các bản đồ………………………………………38
Hình 2.14. Việc chồng lắp các bản đồ …………………………………………………38
Hình2.15. Một ví dụ trong việc chồng xếp bản đồ……………………………………38
Hình 2.16. Một thí dụ trong việc phân loại lại một bản đồ………………………………39
Hình 2.17.Các phép toán logic…………………………………………………………...39
Hình 2.18. Ứng dụng thuật toán logic trong tìm kiếm không gian………………………40
Hình 2.19. Phân loại theo giá trị phổ của pixel ảnh……………………………………...43

3


Hình 3.1. Ảnh vệ tinh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2001 và 2010 hiển thị ở tổ hợp

màu giả Red_Green_Blue 4:3:2………………………………………………………….47
Hình 3.2. Ảnh sau khi cắt Cửa Đáy (a) và cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (b) năm 2001.............50
Hình 3.3. Sơ đồ xây dựng ảnh phân loại............................................................................50
Hình 3.4. Mối quan hệ giữa độ phân giải không gian và chi tiết phân loại.......................54
Hình 3.5. Bản đồ phân loại sử dụng đất thu nhỏ thời điểm 1989 khu vực Cửa Cấm (Hải
Phòng)................................................................................................................................56
Hình 3.6. Bản đồ phân loại sử dụng đất thu nhỏ thời điểm 2001 khu vực Cửa Cấm (Hải
Phòng)................................................................................................................................57
Hình 3.7. Bản đồ phân loại sử dụng đất thu nhỏ thời điểm 2010 khu vực Cửa Cấm (Hải
Phòng)................................................................................................................................57
Hình 3.8. Biểu đồ các loại đất năm 1989, 2001 và 2010……………………………….60
Hình 3.9. Bản đồ phân loại sử dụng đất thu nhỏ thời điểm 1989 khu vực Cửa Đáy
(Nam Định- Ninh Bình)..............................................................................................61
Hình 3.10. Bản đồ phân loại sử dụng đất thu nhỏ thời điểm 2001 khu vực Cửa Đáy
(Nam Định- Ninh Bình)..............................................................................................62
Hình 3.11. Bản đồ phân loại sử dụng đất thu nhỏ thời điểm 2010 khu vực Cửa Đáy
(Nam Định- Ninh Bình)..............................................................................................62
Hình 3.12. Biểu đồ các loại đất năm 1989, 2001 và 2010………………………………65
Danh mục bảng
Bảng 1.4. Phân tích sự khác nhau của các hệ thống phân loại đất………………….……12
Bảng 2.1. Các kênh phổ (band) của ảnh vệ tinh Landsat ETM………………………….29
Bảng 3.1. Khóa giải đoán trong khu vực nghiên cứu.........................................................55
Bảng 3.2. Ma trận biến động các đối tượng khu vực cửa Cấm (Hải Phòng) năm 1989
và 2001.......................................................................................................................58
Bảng 3.3. Ma trận biến động các đối tượng khu vực cửa Cấm (Hải Phòng) năm 2001
và 2010.......................................................................................................................59

4

Bảng 3.4. Ma trận biến động các đối tượng khu vực cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình)
năm 1989 và 2001......................................................................................................63
Bảng 3.5. Ma trận biến động các đối tượng khu vực cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình)
năm 2001 và 2010......................................................................................................64

5


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Việt Nam có đường bờ biển dài 3.260 km không kể các đảo và hệ thống sông ngòi
dày đặc với 2860 sông ngòi lớn nhỏ và tổng lượng dòng chảy khoảng 867 tỷ m3/năm. Các
loại hình đất vùng cửa sông của Việt Nam do đó rất đa dạng, chiếm diện tích lớn và là
một dạng tài nguyên quan trọng. Phần lớn thóc, gạo, cá, tôm và các loại lương thực, thực
phẩm khác đều sản được xuất từ những vùng đất ngập nước. Ngoài vai trò sản xuất nông
nghiệp và thuỷ sản, đất ngập nước còn đóng vai trò quan trọng trong thiên nhiên và môi
trường như lọc nước thải, điều hoà dòng chảy (giảm lũ lụt và hạn hán), điều hoà khí hậu
địa phương, chống xói lở bờ biển, ổn định mức nước ngầm cho những vùng sản xuất nông
nghiệp, tích luỹ nước ngầm, là nơi trú chân của nhiều loài chim di cư quý hiếm, là nơi giải
trí, du lịch rất giá trị cho người dân Việt Nam cũng như khách nước ngoài.
Trong luận văn này, phương pháp nghiên cứu chủ yếu được sử dụng là phương
pháp phân tích không gian, sử dụng các tư liệu Viễn thám đa thời gian, và phương pháp
phân tích thống kê kết hợp với các dữ liệu bổ trợ. Sự biến động sử dụng đất sẽ dễ dàng
được phát hiện từ ảnh vệ tinh, tích hợp và xử lý các lớp thông tin qua các năm sẽ đánh giá
được biến động trong giai đoạn nghiên cứu.
Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ của mình, tác giả chọn tên đề tài: Ứng dụng
viễn thám và GIS nghiên cứu biến động sử dụng đất cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải
Phòng) và vùng Cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình) giai đoạn 1987-2010.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu diễn biến hai vùng cửa sông, cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng)

và Cửa Đáy (Nam Định- Ninh Bình) trên cơ sở ứng dụng thông tin viễn thám đa thời gian
và GIS để thấy được sự khác nhau trong quá trình phát triển về cả không gian và thời
gian.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu:

6


1. Đánh giá tổng quan các nghiên cứu về vùng cửa sông và khả năng sử dụng
thông tin viễn thám trong nghiên cứu vùng ven biển và cửa sông.
2. Thu thập và xử lý các nguồn tư liệu có liên quan đến khu vực nghiên cứu (địa
chất, địa mạo, khí tượng- thủy- hải văn, kinh tế - xã hội, tư liệu ảnh hàng không, ảnh vệ
tinh, bản đồ các loại).
3. Điều tra thực địa, đối sánh với bản đồ biến động, đánh giá độ chính xác và khai
thác thông tin cho đánh giá biến động sử dụng đất.
4. Xây dựng mô hình xử lý thông tin không gian trong nghiên cứu vùng ven biển
và cửa sông.
5. Tích hợp thông tin không gian trên các hệ thống xử lý ảnh số và GIS; phân tích,
đánh giá qui mô biến động của các hình thức sử dụng đất.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu truyền thống và các phương pháp có
ứng dụng công nghệ hiện đại như viễn thám, Hệ thông tin địa lý (GIS).
Các phương pháp truyền thống sử dụng trong đề tài:
- Nhóm các phương pháp thủy văn, địa chất- địa mạo.
- Phân tích thống kê và tổng hợp các tài liệu, số liệu về kinh tế- xã hội.
Điều tra khảo sát ngoài thực địa.
Các phương pháp và công nghệ mới:
- Phân tích ảnh và triết xuất thông tin viễn thám trên các hệ thống xử lý ảnh số.
- Tích hợp thông tin ảnh, bản đồ và các thông tin địa lý khác trên các phần mềm
Hệ thông tin địa lý (GIS).

- Phân tích, đánh giá mối quan hệ giữa các yếu tố tự nhiên và nhân tạo.
5. Ý nghĩa khoa học- công nghệ và thực tiễn:
a.Ý nghĩa khoa học và công nghệ: Trong bối cảnh khi ứng dụng công nghệ không
gian và tin học đang phát triển bùng nổ trên Thế giới, việc triển khai nghiên cứu sử dụng
thông tin viễn thám và thông tin địa lý (GIS) trong ngành khoa học về Trái đất tại Việt
Nam có ý nghĩa khoa học- công nghệ to lớn; nó thực sự góp phần rút ngắn khoảng cách
chênh lệch về trình độ công nghệ ở nước ta so với các nước trong khu vực và quốc tế.

7


b. Ý nghĩa thực tiễn: Theo thời gian các vùng cửa sông ở châu thổ Bắc Bộ phát
triển tiến về phía biển và hình thức sử dụng đất ở mỗi vùng cửa sông cũng ít nhiều thay
đổi và cũng theo chiều hướng khác nhau. Việc ứng dụng công nghệ mới trong nghiên cứu
sử dụng đất sẽ rất có hiệu quả trong nghiên cứu, rút ngắn được rất nhiều thời gian so với
các công tác khảo sát đo đạc ngoại nghiệp truyền thống trước đây. Đặc biệt hiện nay khi
nước ta đã bước vào giai đoạn phát triển kinh tế và vươn ra phía biển thì tác động của con
người tới biến động vùng ven biển ngày càng mạnh mẽ.
6. Dữ liệu, trang thiết bị phục vụ cho nghiên cứu:
Đề tài nghiên cứu đã sử dụng các tư liệu và thiết bị sau:
- Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 khu vực nghiên cứu.
- Các tài liệu thống kê tự nhiên, kinh tế xã hội qua các năm nghiên cứu.
- Ba ảnh vệ tinh Landsat TM và ETM chụp vào các ngày 23/11/1989; 29/09/2001
và 09/11/2010.
- Một số các bài báo khoa học, tài liệu liên quan đến khu vực nghiên cứu.
- Máy tính, các phần mềm GIS và xử lý ảnh gồm: ENVI, PCI, Mapinfo, ArcView
và ArcGIS.

CHƯƠNG 1
8

KHÁI QUÁT ĐẶC ĐIỂM MỘT SỐ YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ PHÁT TRIỂN KTXH
CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. Đặc điểm địa lý
1.1.1. Khu vực cửa Đáy
Cửa Đáy là vùng cửa sông nằm giáp 2 huyện là Nghĩa Hưng- Nam Định và Kim
Sơn- Ninh Bình (Hình 1.1).

Hình 1.1. Khu vực vị trí Cửa Đáy
Đây là một phần của chi lưu thuộc hệ thống sông Hồng, đổ ra biển với lưu lượng
nước hàng năm rất lớn. Cửa Đáy còn là con đường huyết mạch nối liền các vùng
kinh tế trọng điểm của các tỉnh Nam Định- Ninh Bình thông ra với biển Đông.
1.1.2. Khu vực cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng)

9


Khu vức cứa Cứm – Nam
Triứu

Hình 1.3. Vị trí khu vực cửa Cấm
Bắc-Đông Nam tạo thành hình dạng chữ M, đến địa phận phường Quán Toan
(quận Hồng Bàng, thành phố Hải Phòng) đổi hướng chảy theo hướng Đông và Đông Nam
để đổ ra biển Đông ở cửa Cấm, lệch một ít về hướng Đông Nam. Sông Cấm có tổng chiều
dài khoảng 7km, chảy qua và làm ranh giới giữa các địa phương như huyện An Dương,
huyện Thủy Nguyên, các quận Hồng Bàng, Ngô Quyền, Hải An. Cảng Hải Phòng nằm
trên sông cách cửa Cấm khoảng 5 km. Sông Đá Bạc - Bạch Đằng dài hơn 32 km, là nhánh
của sông Kinh Môn đổ ra biển ở cửa Nam Triệu, là ranh giới giữa Hải Phòng với Quảng
Ninh.

1.2. Điều kiện tự nhiên
1.2.1. Địa hình
1.2.2. Khí hậu
1.2.3. Chế độ bức xạ và nhiệt độ không khí:
10


1.3. Điều kiện kinh tế - xã hội
Về mặt kinh tế, khu vực Cửa Cấm nằm trong vùng ảnh hưởng của tam giác kinh tế
Hà Nội – Hải Phòng – Hạ Long, có thể tận dụng lợi thế của mạng lưới giao thông, bao
gồm đường sắt xuyên Quốc gia, quốc lộ số 1, 10, 21 và đường bờ biển dài 72 km. Khu
vực cửa Đáy thuộc hệ thống sông Hồng, bao gồm sông Đào, sông Đáy và sông Ninh Cơ;
tại đây nhiều cảng sông, cảng đang trong giai đoạn xây dựng. Đây cũng là điều kiện ưu
đãi để mở rộng trao đổi thương mại và xã hội trong phạm vi tỉnh, Quốc gia và với các
Quốc gia khác, nhằm nắm vị trí dẫn đầu trong việc hoạch định chính sách kinh tế và phát
triển xã hội khu vực phía Nam đồng bằng sông Hồng.
1.4. Khái quát về đất ngập nước:
Đất nuôi trồng thuỷ sản: Đất nuôi trồng thuỷ sản ở vùng bãi bồi cửa sông, ven
biển; Đất nuôi trồng thuỷ sản ở vùng rừng ngập mặn; Đất nuôi trồng thuỷ sản ở đất ruộng
lúa; Đất nuôi trồng thuỷ sản trên cát; Nuôi ở hồ ao, sông cụt, đấu, thùng đào… đây là
những vùng đất ngập nước nhân tạo.
Đất canh tác nông nghiệp: Đất trồng lúa được tưới nước; Đất trồng lúa ở vùng
ngập trũng.
Đất làm muối.
Đất công nghiệp: Khu vực khai thác, đào bới; Nơi xử lý nước thải.
Hồ chứa nước và hệ thống đập, kênh dẫn nước.
Với khả năng thông tin của ảnh vệ tinh, có thể đưa ra hai nhóm đối tượng có mức
độ khai thác được trên ảnh như sau:
- Nhóm các đối tượng dễ xác định được trên ảnh gồm: Thuỷ vực nông; Bãi có rừng
ngập mặn, dừa nước; Bãi có cỏ, cói, lau sậy; Đầm lầy; Nước vùng cửa sông; Bãi, đầm,

phá; Sông suối; Kênh rạch, ao hồ; Vùng nuôi trồng thuỷ sản; Rừng tràm; Đất canh tác
nông nghiệp; Đất làm muối; Khu vực khai thác, đào bới; Nơi xử lý nước thải; Hồ chứa
nước; Đập và kênh dẫn nước.
- Nhóm các đối tượng xác định được trên ảnh nhưng phải có tài liệu khác hỗ trợ
gồm: Đầm lầy phân thành đầm lầy mặn, ngọt; Sông ngòi, hồ ao có nước thường xuyên
hay theo mùa; Đất than bùn; Rạn san hô; Bờ biển đá, vách đá; Bãi ven bờ phân ra bãi đá,
bãi cát, bãi bùn; Đầm phá, hồ là loại nước mặn, nước lợ; Thảm thực vật thuỷ sinh.
11


Thông tin khai thác được trên ảnh vệ tinh phụ thuộc rất nhiều vào độ phân giải của
ảnh (độ phân giải hình học, độ phân giải phổ). Vì vậy khi xây dựng các chỉ tiêu phân loại
cũng như chọn tỷ lệ bản đồ, việc đầu tiên là phải đánh giá tư liệu ảnh. Với ảnh vệ tinh độ
phân giải cao (5-20m) và siêu cao (dưới 5m) cho phép thành lập các bản đồ đất ngập nước
ở tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn. Còn đối với ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình (trên 20m)
chỉ có thể thành lập được các bản đồ ở tỷ lệ 1:100.000 và nhỏ hơn.
1.5. Khái quát về hiện trạng sử dụng đất
Hiện trạng sử dụng đất là trạng thái lớp phủ bề mặt trái đất ở một thời điểm nào đó
mà việc phân chia quỹ đất phụ thuộc vào mục đích sử dụng của con người. Theo Luật Đất
đai năm 1993 phân chia đất đai thành 6 nhóm, trong đó có nhóm đất đô thị. Nhưng Luật
Đất đai năm 2003 lại phân chia thành 3 nhóm chính và mỗi nhóm gồm nhiều loại đất xem
chi tiết tại (bảng 1.4). Đồng thời có sự khác nhau giữa hệ thống phân loại đất theo quy
định của pháp luật về đất đai trước năm 2003, hệ thống được sử dụng để xây dựng quy
hoạch sử dụng đất đến năm 2010 và hệ thống theo pháp luật hiện hành.

CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Quan điểm nghiên cứu
Lớp phủ bề mặt (Land cover) là vật chất che phủ bên trên vỏ Trái Đất bao gồm có:
đồng cỏ, cây cối, đất, nước... Có 2 phương pháp chính lấy thông tin lớp phủ bề mặt đó là

khảo sát thực địa và phân tích dựa vào các dữ liệu gián tiếp (chủ yếu là sử dụng dữ liệu
viễn thám).

12


Sử dụng đất (Land use) là một loạt các hoạt động của con người tác động lên bề
mặt trái đất.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp viễn thám để chiết xuất thông tin lớp phủ bề mặt khu vực
nghiên cứu, kết hợp với việc đi khảo sát thực địa và các tài liệu khác xác định hiện trạng
sử dụng đất. Sử dụng hệ thống thông tin địa lý nhằm phân tích, đánh giá biến động tài
nguyên đất (hình 2.2).
Dữ liệu viễn thám mang thông tin phong phú về hiện trạng lớp phủ bề mặt và có
nhiều cách tiếp cận khác nhau để chiết xuất các thông tin về hiện trạng lớp phủ bề mặt từ
viễn thám. Quá trình chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám là một quá trình chuyển đổi
thông tin ảnh thành các thông tin có ý nghĩa đối với người sử dụng. Việc chiết xuất thông
tin được tiếp cận theo cả hai hướng: không gian và thời gian.
- Tiếp cận theo không gian cho phép chiết xuất thông tin từ ảnh ở nhiều quy mô
(cấp độ): pixel (phương pháp phân loại)
- Tiếp cận theo thời gian đánh giá biến động bề mặt lớp phủ từ các ảnh viễn thám
chụp qua các giai đoạn.

Quy hoạch sử dụng

Lứp phứ
bứ mứt

Hiứn trứng sứ
dứng ứứt

Chiứt xuứt thông tin

Biứn ứứng
sứ dứng ứứt

Phân tích không
gian
13

Viứn thám

GIS


Hình 2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Tổng quan về phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguyên đất
GIS bắt đầu được xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỷ XX được ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới. Năm 1972, với việc phóng vệ tinh
Landsat 1 đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc sử dụng viễn thám trong quan sát và
nghiên cứu Trái Đất. Cho đến nay, với hơn 30 năm phát triển việc tích hợp tư viễn thám
và GIS cho nhiều mục đích nghiên cứu khác nhau đã rất phổ biến.
Vào những năm 1979 - 1980 các cơ quan khoa học Việt Nam bắt đầu tiếp cận công
nghệ viễn thám. Hiện nay ở Việt Nam, có hơn 20 cơ quan, tổ chức thuộc nhiều Bộ, Ngành
và các trường Đại học ( Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ
Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Bộ Thuỷ sản, Viện Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường đại học Mỏ Địa chất…) đang sử dụng
một cách có hiệu quả các tư liệu viễn thám trong chương trình, dự án thuộc lĩnh vực của
mình.
Một trong những ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả đó là nghiên cứu hiện trạng lớp

phủ, hiện trạng sử dụng đất và biến động tài nguyên đất dựa vào việc kết hợp công nghệ
viễn thám và GIS.
2.2.2. Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng viễn thám và GIS
● Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng viễn thám:
● Nguyên tắc nghiên cứu biến động bằng GIS (hình 2.3).

C

A

A

C
B

B

C

14


Hình 2.3. Nguyên tắc nghiên cứu biến động trong GIS
2.2.3. Cơ sở viễn thám
2.2.3.1. Khái niệm về viễn thám.
Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều cách khác nhau, nhưng
nói chung đều thống nhất theo quan điểm là khoa học và công nghệ thu thập thông tin của
vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó. Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu
biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm
được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối

tượng”. Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay
một hiện tượng.
Viễn thám điện từ là khoa học và công nghệ sử dụng sóng điện từ để chuyển tải
thông tin từ vật cần nghiên cứu tới thiết bị thu nhận thông tin cũng như công nghệ xử lý
để các thông tin thu nhận có ý nghĩa.
2.2.3.2. Thông tin trên ảnh viễn thám
Thông tin trên ảnh viễn thám có được về các đối tượng nhờ vào quá trình “chụp
ảnh” từ vệ tinh mà thực chất là quá trình thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hoặc
phát xạ từ vật thể. Thông tin có được về đối tượng trong quá trình này chính là nhờ sự
khác biệt của phản ứng với sóng điện từ của các đối tượng khác nhau (phản xạ, hấp thụ
hay phân tách sóng điện từ).
Năng lượng sóng phản xạ từ đối tượng bao gồm hai phần:
- Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng.
- Năng lượng tán xạ bởi cấu trúc bề mặt đối tượng.
2.2.3.3. Lựa chọn tư liệu ảnh viễn thám
Khả năng nhận biết đối tượng trên ảnh vệ tinh phụ thuộc vào độ phân giải. Căn cứ
vào độ phân giải không gian của ảnh, ta có thể chia ra thành 4 mức dữ liệu ảnh viễn thám
bao gồm: dữ liệu có độ phân giải thấp như ảnh NOAA…, dữ liệu có độ phân giải trung
bình như ảnh Landsat MSS (80m)…, dữ liệu có độ phân giải cao như Landsat TM (30m,
15


15m), SPOT (20m, 10m), Aster (15m) và ảnh có độ phân giải siêu cao như IKONOS (15m), ảnh Quickbird (0,6m), ảnh GeoEye (0.4m). Đối với ảnh Landsat MSS thì ảnh ETM
có độ phân giải không gian cao hơn, độ phân giải phổ cũng cao hơn (ảnh Landsat ETM có
7 kênh phổ, còn ảnh Landsat MSS có 4 kênh phổ). Bảng sau đây sẽ cho biết các ứng dụng
chính của các kênh phổ của Landsat ETM.
2.2.3.4. Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận đa quy mô
Để chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám, có nhiều cách tiếp cận khác nhau, có thể
chia ra làm hai cách chính là giải đoán ảnh bằng mắt thường và xử lý ảnh số.
a). Giải đoán bằng mắt thường

b). Phương pháp xử lý ảnh số
2.2.3.5. Khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến động sử
dụng đất.
Với bản chất việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng
điện từ từ các đối tượng trên mặt đất, viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi biến động
lớp phủ. Bề mặt lớp phủ lại phản ánh tác động của con người thông qua loại hình sử dụng
đất. Với ưu thế đặc biệt của viễn thám là không gian đối tượng nghiên cứu, tư liệu viễn
thám đa thời gian đáp ứng được yêu cầu về khả năng cập nhật và tính chu kì trong theo
dõi biến động.
Kết quả khảo sát khả năng sử dụng một số loại ảnh vệ tinh trong công tác quản lý
đất đai cho thấy rằng:
- Ảnh LansatTM và ETM+ có độ phân giải không gian là 30m đối với kênh đa phổ
(Multispetral), kênh toàn sắc (panchromatic) là 15m. Loại này sử dụng để theo dõi và
chỉnh lý những biến động lớn trong quá trình sử dụng đất ở quy mô cấp tỉnh. Ảnh toàn sắc
có thể sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất ở tỷ lệ 1:50 000 hoặc nhỏ hơn.
- Ảnh SPOT, độ phân giải không gian là 20m đối với các kênh ảnh đa phổ và 10m
đối với các kênh toàn sắc. Ảnh này có thể dùng nghiên cứu biến động sử dụng đất ở tỷ lệ
1:50 000 và nhỏ hơn. Có thể theo dõi biến động sử dụng đất ở cấp huyện và cấp tỉnh.
- Ảnh ASTER có độ phân giải không gian là 15m, 15 kênh phổ. Dùng để theo dõi
biến động sử dụng đất, hoặc thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh, huyện với
tỷ lệ 1:25 000.
16


2.2.4. Các phương pháp đánh giá biến động
Việc nghiên cứu đánh giá biến động sử dụng dữ liệu viễn thám đa thời gian. Yêu
cầu đối với dữ liệu viễn thám gồm có:
- Tư liệu ảnh được chụp cùng bộ cảm hoặc tương tự
- Tư liệu ảnh phải có cùng độ phân giải không gian, cùng tầm nhìn (độ cao bay
chụp, các băng phổ, độ phân giải phổ), cùng mùa

- Tư liệu đa thời gian.
2.2.5. Hệ thống thông tin địa lý (GIS)
2.2.5.1. Định nghĩa
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống bao gồm phần cứng, các thiết bị
ngoại vi, phần mềm với một cơ sở dữ liệu đủ lớn và một đội ngũ chuyên gia có khả năng
thu thập, cập nhật, quản trị, phân tích và biểu diễn về các đối tượng, hiện tượng, sự kiện
theo không gian và thời gian phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị
trí địa lý trên bề mặt trái đất
GIS giải quyết được các vấn đề thực tiễn nhằm trả lời các câu hỏi:
- Cái gì đang tồn tại ở đâu?
- Cái gì biến đổi như thế nào theo không gian và thời gian?
- Ở đâu thực hiện được tốt nhất (phù hợp nhất) với mục đích đề ra?
- Cái gì sẽ xảy ra nếu những hành động nào đó được thực hiện?
2.2.5.2. Cấu trúc dữ liệu
Cấu trúc dữ liệu của GIS bao gồm:
- Dữ liệu không gian
- Dữ liệu thuộc tính
2.2.5.3. Khả năng phân tích của GIS
a). Chức năng phân tích GIS
- Phân tích dữ liệu thuộc tính: mô tả và xử lý thống kê.
- Phân tích dữ liệu không gian: tính toán kích thước, các phép biến đổi hình học...
mô tả không gian với bản đồ.
- Phân tích tổng hợp dữ liệu thuộc tính và không gian: Phân tích và tra cứu.
- Phép tính liền kề - vùng đệm buffering, nội suy...
17


- Phép tính liên kết.
- Phép chồng xếp bản đồ.
b). Kết quả phân tích được trình bày dưới dạng sản phẩm khác nhau.

- Dạng bảng biểu: Dạng dữ liệu chọn lọc, bảng tổng hợp thống kê.
- Dạng đồ thị, biểu đồ: dạng cột, đường, pie-chart, histogram…
- Dạng bản đồ: bản đồ nền, bản đồ chuyên đề.
- Dạng báo cáo.
2.2.5.4. Sử dụng GIS trong nghiên cứu biến động sử dụng đất
Trong nghiên cứu biến động sử dụng đất, GIS đóng vai trò quan trọng trong việc
tập hợp và phân tích cơ sở dữ liệu.
Mục đích của cơ sở dữ liệu là tổng hợp, hệ thống hoá, thống nhất nguồn dữ liệu
phục vụ việc theo dõi đánh giá và dự báo biến động sử dụng đất.
Cấu trúc cơ sở dữ liệu bao gồm các file chứa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc
tính về các đối tượng. Mặt mạnh của GIS được thể hiện thông qua chức năng phân tích
không gian hoặc mối liên hệ giữa các thông tin địa lý.
2.3. Lý thuyết về phân loại và phương pháp phân loại theo đối tượng

CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT KHU VỰC CỬA NAM TRIỆU- CỬA
CẤM (HẢI PHÒNG) VÀ CỬA ĐÁY (NAM ĐỊNH- NINH BÌNH) BẰNG DỮ LIỆU
VIỄN THÁM- GIS
3.1. Mô tả dữ liệu
3.1.1. Mô tả dữ liệu viễn thám:

18


Ảnh vệ tinh sử dụng trong luận văn bao gồm
ba ảnh Landsat TM và ETM đa phổ chụp khu
vực ĐBSH ba năm 1989, 2001 và 2010
(hình 3.1).

2001

2010

Hình 3.1. Ảnh vệ tinh Landsat khu vực nghiên cứu năm 2001 và 2010 hiển thị ở tổ hợp
màu giả Red_Green_Blue 4:3:2
Thời gian chụp:
Năm 1989: 23/11/1989
Năm 2001: 29/09/2001
Năm 2010: 09/11/2010

19


Ưu điểm: Hai ảnh năm 1989 và 2010 có thời gian bay chụp gần giống nhau (cùng
tháng), ảnh năm 2001 chụp trước 2 tháng nên có sự khác nhau về đối tượng (trồng lúa)
trên ảnh giúp việc tách hai đối tượng dân cư và đất trồng lúa một cách dễ dàng hơn.
Nhược điểm: Ảnh Landsat TM 2010 bị lỗi, riêng phần Hải Phòng ít lỗi hơn làm
ảnh hưởng tới việc phân loại ảnh.
3.1.2. Mô tả dữ liệu khác
- Số liệu thu thập qua việc khảo sát thực địa
- Số liệu thống kê và phát triển kinh tế- xã hội ở các khu vực nghiên cứu
3.2. Quy trình nghiên cứu
Có nhiều phương pháp đánh giá biến động sử dụng đất khác nhau được trình bày ở
phần [2.2.3] với những ưu nhược điểm nhất định. Trong nghiên cứu biến động sử dụng
đất cho khu vực cửa Cấm và cửa Đáy tác giả áp dụng phương pháp kết hợp giữa điều tra
trước phân loại và điều tra sau phân loại.
Điều tra biến động trước phân loại là việc xây dựng ảnh biến động dựa trên việc
tính sai biệt ảnh hay tỷ số ảnh nhằm xác định ngưỡng biến động để thấy được mức độ
biến động trong khu vực nghiên cứu.
Điều tra biến động sau phân loại là phương pháp phổ biến dựa trên việc tiếp cận

hai ảnh chụp ở hai thời điểm khác nhau được phân loại độc lập, sau đó sử dụng các thuật
toán cho thấy sự biến động của các đối tượng.
3.3. Xử lý dữ liệu ảnh
3.3.1. Tiền xử lý dữ liệu ảnh
3.3.1.1. Hiển thị ảnh
3.3.1.2. Tăng cường chất lượng ảnh
3.3.1.3. Nắn chỉnh hình học
3.3.1.4. Cắt ảnh theo ranh giới hành chính (hình 3.3).
3.3.2. Quá trình phân loại
3.3.2.1. Quy trình xây dựng ảnh phân loại (hình 3.4).
ứnh 2001

ứnh 1989

Lứy mứu

20
Phân loứi

Khứo sát thức


Hình 3.3. Sơ đồ xây dựng ảnh phân loại
3.3.2.2. Các bước thực hiện
a. Lấy mẫu
Trong luận văn sử dụng cách chiết xuất thông tin dựa trên phương pháp giải đoán
bằng mắt với lý do:
- Phân tích bằng mắt là công việc tổng hợp, kết hợp nhiều thông số của ảnh, bản
đồ, tài liệu thực địa và kiến thức chuyên môn.
- Phân tích bằng mắt có thể áp dụng nhiều chuyên ngành khác nhau, trong những

điều kiện trang thiết bị khác nhau.
Cơ sở để giải đoán là đưa vào các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặc gián tiếp như
yếu tố ảnh, yếu tố địa kỹ thuật và chìa khoá giải đoán.
b. Phân loại có kiểm định
Bản chất của quá trình phân loại là so sánh chưa biết với mẫu phổ của các đối
tượng được xây dựng ở giai đoạn lấy mẫu, sau đó quy các pixel này về các đối tượng mà
chúng gần giống nhất.
Phương pháp phân loại có kiểm định thường dùng thuật toán sau:
- Thuật toán phân loại theo xác suất cực đại (Maximum likelihood).
- Thuật toán phân loại theo khoảng cách ngắn nhất (Minimum distance).
- Thuật toán phân loại hình hộp (Parallelepipied).
Thuật toán được dùng trong nghiên cứu này là thuật toán phân loại theo xác suất
cực đại (Maximum likelihood) vì đây là phương pháp dựa trên lý thuyết xác suất chặt chẽ,
có độ chính xác cao và được sử dụng rộng rãi. Phương pháp này dùng số liệu mẫu để xác
định hàm mật độ phân bố xác suất của mỗi lớp cần phân loại, đỗi với mỗi Pixel được tính

21


xác suất thuộc vào một lớp nào đó và nó được gán vào lớp mà xác suất thuộc lớp đó là lớn
nhất.
3.4. Xây dựng chú giải
Theo tác giả Bonn, ông đã đưa ra mối quan hệ giữa độ chi tiết của độ phân giải
không gian và phép phân loại (hình 3.5).
ứứ phân giứi

Mức
Hình 3.4. Mối quan hệ giữa độ phân giải không gian và chi tiết phân loại
(Nguồn: "Bonn F, 1996")
Khóa giải đoán ảnh

Đối tượng

Khóa giải đoán ảnh

Đối tượng

Đất nông

Dân cư

nghiệp

Rừng ngập

Đất chưa sử

mặn

dụng

22


Nuôi trồng

Mặt nước

thủy sản

Ruộng muối

Bảng 3.1. Khóa giải đoán trong khu vực nghiên cứu
3.5. Biến động sử dụng đất khu vực Cửa Nam Triệu- Cửa Cấm (Hải Phòng).
Với khóa giải đoán ảnh vệ tinh như đã nêu ở trên, tác giả đã tiến hành phân loại
ảnh trên phần mềm PCI, kết quả như sau (xem hình 3.6; 3.7; 3.8):

Hình 3.5. Bản đồ phân loại sử dụng đất thời điểm 1989 khu vực Cửa Cấm (Hải Phòng)

23


Hình 3.6. Bản đồ phân loại sử dụng đất thời điểm 2001 khu vực Cửa Cấm (Hải Phòng)

Hình 3.7. Bản đồ phân loại sử dụng đất thời điểm 2010 khu vực Cửa Cấm (Hải Phòng)

24


Sau khi phân loại các đối tượng trên ảnh chúng tôi đã dùng phương pháp nghiên
cứu biến động sau phân loại kết hợp với điều tra thực địa để thành lập bản đồ biến
động và ma trận biến động từng giai đoạn.
Trong khoảng thời gian từ năm 1989 đến 2001 diện tích đất nông nghiệp giảm
8076.59 ha, nhưng từ 2001 đến 2010 lại tăng 9387.72 ha; diện tích đất ở hầu như
không thay đổi hoặc thay đổi rất ít; thực vật ngập mặn giảm dần, từ 1989 đến 2001
giảm 2011.39 ha, từ 2001 đến 2010 giảm 603.79 ha; đất nuôi trồng thủy sản tăng mạnh
từ năm 2001 đến 2010 tăng 8927.81 ha. Sau khi chồng xếp bản đồ hai thời điểm với
nhau trên GIS, ta được kết quả biến động trong từng giai đoạn 1989- 2001 và 20012010. Chi tiết về tình hình biến động được thể hiện ở các bảng ma trận biến động sau
(xem bảng 3.3 và 3.4):
Bảng 3.2. Ma trận biến động các đối tượng năm 1989 và 2001

(Đơn vị: ha)
Năm 2001

Đất
NN
Dân
cư
Năm

TV

1989

NM
NTTS
Ruộng
muối
Mặt
nước
Đất
trống

Ruộng

Dân cư

TV NM

NTTS

10045.9

1956.33

0

501.54

36.84

429.59

0

3460.51

6021.65

0

382.99

0

227.22

7.41

257.88

31.16

1894.55

2381.14

0

324.88

2.1

142.29

202.23

453.08

3920.15

24.23

294.1

0

0

1.73

0

15.45

171.96

1.35

0

821.86

520.56

400.05

1303.25

6.67

13263.49

1.35

120.41

573.04

17.67

183.21

0

56.62

23.48

25

muối

Mặt nước

Đất

Đất NN

trống