Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới TS. Đinh Thị Bảo Hoa, người đã
tận tình chỉ bảo, động viên, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt q trình
nghiên cứu và hồn thiện luận văn tốt nghiệp này.
Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Địa
lý cùng gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên khích lệ, tạo điều
kiện thuận lợi giúp đỡ tơi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn này.
Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2010
Tác giả luận văn

Vũ Ngọc Thủy

1


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ..............................................................5
MỞ ĐẦU.............................................................................................................................7

1. Tính cấp thiết của đề tài.....................................................................................7
2. Mục tiêu và nhiệm vụ.........................................................................................8
a. Mục tiêu:...........................................................................................................................8
b. Nhiệm vụ:..........................................................................................................................8

3. Cấu trúc đồ án....................................................................................................9
CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT
ĐẤT.....................................................................................................................................10

1.1 Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất...............................................................10
1.1.1 Khái niệm...................................................................................................................10

1.1.2 Phân loại lớp phủ mặt đất.........................................................................................12

1.2 Khái niệm về biến động....................................................................................14
* Biến động về chất và về lượng.........................................................................................15

1.3 Các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động..............................16
1.4 Tổng quan các cơng trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô
................................................................................................................................ 19
CHƯƠNG 2 - KHẢ NĂNG KHAI THÁC THÔNG TIN VIỄN THÁM TRONG
NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT.....................................................21

2.1 Công nghệ viễn thám trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất....................21
2.1.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám.................................................23

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
(ngồi 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. ..................23
2.1.2 Cơ sở viễn thám ứng dụng trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất....................26

2.2 Cơ sở GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất................................32
2.3 Phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất.....................................34
2


2.3.1 Chọn tư liệu ảnh viễn thám.......................................................................................35
2.3.2 Nắn chỉnh hình học...................................................................................................35
2.3.3 Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu........................................................36
2.3.4 Phân loại ảnh viễn thám ...........................................................................................36
2.4.5 Kiểm chứng................................................................................................................43

2.4.6 Kết quả phân loại.......................................................................................................43
CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG
NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN TỪ LIÊM ..................44

3.1 Đặc điểm chung về địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội huyện Từ Liêm............44
3.2 Nguồn tư liệu sử dụng .....................................................................................47
3.3 Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu...............................................................48
3.3.1 Nắn chỉnh hình học...................................................................................................48
3.3.2 Cắt ảnh.......................................................................................................................48
3.3.3 Giải đoán ảnh.............................................................................................................48
3.3.4 Phân loại....................................................................................................................49
3.3.3 Đánh giá kết quả phân loại.......................................................................................57
3.3.4 Phân tích dữ liệu trong GIS......................................................................................61
3.3.2 Phân tích biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm .............................................62

3.4 Kết quả và đánh giá..........................................................................................65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................................69

1. Kết luận...............................................................................................................69
2. Kiến nghị............................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................71

3


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ
Hình 1.1 - Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất..............................................................11
(nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE)........................................................................11
Bảng 1.1 - Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực huyện Từ Liêm.........................14
Hình 1.2 - Phương pháp phân tích sau phân loại...........................................................17

Hình 1.3 - Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian.......................................17
Hình 1.4 - Phương pháp nhận biết thay đổi phổ.............................................................18
Hình 1.5 - Phương pháp kết hợp......................................................................................19
Hình 2.1 - Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường Trái Đất...................22
Hình 2.2 - Khái niệm chung về viễn thám.......................................................................23
Hình 2.3 - Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thơng tin..........................................24
Hình 2.4 - Cửa sổ khí quyển............................................................................................25
Hình 2.5 - Phân loại sóng điện từ ....................................................................................25
Hình 2.6 - Đường cong phổ phản xạ...............................................................................26
Hình 2.7 - Đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính ....................27
Bảng 2.1 - Một số dấu hiệu giải đoán trên ảnh tổ hợp màu giả của ảnh vệ tinh SPOT
31
Sơ đồ 2.1- Quy trình phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất................34
Hình 3.1 - Bản đồ quy hoạch sử dụng đất huyện Từ Liêm đến năm 2020...................46
Bảng 3.1 - Dữ liệu ảnh vệ tinh sử dụng trong đề tài.......................................................47
Bảng 3.2 - Một số mẫu giải đoán dùng trong đề tài........................................................50
Hình 3.2 - Chọn vùng mẫu................................................................................................52
Hình 3.3 - Kiểm tra sự khác biệt giữa các mẫu...............................................................52
Hình 3.4 - Tạo project.......................................................................................................54
Hình 3.5 - Nhập dữ liệu đầu vào.......................................................................................55
Hình 3.6 - Hiển thị ảnh......................................................................................................55
Hình 3.7 - Kết quả của quá trình segment......................................................................56
Hình 3.8 - Hình ảnh phân biệt hai quá trình segment....................................................58
4


Hình 3.9 - Hình minh hoạ các đối tượng của phân loại theo pixel bị mất thông tin. . .59
Bảng 3.3 - Ma trận sai lẫn trong phương pháp phân loại thống kê..............................59
Bảng 3.4 -Bảng so sánh diện tích một số lớp của phương pháp phân loại theo pixel
và định hướng đối tượng với số liệu thống kê huyện......................................................60

Hình 3.10 - Hình ảnh minh hoạ q trình tính tốn diện tích biến động.....................62
Biểu đồ 3.1 - Cơ cấu sử dụng đất năm 2003 và 2008......................................................63
Hình 3.11 - Kết quả tính biến động hai ảnh phân loại năm 2003 - 2008......................64
Bảng 3.5 - Diện tích biến động các loại hình sử dụng năm 2003-2008 ........................64
Biểu đồ 3.2 - So sánh diện tích của các loại hình đất có biến động ..............................65
Hình 3.12 - Tại Từ Liêm nhiều khu đất xen kẹt giữa các khu đơ thị khó canh tác.....67

5


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ Liêm là một huyện nằm ở phía Tây cửa ngõ thủ đơ Hà Nội. Theo quy
hoạch phát triển kinh tế - xã hội của thủ đô đến năm 2020, quá nửa huyện Từ Liêm
nằm trong vành đai phát triển của đô thị. Với tốc độ đơ thị hóa nhanh như vậy, diện
tích đất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp và chia cắt, các khu công nghiệp, khu đô
thị mới từng bước hình thành. Sự biến động này có những thuận lợi song cũng có
những khó khăn hết sức phức tạp vì nó tác động đến tất cả các lĩnh vực kinh tế - văn
hoá, xã hội, tập quán của nhân dân. Những mặt tiêu cực do q trình đơ thị hố
mang lại như sự giảm dần của các hoạt động nông nghiệp và sự phát triển của các
hoạt động phi nông nghiệp khác, sự gia tăng các vấn đề xã hội, môi trường và cả
những vấn đề về cơ sở hạ tầng chưa kịp đáp ứng các đòi hỏi mới sẽ xuất hiện. Do
đó, cần phải có sự định hướng, theo dõi, đánh giá, kiểm kê, quản lý sự biến động
lớp phủ mặt đất.
Đất đai là một loại tư liệu sản xuất đặc biệt và nhà nước nắm quyền quản lý
việc sử dụng. Khi xảy ra q trình đơ thị hố, đất đai bị thay đổi mục đích sử dụng
cho phù hợp với các nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng ở đơ thị. Mặc dù hàng năm
đều có các báo cáo về hiện trạng và tình hình biến động lớp phủ mặt đất nhưng các
báo cáo này chủ yếu dựa trên các phương pháp truyền thống là đo vẽ, thành lập bản
đồ, tính tốn diện tích đất, đó là một cơng việc phức tạp và địi hỏi nhiều thời gian.

Hơn nữa, khi sử dụng các tài liệu thống kê và tài liệu bản đồ khơng phải bao giờ
cũng có thể khai thác những thơng tin hiện thời nhất vì sử dụng đất luôn biến động.
Phương pháp viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) đang dần khắc phục được
những nhược điểm này. Kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tượng ở
các độ phân giải phổ và khơng gian từ trung bình đến siêu cao và chu kì chụp lặp lại
từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh chóng lượng
cũng như vị trí của thơng tin biến động lớp phủ mặt đất và đặc biệt là xu hướng của
biến động. Đối với các nhà quản lý, thông tin ở tầm vĩ mơ là rất cần thiết, vì vậy các

6


kết quả quan sát biến động lớp phủ mặt đất từ viễn thám sẽ trợ giúp họ về mặt khoa
học trong quản lý vĩ mô, quy hoạch sử dụng đất…
Các kết quả phân loại từ viễn thám được tích hợp với các dữ liệu thống kê
kinh tế xã hội trong mơi trường GIS, thực hiện các chức năng phân tích khơng gian
và tìm kiếm dữ liệu sẽ giúp ta đưa ra được những phân tích và nhận định về nguyên
nhân, ảnh hưởng và xu hướng của biến động lớp phủ mặt đất. Chính vì vậy, phương
pháp viễn thám và GIS đang và sẽ là một phương pháp quan trọng trong cấu trúc hệ
thống quan trắc biến động lớp phủ mặt đất ở các vùng ven đơ nói chung và khu vực
Từ Liêm nói riêng.
Trong khố luận này, tác giả đưa ra đề tài “Nghiên cứu biến động lớp phủ
mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS”

2. Mục tiêu và nhiệm vụ
a. Mục tiêu:
- Ứng dụng các phương pháp xử lý ảnh viễn thám đa thời gian theo dõi biến
động lớp phủ mặt đất.
- So sánh 2 phương pháp phân loại để chọn ra phương pháp tối ưu cho việc
thành lập các bản đồ biến động từ ảnh viễn thám.

- Đánh giá kết quả trên bản đồ biến động lớp phủ mặt đất của huyện Từ
Liêm.
b. Nhiệm vụ:
Dựa trên mục tiêu đề ra, cần thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Thu thập các tài liệu và các dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian có liên quan.
- Nghiên cứu tổng quan phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động
lớp phủ mặt đất.
- Nghiên cứu cơ sở phản xạ của các đối tượng.
- Xử lý dữ liệu trong phòng kết hợp điều tra thực địa.

7


- Tiến hành phân loại ảnh theo 2 phương pháp: phương pháp phân loại thống
kê và phương pháp phân loại hướng đối tượng.
- Giải thích kết quả, so sánh kết quả phân loại được với số liệu thống kê sử
dụng đất huyện Từ Liêm và so sánh các phương pháp phân loại ảnh.
- Phân tích biến động lớp phủ mặt đất khu vực Từ Liêm và so sánh, đánh giá
biến động qua 2 thời kỳ (2003 - 2008)

3. Cấu trúc đồ án
Toàn bộ đồ án ngoài phần mở đầu và kết luận được trình bày trong 3
chương:
CHƯƠNG 1: Cơ sở khoa học nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất
CHƯƠNG 2: Khả năng khai thác thông tin viễn thám trong nghiên cứu biến
động lớp phủ mặt đất
CHƯƠNG 3: Ứng dụng phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu
biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm

8

CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG
LỚP PHỦ MẶT ĐẤT
1.1 Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất
1.1.1 Khái niệm
Lớp phủ mặt đất là trạng thái vật chất của bề mặt trái đất, là sự kết hợp của
nhiều thành phần như thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc và mặt nước chịu sự tác động
của các nhân tố tự nhiên như nắng, gió, mưa bão và nhân tạo như khai thác đất để
trồng trọt, xây dựng nhà cửa, cơng trình phục vụ cuộc sống của con người. Sự kết
hợp này tạo ra lớp phủ mặt đất phong phú, đa dạng nhưng nhìn tổng thể lớp phủ mặt
đất chia ra thành hai nhóm chính là mặt nước và mặt đất. Mặt nước gồm có nước
lục địa như hệ thống sông, suối, kênh mương, hồ ao và nước đại dương - biển phủ
trùm phần lớn diện tích bề mặt trái đất. Phần diện tích ít hơn là mặt đất nhưng lại là
nơi tập trung hầu hết những hoạt động của con người cũng như nhiều loài sinh vật
khác trên trái đất và là nơi đang biến đổi từng ngày, từng giờ, những hoạt động đó
đã tạo nên sự phong phú của loại hình lớp phủ mặt đất như thực phủ gồm cỏ, cây
bụi, rừng, đất canh tác đang có cây sinh trưởng….; dân cư đô thị, nông thôn; mạng
lưới giao thông; khu công nghiệp, thương mại và các đối tượng đất chuyên dùng
khác; các vùng đất trống, đồi núi trọc, cồn cát, bãi cát…
Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng của
chúng lại có sự tương quan mật thiết. Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử
dụng đất và các hoạt động kinh tế - xã hội xảy ra trên mặt đất, những hoạt động này
là sự tác động trực tiếp lên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụng đất
cũng là đối tượng của lớp phủ mặt đất, ví dụ như đất đơ thị và đất nơng nghiệp. Một
số loại hình sử dụng đất khác như cơng viên theo góc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ,
rừng cây hay các cơng trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ phân loại lớp phủ
mặt đất hiện hành đều phải xét đến khía cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hình lớp
phủ nhân tạo có thực phủ.

9


Hình 1.1 - Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất
(nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE)
Trên thực tế mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớp
phủ mặt đất đặc trưng và mỗi một đối tượng đều chịu sự tác động theo hai hướng
của tự nhiên và con người với mức độ mạnh, yếu khác nhau. Sự tác động này đã
làm cho lớp phủ mặt đất luôn biến đổi. Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngược lại
cũng có những ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của con người, như diện tích
rừng suy giảm đã gây ra lũ lụt ở một số nơi; sự gia tăng của các khu công nghiệp và
các hoạt động nông nghiệp như tăng vụ lúa, nuôi trồng thuỷ sản không hợp lý là
một trong những ngun nhân gây biến đổi khí hậu. Như vậy có thể nói lớp phủ mặt
đất có quan hệ mật thiết với các hoạt động kinh tế xã hội, tài nguyên thiên nhiên và
mơi trường sống của con người. Do đó, để trái đất có thể phát triển bền vững là mục
tiêu lớn đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia và mỗi châu lục. Trong những năm qua,
trên thế giới đã xảy ra rất nhiều những hiện tượng làm ảnh hưởng lớn đến tài
nguyên thiên nhiên và môi trường, như:
- Sa mạc hóa diễn ra với tốc độ nhanh hơn
- Diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp
- Đất ngập nước đang bị mất dần
- Q trình đơ thị hóa diễn ra với tốc độ rất cao
10


- Thiên tai như hạn hán, lũ lụt, động đất, sóng thần thường xuyên xảy ra tại
nhiều khu vực trên thế giới.
Ở nước ta trong những năm vừa qua, nhất là từ khi thực hiện chính sách đổi
mới đã đạt được những thành tựu to lớn về phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên, tốc
độ phát triển kinh tế quá cao đã dẫn tới việc khai thác tài nguyên thiên nhiên khơng

có quy hoạch, mà hậu quả là sự suy giảm nguồn tài ngun thiên nhiên và suy thối
mơi trường nghiêm trọng trên diện rộng. Rừng tự nhiên bị chặt phá bừa bãi để lấy
gỗ, củi, khai thác khoáng sản, những diện tích rừng ngập mặn rất lớn bị chặt phá để
nuôi tôm, nguồn nước bị ô nhiễm, thiên tai hạn hán, lũ lụt xảy ra thường xuyên.
Trước tình hình đó, nhu cầu bức xúc đặt ra là phải có những thơng tin chính xác, kịp
thời về diễn biến lớp phủ mặt đất để phục vụ một cách hiệu quả cho công tác điều
tra, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường.
Các thông tin về lớp phủ mặt đất được thu thập bằng hai phương pháp cơ bản
là khảo sát thực địa và phân tích tư liệu viễn thám. Khảo sát thực địa là phương
pháp thu thập thông tin truyền thống thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian.
Phân tích tư liệu viễn thám là phương pháp hiện đại, cho phép chiết tách các thông
tin lớp phủ mặt đất một cách nhanh chóng, hiệu quả và ít tốn kém.
1.1.2 Phân loại lớp phủ mặt đất
Để thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các thông tin lớp phủ mặt đất và
đảm bảo tính thống nhất về nội dung thơng tin, người ta đó xây dựng các hệ phân
loại lớp phủ mặt đất. Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựa
trên nguyên tắc sau:
- Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tượng bề mặt thành các
nhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tượng như mặt nước, mặt đất, lớp
phủ thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo.
- Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm các
loại ảnh vệ tinh như SPOT, LANDSAT, ảnh hàng không…
- Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đối
tượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau.
11


- Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn
- Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợp
với việc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu

cầu thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau.
Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với
điều kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực.
Hệ phân loại FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land Cover
Classification) vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa
chi tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thơng tin nhờ khảo
sát ngoại nghiệp.
Hệ phân loại CORINE (Coordination of information on the environment)
dựa vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của
Mỹ và Châu Âu.
Cụ thể là:
* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính:
Cấp 1 (Level1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay khơng có lớp phủ
thực vật của bề mặt đất.
Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1
theo đặc điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất.
Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2
theo tính chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất. Từ cấp 3 trở đi các đối tượng
được phân chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vực
nghiên cứu và mức độ chi tiết của bản đồ cần thành lập.
* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp:
Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của trái
đất là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt,
mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu.

12


Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật.
Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối

tượng cũng như khu vực nghiên cứu.
Ở nước ta trong những năm gần đây đã quan tâm đến việc thành lập bản đồ
lớp phủ mặt đất, nhưng chưa có một cơng trình nào chun nghiên cứu về hệ phân
loại của bản đồ để đưa ra một hệ phân loại chung áp dụng cho cả nước như hệ phân
loại của bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Các bản đồ lớp phủ mặt đất đã thành lập đều
phục vụ một mục đích cụ thể hoặc chỉ là một lớp thông tin của lớp phủ mặt đất như
lớp phủ rừng.
Thông qua việc nghiên cứu, tham khảo các hệ phân loại “Lớp phủ mặt đất ”,
đồng thời phân tích đặc điểm của các đối tượng trong vùng thử nghiệm kết hợp với
khả năng thông tin của các tư liệu sử dụng, tác giả đã xây dựng hệ phân loại một số
đối tượng lớp phủ mặt đất phục vụ nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được trình bày
trong bảng dưới đây :
Cấp 1
Lớp phủ mặt nước
Lớp phủ đất nông
nghiệp
Lớp phủ dân cư
Lớp phủ mặt đất

Cấp 2
1. Hồ ao, sông suối, kênh mương
2. Vùng chuyên canh lúa, lúa màu
3. Vùng chuyên canh rau màu, cây ngắn ngày khác
4. Đất trồng cây lâu năm
5. Khu dân cư đô thị
6. Khu dân cư nông thôn
7. Đất chưa sử dụng

khác
Bảng 1.1 - Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực huyện Từ Liêm

1.2 Khái niệm về biến động
Cụm từ biến động được nhắc đến ở mọi nơi, mọi lúc ví như: biến động thị
trường, biến động giá cả, biến động không gian, biến động dân số, biến động tâm
lí… Như vậy, biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này
bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự
nhiên cũng như môi trường xã hội.
13


* Biến động về chất và về lượng
Theo triết học duy vật biện chứng: Chất là tính quy định vốn có của các sự
vật và hiện tượng, là sự thống nhất hữu cơ của các thuộc tính, các yếu tố cấu thành
sự vật, nói lên sự vật đó là gì, phân biệt nó với các sự vật, hiện tượng khác. Lượng
là tính quy định vốn có của sự vật hiện tượng về quy mơ, trình độ phát triển, biểu thị
con số các thuộc tính, các yếu tố cấu thành nó.
Như vậy, những thay đổi đơn thuần về lượng đến một mức độ nhất định sẽ
chuyển thành sự thay đổi khác nhau về chất. Chiều ngược lại, có nghĩa là khi chất
mới ra đời, nó lại tạo ra một lượng mới phù hợp với nó để có một sự thống nhất mới
giữa chất và lượng. Sự quy định này có thể được biểu hiện ở quy mô mức độ và
nhịp độ phát triển mới của lượng. Từ đó ta thấy rằng: quy luật lượng chất là quy luật
về sự tác động biện chứng giữa lượng và chất, những thay đổi về lượng chuyển
thành những thay đổi về chất và ngược lại. Chất là mặt tương đối ổn định, lượng là
mặt biến đổi mâu thuẫn với chất cũ, chất mới được hình thành với lượng mới.
Nhưng lượng mới lại tiếp tục biến đổi, đến một mức độ nào đó lại phá vỡ chất cũ
đang kìm hãm nó. Q trình tác động lẫn nhau giữa hai mặt chất, lượng tạo nên một
con đường vận động liên tục, từ biến đổi dần dần dẫn tới nhảy vọt, rồi lại biến đổi
dần dần chuẩn bị cho những bước nhảy tiếp theo, cứ thế làm cho sự vật không
ngừng biến đổi, phát triển.
* Biến động về diện tích đối tượng (biến động về số lượng)

Giả sử cùng đối tượng A ở thời điểm T1 có diện tích S1, ở thời điểm T2 có
diện tích là S2 (đối tượng A thu nhận được từ hai ảnh vệ tinh có thời điểm chụp
khác nhau), như vậy ta nói rằng A bị biến đổi diện tích ở thời điểm T1 so với T2 (sự
biến đổi này có thể bằng nhau, nhỏ hơn hoặc lớn hơn) nếu ta dùng kỹ thuật để
chồng xếp hai lớp thơng tin này thì phần diện tích của phần trùng nhau sẽ được gán
giá trị cũ của đối tượng A, còn giá trị khác sẽ là giá trị của phần biến động. Giá trị
biến động này là bao nhiêu, tăng hay giảm phụ thuộc vào thuật toán được sử dụng.
* Biến động về bản chất đối tượng
Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác nhau,
14


diện tích A ở thời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2 (M1, M2 là
các giá trị phổ), ta sử dụng thuật toán chồng ghép hai lớp thông tin tại hai thời điểm
T1, T2 sẽ xuất hiện giá trị M khác M1, M2. Giả sử diện tích A khơng đổi ta nói rằng
có sự thay đổi về chất của A, trên thực tế đây là sự thay đổi loại hình lớp phủ mặt
đất.
* Phân tích vector biến động
Các đối tượng địa lý đơn giản hay phức tạp đều được qui thành 3 dạng: điểm
(point), đường (line), vùng (polygon). Trong đó: điểm (point): thể hiện một phần tử
dữ liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều. Phương pháp
phân tích vector cho phép xác định và nghiên cứu xu thế biến động về chất của
từng điểm trong không gian 2 hoặc n chiều.
Biến động vùng đất được thể hiện qua hai hình thức chính sau:
- Biến động về diện tích: biến động về diện tích thể hiện qua các thời gian
khác nhau.
- Biến động về loại hình đất đai: biến động về hiện trạng lớp phủ mặt đất
thể hiện qua hai thời điểm khác nhau.
Từ các tư liệu ảnh, tiến hành so sánh để có thơng tin về sự biến động của đất
đai theo nguyên tắc phân tích vector.

1.3 Các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động
Theo dõi biến động tài nguyên và môi trường đã trở thành một ứng dụng
quan trọng được nghiên cứu nhiều trong kỹ thuật viễn thám. Với việc sử dụng vệ
tinh quang học, có thể tóm tắt lại thành 4 phương pháp đánh giá biến động chính
sau:
* Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại

15


Hình 1.2 - Phương pháp phân tích sau phân loại
Việc tiến hành phân loại độc lập các ảnh viễn thám làm cho phương pháp
này có độ chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép phân loại
và đó thường là độ chính xác khơng cao, đặc biệt là chuỗi ảnh có số lượng lớn.
Nhận xét về độ chính xác của phương pháp này, người ta đã đưa ra: Nếu độ chính
xác của hai phép phân loại đạt lần lượt là 80% và 70%, độ chính xác của phần biến
động nhận biết được sẽ đạt là 56%. Do vậy, cần phải hết sức thận trọng khi sử dụng
mặc dù phải thừa nhận rằng đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện.
* Phương pháp 2: Phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian

Hình 1.3 - Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian
Phương pháp này thực chất là ghép hai ảnh vào nhau tạo thành ảnh đa thời
gian trước khi phân loại. Hai ảnh có n kênh phổ được chồng phủ lên nhau để tạo nên
một ảnh có 2n kênh. Kết quả phân loại của ảnh chồng phủ gồm 2n kênh này là tập
hợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi. Hạn chế lớn nhất của
phương pháp này là tuy chỉ phân loại một lần, một ảnh (đa thời gian) nhưng lại rất
16

phức tạp trong lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu không biến động cũng như các mẫu
biến động. Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (trong các mùa trong
năm) và ảnh hưởng của khí quyển cũng khơng dễ được loại trừ và do đó ảnh hưởng
tới độ chính xác của phương pháp.
* Phương pháp 3: nhận biết thay đổi phổ

Hình 1.4 - Phương pháp nhận biết thay đổi phổ
Về bản chất, nhóm phương pháp này sử dụng các kỹ thuật khác nhau để từ
hai ảnh ban đầu tạo nên một kênh hay nhiều kênh ảnh mới thể hiện sự thay đổi phổ.
Sự khác biệt hoặc tương tự phổ giữa các pixel có thể được tính cho từng pixel hoặc
tính trên tồn cảnh cùng với tính trên từng pixel. Vì thế, phương pháp này địi hỏi
nắn chỉnh hình học phải có sai số nhỏ hơn 1 pixel.
Kết quả của việc so sánh là một ảnh chỉ rõ những khu vực có thay đổi và
khơng thay đổi cũng như mức độ thay đổi (ảnh này được gọi là ảnh thay đổi). Khi
ảnh này được tạo ra, để có thể phân định được rõ các pixel thay đổi cũng như mức
độ thay đổi cần phải có một số bước xử lý tiếp theo, trong đó quan trọng nhất là kỹ
thuật phân ngưỡng. Phân ngưỡng thực chất là việc định nghĩa mức độ mà tại đó
chúng ta coi là sự thay đổi. Phương pháp xác định ngưỡng được sử dụng nhiều nhất
là phân tích hàm phân bố của ảnh thay đổi.
* Phương pháp 4: Kết hợp

17


Hình 1.5 - Phương pháp kết hợp
Như đã thấy ở trên, nhóm các phương pháp nhận biết thay đổi phổ ln cần
các phân tích tiếp theo để nhận được các thơng tin về sự thay đổi. Trong khi đó, các
phương pháp nhận biết dựa trên phân loại lại là những phân tích thể hiện sự thay
đổi. Vì vậy, để giảm sai số trong nhận biết biến động, việc kết hợp giữa hai phương
pháp này có thể được tiến hành theo rất nhiều các phương pháp khác nhau. Ý tưởng

chính của việc kết hợp này là sử dụng các phương pháp trong nhóm phương pháp
nhận biết thay đổi phổ để chỉ ra các vùng có thay đổi và sau đó áp dụng phương
pháp phân loại chỉ cho những vùng này để định danh sự thay đổi đó.

1.4 Tổng quan các cơng trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng
ven đơ
Hiện nay đã có rất nhiều các cơng trình nghiên cứu về biến động lớp phủ mặt
đất với các góc nhìn khác nhau, có cơng trình tập trung vào phân tích nghiên cứu lý
luận, có cơng trình tập trung vào các phương pháp tìm ra biến động và có những
cơng trình kết hợp cả hai: kỹ thuật phát hiện biến động, đánh giá kết quả và bổ sung
lý luận.
Trong nhóm các cơng trình nghiên cứu, tác giả tập trung nghiên cứu, tìm
hiểu các cơng trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô.
Đề tài “Nghiên cứu biến động một số loại hình sử dụng đất vùng ven đô
huyện Từ Liêm thành phố Hà Nội trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và
18


GIS” của tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng đã giải quyết những vấn đề như chiết xuất
các thông tin về biến động sử dụng đất từ dữ liệu viễn thám đa phổ và đa thời gian
thông qua một số phương pháp phân tích và xử lý ảnh số, tích hợp các kết quả phân
tích dữ liệu viễn thám với các dữ liệu khác để đánh giá mối tương quan giữa biến
động sử dụng đất và các hiện tượng kinh tế xã hội.
Nhóm tác giả Nhữ Thị Xuân, Đinh Thị Bảo Hoa, Nguyễn Thị Thuý Hằng với
bài báo “Đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội giai
đoạn 1994 - 2003 trên cơ sở phương pháp viễn thám kết hợp GIS” đã phân tích,
đánh giá biến động sử dụng đất khu vực Thanh Trì. Đây cũng là một trong những
khu vực có sự ảnh hưởng lớn do q trình đơ thị hóa.
Ngồi việc sử dụng các tư liệu viễn thám trong nghiên cứu biến động, tác giả
Hoàng Thị Thanh Hương trong đề tài “Nghiên cứu biến động sử dụng đất quận

Long Biên, thành phố Hà Nội trong q trình đơ thị hố” đã kết hợp tư liệu viễn
thám với khả năng phân tích khơng gian của hệ thông tin địa lý. Đề tài thử nghiệm
phương pháp phân loại mới là phân loại theo đối tượng, phương pháp thực hiện trên
tư liệu viễn thám có độ phân giải cao (VHR). Đồng thời sử dụng phân tích khơng
gian trong GIS để đối sánh các kết quả phân loại với các dữ liệu kinh tế xã hội được
mối tác động qua lại giữa chúng. Kết quả cho thấy rằng, ảnh viễn thám với độ phân
giải khơng gian cao có thể đáp ứng được yêu cầu độ chính xác của các vùng đơ thị
có tính chất manh mún như ở Việt Nam.
Việc ứng dụng viễn thám trong theo dõi hiện trạng sử dụng đất mặc dù đã
phổ biến trên thế giới nhưng ở Việt Nam vẫn chưa được áp dụng rộng rãi. Điều này
có thể thấy rằng, khả năng của viễn thám trong theo dõi hiện trạng là rất tốt nhưng
việc thực hiện cơng việc này cịn rất khó khăn, nhất là với khu vực có diện tích nhỏ.

19


CHƯƠNG 2 - KHẢ NĂNG KHAI THÁC THÔNG TIN VIỄN THÁM
TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT
2.1 Công nghệ viễn thám trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất
Ngày nay ai cũng nhận thức được rằng hậu quả tất yếu của việc tăng dân số
và phát triển kinh tế dẫn đến những đòi hỏi ngày càng bức bách hơn đối với các tài
nguyên trên trái đất và dẫn đến những tác động sâu sắc tới môi trường toàn cầu như:
các tài nguyên thiên nhiên bị cạn kiệt, ô nhiễm môi trường, các loại hình sử dụng
đất bị thay đối dưới tác động của q trình đơ thị hóa, phá rừng, khả năng biến đổi
khí hậu tồn cầu do các tác động của con người trong quá trình sản xuất và tiêu thụ
các loại khí nhà kính.
Trong khi đó con nguời cũng ý thức được tính khơng ổn định của hệ thống
Trái đất với những hiện tượng thiên tai cực đoan ngày càng xuất hiện nhiều hơn
như lũ lụt, hạn hán, động đất... Bất chấp sự gia tăng cũng như tính nghiêm trọng
của các hiện tượng đó, chúng ta vẫn phải phát triển nhưng cần phát triển sao cho

bền vững và không gây các tác động nghiêm trọng đến mơi trường. Để có thể kịp
thời đánh giá được các trạng thái phát triển chúng ta cần thu thập được dữ liệu về
môi trường trái đất trên quy mô toàn cầu. Các dữ liệu này bao gồm các tham số địa
vật lý, thơng tin về khí quyển, thảm thực vật, hiện trạng sử dụng đất... Chúng có thể
là các chuỗi dữ liệu đa thời gian cho một điểm hoặc khu vực.
Trong những năm gần đây các hệ thống quan trắc trái đất từ vệ tinh đã nâng
tầm hiểu biết về trái đất ngày càng đầy đủ hơn. Các chuyến bay dự tính cùng với
các vệ tinh đã phóng sẽ tăng cường kho thông tin về trái đất. Các thông tin thu thập
được sử dụng vào các mục đích chính sau:
•

Nghiên cứu về biến đổi khí hậu

•

Nghiên cứu sự biến động tầng ơzơn

•

Dự báo thời tiết

•

Ứng dụng trong nơng nghiệp và lâm nghiệp

20


•

Điều tra tài nguyên khoáng sản

•

Theo dõi giảm nhẹ thiên tai

•

Ứng dụng trong quản lý đới bờ

•

Các ứng dụng trong hải dương học

Các vệ tinh quan trắc trái đất có khả năng được sử dụng để hỗ trợ công tác
quy hoạch phát triển, ví dụ cung cấp thơng tin nhằm tăng hiệu quả việc khai thác tài
nguyên hoặc các công nghệ hồn ngun mơi trường. Trong nhiều trường hợp cịn
cung cấp nhiều thơng tin hữu ích đánh giá tính bền vững của một kế hoạch phát
triển. Hiện nay có nhiều quốc gia tham gia vào mạng lưới quan trắc trái đất từ vũ
trụ. Trước tiên phải kể đến Mỹ với Cơ quan quản lý vũ trụ (NASA), các nước thuộc
cộng đồng Châu Âu với Cơ quan vũ trụ Châu Âu (ESA), Nhật Bản với Cơ quan
phát triển vũ trụ Nhật Bản (NASDA). Ngoài ra nhiều quốc gia khác nữa như ấn Độ,
Trung Quốc, Canada…cũng có những chương trình nghiên cứu vũ trụ riêng của
mình và đã đạt được rất nhiều thành tựu trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
Các hoạt động nghiên cứu Trái đất từ vũ trụ được điều phối trên quy mơ tồn cầu
bởi ủy ban quan trắc trái đất bằng vệ tinh (Committee on Earth Observation –
CEOS) thành lập năm 1984 trong cuộc họp thượng đỉnh về kinh tế các nước G7.

Hình 2.1 - Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường Trái Đất
Hệ thống vệ tinh này nhằm quan trắc, tìm hiểu và theo dõi những ảnh huởng

của các hiện tượng tự nhiên và tác động của con người đối với môi trường Trái đất.
21


Các hệ thống vệ tinh quan trắc trái đất có thể được phân thành nhiều loại khác nhau
tùy theo các chỉ tiêu phân loại: vệ tinh khí tượng thời tiết hay vệ tinh tài nguyên môi
trường
2.1.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám
Viễn thám là phương pháp xử lý và phân tích các thơng tin của những đối
tượng phân bố trên bề mặt Trái Đất và được thu thập từ ba tầng không gian: Vũ trụ
(ngồi 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 2.2 - Khái niệm chung về viễn thám
Cơ sở khoa học của công nghệ viễn thám dựa trên bản chất vật lí 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
các sóng điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm
(remote sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh.
Sóng điện từ được phản xạ hoặc được 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 thơng
qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám là một công nghệ
22


nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua
những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ.

Hình 2.3 - Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin

Bức xạ điện từ có 4 thơng số cơ bản đó là tần số, hướng lan truyền, biên độ
và mặt phẳng phân cực. Các thơng số này có thể sử dụng trong việc khai thác thơng
tin ảnh. Ví dụ: tần số có thể được dùng 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 khơng nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất - đồng nghĩa
với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thơng tin. Ở những vùng cịn 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.

23


Hình 2.4 - Cửa sổ khí quyển
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 dạng ra
đối tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc
trưng phổ và sắc, tông mầu trên ảnh tổ hợp mầu để giải đốn đối tượng.

Hình 2.5 - Phân loại sóng điện từ
Về ngun tắc, vệ tinh “nhìn” được tất cả các đối tượng trên bề mặt Trái Đất
bao gồm: đất, nước và thực vật. Đặc trưng phổ của các đối tượng này có thể được
biểu diễn như trên hình 2.6

24


Hình 2.6 - Đường cong phổ phản xạ
Thơng qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng người ta
thiết kế các 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. Mỗi loại vệ tinh được thiết kế để thu nhận ở một
số dải phổ nhất định hay còn gọi là các kênh phổ
Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0.3-0.4 µm), vùng
ánh sáng nhìn thấy (0.4-0.7 µm), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt.
Trong tất cả tài liệu cơ sở về viễn thám, theo buớc sóng sử dụng, cơng nghệ viễn
thám có thể chia làm ba nhóm chính:
1. Viễn thám trong giải 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: Tia
Gamma - Y tế và hạt nhân; Vùng nhìn thấy - Cho các phân tích bằng mắt; Hồng
ngoại - Phân biệt thảm thực vật; Sóng ngắn - Mặt đất, mặt nước ...
2.1.2 Cơ sở viễn thám ứng dụng trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất
Viễn thám là một khoa học công nghệ giúp xác định, đo đạc hoặc phân tích
các tính chất của các đối tượng hoặc hiện tượng từ một khoảng cách xa mà không
cần tiếp xúc trực tiếp tới đối tượng.
25