Đánh giá biến động độ che phủ thực vật giai đoạn 20052015 sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat khu vực huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội

MỤC LỤC

1


DANH MỤC BẢNG

2


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian
từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự
quan tâm, giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi tới các thầy, cô giáo trong khoa Trắc địa –
Bản đồ Trường Đại Học Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội lời cảm ơn sâu sắc nhất.
Các thầy, cô đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức
quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại mái Trường Đại Học Tài
Nguyên và Môi Trường Hà Nội. Và đặc biệt, Khoa Trắc địa – Bản đồ đã cho chúng em
được tiếp cận với nhiều môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên khoa Trắc
địa – Bản đồ cũng như tất cả các sinh viên đang ngồi trên ghế nhà trường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Tiến Thành đã tận tâm giúp đỡ em
trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp. Nếu không có sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tâm của
cô thì em nghĩ em không thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp cách tốt đẹp được
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !!!
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Sinh viên

Nguyễn Tú Thanh

3


MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học vũ trụ thì ảnh viễn thám cũng đã xuất
hiện và ngày càng tỏ rõ tính ưu việt trong công tác điều tra quản lý tài nguyên, đặc biệt
là sự xuất hiện của các tư liệu viễn thám mới như LANDSAT, SPOT, IKONOS,
ASTER, ... đây là những ảnh viễn thám có độ phân giải không gian và phân giải phổ
cao. Một số tư liệu viễn thám còn có khả năng chụp lập thể, đặc biệt là có thể cập nhập
thông tin nhanh chóng thông qua việc thu nhận và xử lý ảnh vệ tinh ở nhiều thời điểm
khác nhau, tạo thành ảnh đa thời gian ở dạng số, là sản phẩm dễ dàng sử dụng trong
các phần mềm phân tích ảnh hiện đại, đã đem lại giá trị đích thực của phương pháp
viễn thám trong nghiên cứu mối quan hệ và tác động qua lại của các đối tượng, các
hiện tượng, như các đối tượng biến động thảm thực vật, tài nguyên rừng... đem lại khả
năng thực tế cho xu hướng thành lập bản đồ theo quan điểm đồng bộ, hệ thống.
Độ che phủ thực vật là một trong nhiều yếu tố quan trọng được sử dụng để đánh
giá các quá trình tự nhiên như xói lở, trượt lở, lũ lụt cũng như tốc độ phá hủy môi
trường tự nhiên do các hoạt động nhân sinh. Đối với những khu vực miền núi hiểm
trở, thành lập bản đồ thảm phủ gặp nhiều khó khăn do không thể tiến hành lấy mẫu
phân tích đều khắp vùng. Thành lập sơ đồ thảm phủ thực vật từ phân tích ảnh viễn
thám đã rút gọn thời gian và làm tăng độ chính xác của bản đồ.
Nhận thức được tầm quan trọng của sự thay đổi độ che phủ thực vật với sự thay
đổi khí hậu và chất lượng cuộc sống, đồng thời với mong muốn áp dụng phương pháp
mới, có hiệu quả trong đánh giá và quản lý tài nguyên rừng, em đã chọn đề tài : “
Đánh giá biến động độ che phủ thực vật giai đoạn 2005-2015 sử dụng tư liệu ảnh
vệ tinh Landsat khu vực huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội”.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu của đồ án đánh giá biến động độ che phủ thực vật từ tư liệu ảnh vệ tinh

Landsat giai đoạn 2005 - 2015
Phạm vi nghiên cứu là khu vực huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội – là một
trong những huyện đa dạng hệ thực vật của thành phố Hà Nội và đang chịu sự biến đổi
khí hậu.
4


3.Nội dung nghiên cứu:
-

Nghiên cứu tổng quan về viễn thám
Tìm hiểu phương pháp xử lý ảnh vệ tinh
Nghiên cứu quy trình biến động độ che phủ thực vật từ tư liệu ảnh vệ tinh Landsat

-

Đánh giá biến động độ che phủ vật khu vực Đông Anh-Hà Nội
4. Phương pháp nghiên cứu

-

Phương pháp thu thập dữ liệu: thu thập ảnh vệ tinh, bản đồ và các tài liệu khác của khu

-

vực nghiên cứu
Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế: nhằm bổ sung chính xác các thông tin thực tế

-

và khu vực nghiên cứu, đánh giá độ chính xác kết quả nghiên cứu
Phương pháp viễn thám: chiết tách thông tin

-

Phương pháp GIS: sử dụng trong thành lập bản đồ biến động độ che phủ thực vật khu
vực nghiên cứu
5. Bố cục đồ án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung đề tài được trình
bày trong 3 chương:
Chương I : Tổng quan về công nghệ viễn thám.
Chương II: Phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động độ che phủ thực
vật.
Chương III: Thực nghiệm đánh giá biến động độ che phủ thực vật khu vực huyện
Đông Anh, thành phố Hà Nội giai đoạn 2005-2015.

5


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM
1.1.

Khái niệm về viễn thám
Viễn thám (Remote sensing – tieesng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ
thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông
qua việc phân tích tài liệu thu nhận bằng các phương tiện. Những phương tiện này
không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng nghiên cứu.
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có
nét chung nhấn mạnh “viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối
tượng, hiện tượng trên trái đất”.

Thuật ngữ viễn thám được sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm tất cả
các lĩnh vực như không gian ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh.
Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể được xác định thông qua năng
lượng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám còn là một công nghệ nhằm xác
định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua những đặc trưng
riêng về sự phản xạ và bức xạ.
Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện tử hoặc được
phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc
bức xạ vật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi
giá trị điện từ sang giá trị số để thu được ảnh số (digtal number). Phương tiện dùng để
mang bộ cảm biến được gọi là vật mang. Hiện nay, vật mang rất đa dạng có thể là kinh
khí cầu, máy bay, vệ tinh, tàu vũ trụ…

1.2.

Các thành phần chính của hệ thống viễn thám

Hình 1.1 : Các thành phần của hệ thống viễn thám
6


Sóng điện tử được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin
chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp các thông tin về các vật
thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng xác định. Đo lường và
phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bở ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin
hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật
thể.
Nguồn năng lượng chính thường được sử dụng trong viễn thám là nguồn năng
lượng mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được
bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận.

Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và
xử lý tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của
chuyên gia. Cuối cùng dữ liệu, thông tin liên quan đến các vật thể, hiện tượng trên mặt
đất sẽ được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như lâm nghiệp, địa chất, khí
tượng.

Hình 1.2 : Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám
Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các
phần tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc từng bước sóng cụ thể.
Trong viễn thám người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí
quyển vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điên từ với khí quyển sẽ có tác
động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận.
7


Phân loại viễn thám

1.3.

Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố:
1.3.1.

Hình dáng quỹ đạo vệ tinh
Độ bay cao của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo
Dải phổ của các thiết bị thu
Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận
Phân loại theo nguồn tín hiệu
Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám được chia làm hai loại: viễn thám chủ
động và viễn thám bị động

Hình 1.3 : Viễn thám chủ động và viễn thám bị động
-

Viễn thám chủ động (active): nguồn tia tới là ánh sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo

-

thường là các thiết bị máy phát đặt trên các thiết bị bay.
Viễn thám bị động (passive): nguồn bức xạ là mặt trời hoặc các vật chất tự nhiên.
Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viến thám và các công nghệ vũ trụ đã trở
lên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Các nước có nền công nghệ vũ trụ phát triển đã
phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó mang nhiều thiết bị viễn thám khác nhau. Các
trạm thu mặt đất phân bố đều trên phạm vi toàn cầu có khả năng thu nhận nhiều loại tư
liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống.

1.3.2.

Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo
Có hai loại chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực
(hay gần cực).

8


Hình 1.4 : Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ quay bằng tốc độ quay của trái đất, nghĩa là
vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên.
Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc so
với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của
trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên

mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian thu là lặp lại đối với một vệ tinh. Ví dụ
Landsat là 18 ngày, SPOT là 26 ngày.
1.3.3.

Phân loại theo dải sóng thu nhận
Theo bước sóng sử dụng có thể chia viễn thám thành ba loại cơ bản:

-

Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại
Viễn thám hồng ngoại nhiệt
Viễn thám siêu cao tần
Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải sóng
nhìn thầy và hồng ngoại. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế 0,5m. Tư
liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thầy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ
bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Các thông tin từ vật thể được xác định từ các phổ
phản xạ.
Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bước sóng từ 1 đến vài
chục centimet. Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủ động
9


được chủ động phát ra từ máy phát. Kỹ thuật rada thuộc viễn thám siêu cao tần chủ
động. Rada chủ động phát ra nguồn năng lượng tới các vật thể sau đó thu lại được
những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể.
Nguồn năng lượng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do chính vật
thể phát xạ. Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần
của vật thể.
1.4.
Ứng dụng của công nghệ viễn thám

1.4.1. Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để thành lập bản đồ

Khi con người phóng các vệ tinh và các con tàu vũ trụ vào không gian, các nhà
khảo sát và bản đồ học đã mong một ngày nào có thể sử dụng các tấm ảnh chụp từ vũ
trụ vào mục đích đo vẽ bản đồ. Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng : có thể sử
dụng tư liệu ảnh thu nhận bề mặt trái đất từ các con tàu vũ trụ để thành lập bản đồ tỷ lệ
1: 250.000 và nhỏ hơn. Tuy nhiên độ phân giải của chúng không thỏa mãn một số yêu
cầu của nội dung bản đồ cần thiết như thể hiện chính xác các con đường, các tuyến
đường sắt, các khu đô thị, và vẽ các cấu trúc nhân tạo trong đó.
a. Đối với tư liệu ảnh Landsat MSS, TM, ETM+

Ảnh Landsat MSS được sử dụng để tạo ra các sản phẩm bản đồ ảnh, một số loại
bản đồ chuyên đề, cập nhật và hiện chỉnh các loại bản đồ cảnh quan, bản đồ bay, bản
đồ địa hình và đồng thời biên vẽ lược đồ nông sâu của biển.
Ảnh Landsat TM có độ phân giải cao có thể đáp ứng công tác thành lập hoặc hiệu
chỉnh bản đồ tỷ lệ 1: 250.000 đến 1: 50.000
b. Đối với ảnh SPOT, MAPSAT

Ở nhiều nước, người ta tiến hành nhiều thực nghiệm về công tác tăng dày và đo
vẽ bản đồ trên ảnh SPOT. Nhìn chung đều có kết luận ảnh SPOT có thể sử dụng vẽ các
loại bản đồ tỷ lệ 1: 250.000 với khoảng cao đều từ 20 đến 25m.
Ảnh đa phổ MAPSAT dùng để vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 50.000 với khoảng cao đều
20m. Độ phân giải mặt đất là 10m đối với ảnh toàn sắc và 30m đối với ảnh đa phổ.
c. Đối với tư liệu ảnh thu từ máy chụp ảnh vũ trụ quang học

Khi sử dụng ảnh vũ trụ được chụp từ các máy chụp ảnh quang học có thể đo vẽ
bản đồ tỷ lệ trung bình và nhỏ.
1.4.2. Ứng dụng trong điều tra và quản lý tài nguyên môi trường
a. Phân loại bề mặt lớp phủ

10


Lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt là một trong những ứng dụng quan trọng
nhất và tiêu biểu của viễn thám. Lớp phủ bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái
tự nhiên trên bề mặt trái đất, ví dụ : đất rừng, tràng cỏ, sa mạc,… Trong khi đó sử dụng
đất phản ánh các hoạt động của con người trong việc sử dụng đất như các vùng công
nghiệp, đất thổ cư, đất trồng các loại hoa màu canh tác.
b. Giám sát tài nguyên đất

Sử dụng viễn thám để giám sát tài nguyên đất qua việc thống kê và thành lập bản
đồ sử dụng đất, điều tra trạng thái mùa màng và thảm thực vật. Xác định và phân loại
các vùng thổ nhưỡng, đánh giá mức độ thoái hóa đất, tác hại của xói mòn, quá trình
muối hóa. Kết hợp qua phân tích viễn thám và điều tra thông tin ngoài thực địa điển
hình sẽ đưa cho ta kết quả chính xác.
c. Theo dõi chất lượng nước

Vấn đề ô nhiễm nước đang là vấn đề thời sự tại khu vực các thành phố lớn và dọc
theo miền duyên hải. Sử dụng kỹ thuật viễn thám trong việc theo dõi chất lượng nước
và một số đặc trưng phản xạ, hấp thụ của nước. Nước sạch bị hấp thụ ít nhất ở bước
sóng 0.5m, nước chứa nhiều trầm tích lơ lửng bị hấp thụ ít nhất ở bước sóng 0.5 m.
Nhìn chung bức xạ trong dải sóng nhìn thấy tán xạ trong lòng nước tạo thành cho nước
trong có màu chàm tiêu biểu, nhưng do bị các trầm tích lơ lửng hấp thụ nên nước đục
thường có màu lục hoặc màu vàng trên các ảnh tổ hợp màu chuẩn.
1.4.3.

Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu địa chất
Mục đích chính của việc áp dụng kỹ thuật viễn thám trong địa chất là phát hiện,
xác định và lập bản đồ các yếu tố trên bề mặt hoặc gần bề mặt của vỏ trái đất dựa trên
các ưu điểm của tư liệu viễn thám như tính tổng quan khu vực, tính phổ. Các tư liệu

viễn thám được giải đoán nhằm khai thác các thông tin về thành phần thạch học, các
hệ thống cấu trúc, các yếu tố địa hình địa mạo, các hệ thống thủy văn.
Các tư liệu như ảnh máy bay được sử dụng trong nghiên cứu bởi nó có độ phân
giải cao và cho phép quan sát lập thể. Được sử dụng trong giải đoán ảnh.
Các tư liệu hồng ngoại nhiệt được sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu các đới địa
nhiệt và những đối tượng liên quan. Sử dụng giải đoán trực tiếp hoặc ứng dụng trong
mô hình địa nhiệt.

11


Các dữ liệu siêu cao tần cũng được ứng dụng trong nghiên cứu địa chất bởi các
đặc tính như quan sát trong mọi thời tiết, không bị ảnh hưởng bở sương mù, hơi nước
đậm đặc. Các dữ liệu này còn cho phép nghiên cứu xuyên sâu xuống lòng đất và vượt
qua lớp phủ thực vật dày đặc, tiêu biểu cho các vùng khí hậu nhiệt đới.
1.5.
Tìm hiểu về vệ tinh viễn thám Landsat
1.5.1. Giới thiệu

Vệ tinh LANDSAT là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng vào mục
đích thăm dò tài nguyên Trái Đất. Thế hệ đầu tiên của vệ tinh LANDSAT mang tên Vệ
tinh công nghệ tài nguyên Trái đất (Earth Resouress Technology Satellite – ERTS),
đến năm 1975, được đổi tên thành LANDSAT. Vệ tinh ERTS - 1 được phóng vào ngày
23/6/1972. Sau đó NASA đổi tên chương trình ERTS thành LANDSAT, ERTS -1 được
đổi tên thành LANDSAT 1. Cho đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinh LANDSAT được thực
hiện, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo. Ảnh vệ tinh
LANDSAT với đặc điểm độ phân giải không gian trung bình, số lượng kênh phổ tương
đối lớn, giá thành hạ, thậm chí miễn phí trở thành nguồn tư liệu phong phú và quý giá
trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường.
Bảng 1.1: Các thế hệ vệ tinh Landsat

Vệ tinh
Landsat 1
Landsat 2
Landsat 3
Landsat 4
Landsat 5
Landsat 6
Landsat 7
Landsat 8

Ngày phóng
23/6/1972
22/1/1975
05/3/1978
16/7/1982
01/3/1984
05/3/1993
15/4/1999
11/02/2013

Ngày ngừng hoạt động
Bộ cảm
06/1/1978
MSS
22/1/1981
MSS
31/3/1983
MSS
15/6/2001
TM, MSS

05/6/2013
TM, MSS
Bị hỏng ngay khi phóng
ETM
Đang hoạt động
ETM+
Đang hoạt động
OLI và TIRS
(Nguồn: )

Tư liệu vệ tinh Landsat là tư liệu viễn thám đang được sử dụng rộng rãi trên toàn
thế giới và Việt Nam

12


Hình 1.5 : Vệ tinh Landsat 7(trái) và Vệ tinh Landsat 8(phải)
Hiện nay, ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải
khác nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM được thu từ vệ tinh Landsat 4, Landsat 5
và ảnh Landsat ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat 7 được sử dụng phổ biến nhất.
Ảnh Landsat TM gồm 6 kênh phổ nằm trên dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại với
độ phân giải không gian 30m30m và một số giải phổ hồng ngoại ở kênh 6, độ phân
giải 120m120m để đo nhiệt độ bề mặt
Bảng 1.2 : Một số thông tin kênh phổ của ảnh Landsat TM
TM
Landsat
4,5
TM1
TM2
TM3

TM4
TM5

Dải phổ
0.45 –
0.53
0.52 – 0.6
0.63 –
0.69
0.76 – 0.9
1.55 –
1.75

Tên

Độ phân giải
không gian

Số dòng
quét

Số bit

Blue

30

16

8

Green

30

16

8

Red

30

16

8

NIR

30

16

8

SWIR

30

16

8

TM6

10.4 –
12.5

Hồng
ngoại nhiệt

120

5

8

TM7

2.08 –
2.35

SWIR

30

16

8

Độ phủ cảnh
của TM4-TM7

185 x 185 km
10% chồng phía
trước, 8% hai rìa

(Nguồn: )

13


Ảnh Landsat ETM+ ghi phổ trên 8 kênh ở các bước sóng giống như của ảnh
Landsat TM, điều khác biệt ở Landsat ETM+ kênh hồng ngoại nhiệt có độ phân giải
cao hơn (60m60m) và có thêm toàn sắc (Pan) với độ phân giải không gian là 15m15m
Bảng 1.3 : Thông tin kênh phổ của ảnh Landsat ETM+
Bộ cảm biến

ETM +Enhanced
ThematicMapper,
Plus(Landsat7)

Kênh ảnh

Khoảng phổ

Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4

Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 8

0.45 -0.52 µm
0.52 – 0.60µm
0.63 – 0.69µm
0.76 – 0.90 µm
1.55 – 1.75 µm
10.4 – 12.5 µm
2.08 – 2.35 µm
0.52 – 0.90 µm

Kích thước

Độ phân giải

vùng quét

không gian
30m
30m
30m
30m
185 x 185 km
30m
60m
30m
15m

(Nguồn: )

Thế hệ vệ tinh thứ 8 - Landsat 8(Landsat Data Continuity Mission – LDCM)cung
cấp các ảnh có độ phân giải trung bình (từ 15- 100m). Landsat 8 thu nhận hình ảnh với
tổng số là 11 kênh phổ, bao gồm 9 kênh sóng ngắn và 2 kênh nhiệt sóng dài. Độ phân
giải không gian đối với các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn là
30m30m, ở kênh nhiệt là 100m100m và 15m15m đối với kênh toàn sắc.
LDCM mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land
Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor). Những bộ
cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm
Landsat trước.
So với Landsat 7, LDCM có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và
chu kỳ lặp lại (16 ngày). Tuy nhiên, ngoài các dải phổ tương tự Landsat 7, bộ cảm OLI
thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sát mây ti và quan sát chất
lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển cũng như sol khí. Bộ cảm TIRs
thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tiêu thụ nước, đặc biệt
ở những vùng khô cằn thuộc miền tây nước Mỹ.
Bảng 1.4 : Một số thông tin kênh phổ của ảnh Landsat 8
Vê tinh
LDCM –
14

Kênh
Band 1 - Coastal aerosol

Bước sóng
(micrometers)
0.433 - 0.453

Độ phân

giải
(meters)
30


Landsat 8
(Bộ cảm
OLI và
TIRs)

Band 2 - Blue
Band 3 - Green
Band 4 - Red
Band 5 - Near Infrared

0.450 - 0.515
0.525 - 0.600
0.630 - 0.680
0.845 - 0.885

30
30
30
30

(NIR)
Band 6 - SWIR 1
Band 7 - SWIR 2
Band 8 - Panchromatic
Band 9 - Cirrus

Band 10 - Thermal Infrared

1.560 - 1.660
2.100 - 2.300
0.500 - 0.680
1.360 - 1.390
10.3 - 11.3

30
30
15
30
100

(TIR) 1
Band 11 - Thermal Infrared

11.5 - 12.5

100

(TIR) 2
(Nguồn: )
1.5.2. Ứng dụng của anh Landsat

Hiện nay, ở Việt Nam các cơ quan ứng dụng viễn thám sử dụng nhiều loại tư liệu
ảnh vệ tinh, trong số đó các tư liệu ảnh LANDSAT, MODIS, SPOT,…là phổ biến. Các
tư liệu này mới được ứng dụng cho việc điều tra nghiên cứu các đối tượng trên đất liền
như để hiện chỉnh bản đồ tại Trung tâm Viễn thám, lập bản đồ địa chất tại Cục Địa
chất Việt Nam, Viện nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản, sử dụng trong quản lý tổng

hợp vùng bờ ở Cục Bảo vệ Môi trường. Tại các cơ quan ngoài Bộ, các tư liệu viễn
thám được sử dụng tại các Viện nghiên cứu và một số trường Đại học. Tuy nhiên, việc
ứng dụng các tư liệu này chủ yếu cho việc quan sát sử dụng đất, môi trường, đô thị.
Cũng có một số thí nghiệm ảnh viễn thám nghiên cứu về biển nhưng lẻ tẻ, chủ yếu tập
trung ở một số địa điểm ven bờ như Hải Phòng, Quảng Ninh, Nha Trang, Vũng Tàu.
Có một số đề tài nghiên cứu ứng dụng ảnh MODIS nghiên cứu các thông số trường
nhiệt độ, sóng thì mới chỉ làm ví dụ chưa được kiểm chứng nghiêm túc.
Ảnh Landsat được ứng dụng trong nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác nhau như việc
điểu tra và giám sát tài nguyên đất, tài nguyên nước và môi trường; trong địa chất,
trong nông nghiệp, lâm nghiệp và trong nghiên cứu chuyên đề về biển; ứng dụng nhiều
trong lĩnh vực tìm kiếm nước ngầm, quy hoạch đô thị, theo dõi biến động của môi
trường… Với các thế hệ vệ tinh Landsat được trang bị các loại bộ cảm MSS, TM (của
vệ tinh Landsat 4,5), ETM+ (của vệ tinh Landsat 7) hay bộ thu nhận ảnh mặt đất OLI
và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt TIRS (cuả vệ tinh Landsat 8) như hiện nay thì khả
15


năng ứng dụng của ảnh vệ tinh Landsat chắc chắn sẽ rất đa dạng. Dưới đây là đề tài
thống kê những ứng dụng chính của ảnh Landsat trong các nghiên cứu:
Bảng 1.5 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat TM
Kênh
TM1
TM2
TM3
TM4
TM5
TM6
TM7

Bước sóng (

0,45 - 0,52
(xanh lam)
0,52 - 0,60
(xanh lục)
0,63 - 0,69
(đỏ)
0,76 - 0,90
(cận hồng ngoại)
1,55 - 1,75 (hồng
ngoại sóng ngắn)
10,4 - 12,
(hồng ngoại nhiệt)
2,08 - 2,35
(hồng ngoại sóng
ngắn)

Ứng dụng
Phân biệt thực phủ, thành lập bản đồ vùng ven biển,
xác định đối tượng trồng trọt.
Thành lập bản đồ thực phủ, các định đối tượng
trồng trọt.
Phân biệt các loại cây trồng, vùng có và khống có
thực vật, xác định đối tượng trồng trọt.
Xác định loại cây trồng, vùng có và không thực vật,
độ ẩm của đất, sinh quyển.
Cảm nhận độ ẩm của đất và thực vật, phân biệt
vùng bao phủ bởi mấy tuyết
Phân biệt độ ẩm của đất, sự dày đặc của rừng, thành
lập bản đồ nhiệt, xác định cháy rừng
Phân biệt các loại đá và khoáng sản, hàm lượng độ

ẩm của cây
( Theo Climategis.com )

Bảng 1.6 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+
Kênh
ETM+1

Bước sóng (
0,45 - 0,52
(xanh lam)

ETM+2

0,52 - 0,60
(xanh lục)

ETM+3

0,63 - 0,69
(đỏ)
0,76 - 0,90
(cận hồng ngoại)
1,55 - 1,75
2,08 - 2,35
(hồng ngoại
sóng ngắn)
10,4 - 12,5
(hồng ngoại nhiệt)
0,52 - 0,90
(toàn sắc)

ETM+4
ETM+5

ETM+6
ETM+7

16

Ứng dụng
Được ứng dụng nghiên cứu đường bờ, phân biệt
thực vật và đất, lập bản đồ về rừng và xác định các
đối tượng khác.
Được dùng để đo phản xạ cực đại phổ lục của thực
vật, xác định trạng thái thực vật, xác định các đối
tượng khác.
Dùng xác định vùng hấp thụ chlorophyl giúp phân
loại thực vật, xác định các đối tượng khác.
Dùng xác định các kiểu thực vật, trạng thái và sinh
khối, độ ẩm của đất.
Được sử dụng để xác định độ ẩm của thực vật và
đất, nghiên cứu về đá khoáng, tách tuyết và mây.
Được dùng để xác định thời điểm thực vật bị sốc,
độ ảm của đất và thành lập bản đồ nhiệt đọ.
Với độ phân giải thấp và giải phổ liên tục, ảnh của
kênh này được sử dụng để chồng ghép với các kênh
ảnh khác, từ đó chính xác hơn
( Theo Climategis.com )

17


Bảng 1.7 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8
Kênh
Kênh 1
Kênh 2
Kênh 3
Kênh 4
Kênh 5
Kênh 6
Kênh 7
Kênh 8
Kênh 9
Kênh 10
Kênh 11

Bước sóng (
0,433-0,453
(Coastat aerosol)
0,450-0,515
(Xanh lam)
0,525-0,6
(Xanh lục)
0,63-0,68
(Đỏ)
1,845-1,885
(Cậ hồng ngoại)
1,56-1,66
(Sóng ngắn hồng

ngoại SWIR 1)
2,1-2,3
(Sóng ngắn hồng
ngoại SWIR 2)
0,50-0,68
(Toàn sắc Pan)
1,36 – 1,39
(Cirrus)
10,3 – 11,3
(Hồng ngoại nhiệt
TIR1)
11,5 - 12,5
(Hồng ngoại nhiệt
TIR2)

Ứng dụng
Dùng để quan sát nước nóng và theo dõi các hạt mịn
(như bụi, khói), đại dương và thực vật.
Được dùng để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ đất
cà phân biệt địa hình theo mùa.
Dùng để phản ánh trạng thái thực vật, thành lập bản
đồ quản lý thực vật.
Dùng để phân biệt giữa thực vật và đất, độ dốc thảm
thực vật.
Dùng để nghiên cứu hệ sinh thái dưới nước, xác định
sinh khối thực vật. Dựa vào độ xanh có thể đo nước
trong lá và sức khỏe cây trồng.
Được dùng để phân biệ độ ẩm của đất và thực vật,
xuyên qua được các đám mây mỏng.
Phản ánh rõ nét về độ ẩm của đất và thực vật hơn

kênh 6
Quan sát tổng quan đối tượng, vì có độ phân giải 15m
nên các đối tượng hiện lên rõ nét hơn
Chủ yếu dùng trong quan sát mây, đặc biệt là tăng
cường phát hiện các đám mây li ti.
Dùng để thành lập bản đồ nhiệt và độ ẩm của đất.
Bản đồ nhiệt và đất ở kênh này được xác định rõ nét
hơn

(Nguồn: Cách đọc ảnh trong viễn thám – Trường đại học KHTN)
Ảnh vệ tinh được xem là nguồn dữ liệu tốt nhất, đặc biệt khi ta cần tính toán ở
tầm phủ lớn. Ảnh Landsat có những ưu điểm và nhược điểm sau:
 Ưu điểm của ảnh vệ tinh Landsat:
- Khả năng phân giải phổ tốt, khả năng phân giải không gian 30m30m và cao hơn có thể

tới 1m1m ảnh Landsat là ảnh số nên thích hợp cho việc xử lý bằng các thiết bị xử lý
ảnh số hiện đại, cho phép đưa ra nhiều loại sản phẩm ảnh mà phương pháp tương tự
-

không thực hiện được.
Sản phẩm Landsat được phát hành dưới dạng số và dạng phim ảnh với mức độ xử lý
nhiễu và xử lý hình học khác nhau để dễ dàng tiện lợi trong việc sử dụng. Ảnh Landsat
sử dụng có hiệu quả trong địa chất, trong nông nghiệp, lâm nghiệp và trong nghiên cứu
chuyên đề về biển.
18



-

Nhược điểm của ảnh vệ tinh Landsat:
Hạn chế chủ yếu của ảnh Landsat là chưa có ảnh lập thể.
Ảnh Landsat 7 khi tải về để sử dụng thường bị lỗi kẻ dọc.
Dữ liệu ảnh Landsat có độ phân giải thời gian thấp (do chu kì lặp là 16 ngày, một
tháng có hai cảnh ảnh, có những tháng có một cảnh ảnh mà có trường hợp ảnh lại bị
nhiều mây thì sẽ không sử dụng được).
Hiện nay, vệ tinh Landsat có độ che phủ tương đối lớn nhằm mở rộng khả năng
tiếp cận nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat nhằm phục vụ các mục đích theo dõi và
giám sát tài nguyên, môi trường.

Hình 1.6 : độ che phủ của ảnh vệ tinh Landsat trên quy mô toàn cầu
(Nguồn : oceanrs.com)
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN
ĐỘNG ĐỘ CHE PHỦ THỰC VẬT
2.1. Tiền xử lý ảnh vệ tinh
Ảnh viễn thám sau khi thu nhận từ ảnh vệ tinh thông thường vẫn tồn tại nhiều sai
số. Sai số của ảnh viễn thám là những yếu tố làm sai lệch giá trị phổ hoặc đặc điểm
hình học của ảnh. Do vậy, để có thể sử dụng trong các bài toán cụ thể, một yêu cầu bắt
buộc là phải tiền xử lý ảnh viễn thám.
2.1.1. Hiệu chỉnh bức xạ
Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng phải chịu một mức độ nhiễu xạ nhất
định. Để loại trừ các nhiễu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý. Khi thu các
bức xạ từ mặt đất trên các vật mang vũ trụ, người ta thấy chúng có một số khác biệt so
19


với trường hợp quan sát cùng đối tượng đó ở khoảng cách gần. Điều này chứng tỏ ở
khoảng cách xa như vậy tồn tại một lượng nhiễu nhất định do góc nghiêng và độ cao
mặt trời gây ra…Chính vì vậy để bảo đảm được sự tương đồng nhất định về mặt bức
xạ cần phải hiệu chỉnh ảnh.

Các nguồn nhiễu bức xạ gồm 3 nhóm chính sau:

Hình 2.1 : Các nguồn nhiễu bức xạ

20


 Các nguồn nhiễu do biến đổi nhạy của bộ cảm

Trong trường hợp các bộ cảm thuần túy quang học bao giờ cũng xảy ra trường
hợp cường độ bức xạ tại tâm ảnh lớn hơn tại các góc. Hiện tượng này gọi là hiện tượng
làm mờ ảnh. Đây là một sai lệch không thể tránh khỏi các hệ quang học. Khi sử dụng
các bộ cảm quang điện tử thì sự chênh lệch giữa cường độ bức xạ trước ống kính và
cường độ mà thiết bị thực sự ghi nhận cũng là một đại lượng cần đưa vào quá trình
hiệu chỉnh.
 Các nguồn nhiễu do địa hình và góc chiếu của mặt trời
- Bóng chói mặt trời:

Bản thân mặt trời tạo bóng chói của mình trên mặt đất dưới dạng một vùng sáng
hơn những vùng khác. Ảnh hưởng của bóng chói mặt trời có thể hiệu chỉnh bằng cách
ước tính đường cong bóng râm dựa trên việc phân tích chuối Fourier để tách các thành
phần sóng có tần sóng thấp.
-

Bóng che:
Bóng che là hiện tượng che khuất nguồn bức xạ do bản thân địa hình (vùng đồi,
núi, nhà cao tầng…). Để có thể hiệu chỉnh nó cần có số liệu mô hình số địa hình DEM
và tọa độ vật mang tại thời điểm thu tín hiệu (xác định góc giữa tia bức xạ và vector
trực giao với bề mặt địa hình).

-

Góc chiếu mặt trời:
Góc chiếu mặt trời do nguyên nhân vị trí tương đối của Trái đất với mặt trời thay
đổi theo thời gian trong ngày và mùa trong năm, làm cho vùng Bắc bán cầu có đứng
của mặt trời vào mùa đông nhỏ hơn mùa hạ. Gây hiệu ứng làm ảnh chụp cùng khu vực
vào các mùa khác nhau sẽ có cường độ chiếu sáng khác nhau. Biện pháp loại trừ bằng
cách hiệu chỉnh dựa trên góc tới của mặt trời.

 Các nguồn nhiễu do trạng thái khí quyển

Rất nhiều các hiệu ứng khí quyển khác nhau như hấp thụ, phản xạ, tán xạ…ảnh
hưởng tới chất lương ảnh thu được. Người ta thường sử dụng các mô hình khí quyển
để mô phỏng trạng thái khí quyển và áp dụng các quy luật quang hình học và quang
khí quyển để giải quyết vấn đề này.

21


2.1.2. Hiệu chỉnh hình học
Biến dạng hình học của ảnh được hiểu như sự sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực
tế (đo được) và tọa độ ảnh lý tưởng được tạo bởi một bộ cảm có thiết kế hình học
chính xác và trong điều kiện thu nhận lý tưởng, nhằm loại trừ sai số giữa tọa độ ảnh
thực tế và tọa độ ảnh lý tưởng cần phải tiến hành hiệu chỉnh hình học.
Nguyên nhân gây biến dạng hình học gồm:
-

Nội sai : bởi tính chất hình học của bộ cảm biến
Ngoại sai : bởi vị thế của vật mang và hình dáng của vật thể (địa hình).
Ngoài ra, sự thay đổi địa hình cũng gây nên biến dạng hình học của ảnh. Tuy nhiên khi

mặt đất có sự chênh cao lớn thì khoảng cách trên ảnh trở nên lớn hơn. Ảnh hưởng do
sự thay đổi địa hình gây nên biến dạng tăng dần từ tâm ảnh ra các biên, các điểm trên
mặt đất có độ cao thấp hay cao hơn độ cao chuẩn tham chiếu (trong lúc chụp ảnh) đều
bị biến dạng.
Hiệu chỉnh hình học phải được thực hiện để loại trừ sự biến dạng về mặt hình
học của ảnh. Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng mối tương quan giữa tọa
độ ảnh và hệ tọa độ quy chiếu chuẩn (có thể là hệ tọa độ mặt đất vuông góc hoặc địa
lý) dựa vào các điểm khống chế mặt đất, vị thế của Sensor, điều kiện khí quyển.
Các bước hiệu chỉnh hình học :

Hình 2.2 : Các bước hiệu chỉnh hình học

22


-

Chọn phương pháp:
+ Hiệu chỉnh hệ thống (Systematic correction) : số liệu tham chiếu hay tính chất
hình học của sensor.
+ Hiệu chỉnh phi hệ thống (Non - Systematic correction) : lập đa thức quan hệ
giữa tọa độ ảnh và hệ tọa độ quy chiếu chuẩn (phương pháp bình phương nhỏ nhất.
Bậc đa thức, số điểm khống chế và phân bố).
+ Hiệu chỉnh phối hợp (Combined method) : chỉnh hệ thống loại trừ nội sai, sau
đó dùng đa thức bậc thấp phân loại sai số còn lại (1 pixel).

-

Xác định các thông số và kiểm tra độ chính xác: Sau khi đăng ký tọa độ ảnh, độ chính
xác của việc hiệu chỉnh hình học cần phải kiểm tra bởi các cặp điểm GCP mà không

tham gia trong quá trình chuyển đổi (điểm kiểm tra). Nếu độ chính xác không thỏa
mãn tiêu chuẩn yêu cầu (sai số 1 pixel) thì phải kiểm tra lại dữ liệu tọa độ được nhập
trong quá trình chuyển đổi hoặc chọn mô hình tính khác sao cho kết quả đạt được là

-

tốt nhất.
Nội suy và tái chia mẫu: là giai đoạn cuối cùng của hiệu chỉnh hình học, vì ảnh sau khi
hiệu chỉnh sẽ có sự thay đổi vị trí nên giá trị độ sáng của các pixel cần phải được tính
và gán lại theo vị trí mới. Phương pháp nội suy và tái chia mẫu nhằm xác định giá trị
độ sáng của các pixel trên ảnh đã hiệu chỉnh từ các giá trị độ sáng của các pixel trên
ảnh gốc. Như chúng ta đã biết, ảnh số có thể được xem như là mảng giá trị độ xám
được lưu trữ trong máy tính, vì vậy việc nắn chỉnh ảnh số là sự thay đổi vị trí của các
con số này và hiển thị giá trị độ xám của các pixel nằm trong mảng sắp xếp của ảnh số.
Sự biến đổi này dựa trên hàm số chuyển đổi tọa độ và các phương pháp tái chia mẫu

-

được lựa chọn thích hợp.
Các thuật toán sau đây thường được sử dụng trong thực tế để nội suy lại giá trị độ xám
của các pixel:
+ Người láng giềng gần nhất: là phương pháp đơn giản nhất, nhanh và bảo đảm
không có các giá trị ngoại lai. Trong phương pháp này, giá trị của các pixel trên ảnh đã
hiệu chỉnh được nội suy theo giá trị độ sáng của các pixel lân cận trong ảnh gốc.
+ Tuyến tính kép: việc nội suy tuyến tính dựa trên 4 pixel trên ảnh gốc bao quanh
vị trí của pixel trên ảnh đã hiệu chỉnh, ảnh được tạo ra sẽ có độ tương phản dịu hơn.
+ Hàm bậc ba: là phương pháp nội suy dựa trên 16 pixel trên ảnh gốc bao xung
quanh vị trí của pixel trên ảnh đã hiệu chỉnh. Mặc dù tốc độ tại chia mẫu là chậm nhất
23

so với hai phương pháp trên nhưng kết quả nói chung là tốt nhất.
2.2. Xác định độ che phủ thực vật
2.2.1. Xác định chỉ số thực vật
Chỉ số thực vật được chuẩn hóa sự khác biệt (NDVI – Normalized Difference
Vegetation Index) là một đại lượng thay thế về số lượng thực vật và điều kiện sống.
Chỉ số này liên kết với đặc điểm độ che phủ của thực vật như sinh khối, chỉ số diện
tích là và phần trăm thực phủ giúp đánh giá trạng thái sinh trưởng và phát triển của cây
trồng, làm cơ sở số liệu để dự báo sâu bệnh, hạn hán, diện tích năng suất và sản lượng
cây trồng…
Chỉ số thực vật NDVI được xác định dựa trên sự phản xạ khác nhau của thực vật
thể hiện giữa kênh phổ thấy được và kênh phổ cận hồng ngoại, dùng để biểu thị mức
độ tập trung của thực vật trên mặt đất.
Chỉ số thực vật NDVI được tính toán theo công thức:
NDVI =
NIR : kênh phổ cận hồng ngoại
R : kênh phổ thấy được
Giá trị của NDVI là dãy số từ -1 đến +1:
-

Giá trị NDVI thấp thể hiện nơi đó NIR và R có độ phản xạ gần bằng nhau, cho thấy

-

khu vực đó độ phủ thực vật thấp.
Giá trị NDVI cao thể hiện nơi đó NIR có độ phản xạ cao hơn của R, cho thấy khu vực

-

đó độ phủ thực vật tốt.

Giá trị NDVI có giá trị âm cho thấy ở đó Vi có độ phản xạ cao hơn độ phản xạ của R,
nơi đây không có thực vật, là những thể mặt nước hay do mây phủ.

24


Hình 2.3 : Giá trị chỉ số NDVI đối với thực vật tươi tốt (trái) và héo úa (phải)
2.2.2. Xác định độ che phủ thực vật
Độ che phủ thực vật (fractional vegetationcover - FVC) được định nghĩa là tỷ lệ
diện tích thực vật (bao gồm lá, cành và thân cây) chiếu xuống trên một đơn vị diện tích
[7]. Độ che phủ thực vật, FVC, là thông số quan trọng khắc họa mức độ che phủ thực
vật trên bề mặt trái đất. FVC có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu môi trường sinh
thái như nghiên cứu quy luật phân bố và các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố của
thảm thực vật trên bề mặt trái đất, phân tích đánh giá môi trường sinh thái, giám sát sự
biến động lớp thực phủ bề mặt một cách chính xác và kịp thời, phân tích xu thế phát
triển của thảm thực vật đối với việc bảo vệ cân bằng sinh thái [6].
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật viễn thám, nhiều nghiên cứu gần
đây đã chứng minh kỹ thuật viễn thám là phương pháp hiệu quả trong xác định FVC
Trong đo có phương pháp mô hình phân giải pixel hỗn hợp tuyến tính (Linear spectral
mixture model – LSMM), tổng quát do Van đề xuất thể hiện bởi công thức [7]:
= + (1)
Trong đó: là giá trị phản xạ phổ của kênh k
n là số lượng các đối tượng thuần trong một pixel hỗn hợp
là tỷ lệ của đối tượng thuần i trong một pixel hỗn hợp
là giá trị của phản xộ phổ của đối tượng thuần i tại kênh k trong pixel hỗn hợp
25