Nghiên cứu sự thay đổi diện tích mặt nước ở quảng ninh bằng công nghệ địa không gian nhằm cung cấp cơ sở cho công tác quản lý tài nguyên nước bền vững

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chƣa sử dụng để bảo vệ luận văn của một học vị nào.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn
gốc.
Hà Nội, Ngày 25 tháng 8 năm 2017
Học viên

Đặng Văn Thanh


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã
nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ,
động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.
Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi đƣợc bày tỏ lòng kính
trọng và biết ơn sâu sắc PGS. TS Phùng Văn Khoa đã tận tình hƣớng dẫn,
dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình
học tập và thực hiện đề tài.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Ban Quản lý
đào tạo, các Thầy Cô giáo, các nhà khoa học thuộc Khoa Môi trƣờng thuộc
Đại học Lâm nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập,
thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Ủy ban
nhân dân huyện Hoành Bồ đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.

Xin chân thành cảm ơn gia đình, ngƣời thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi
hoàn thành luận văn./.
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2017
Học viên

Đặng Văn Thanh


iii

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIỆT TẮT ................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. viii
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 3
1.1. Khái niệm ................................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm công nghệ địa không gian: ..................................................... 3
1.2. Tổng quan về GIS ...................................................................................... 4
1.3. Khái niệm, nguyên lý cơ bản và ứng dụng của viễn thám ......................... 5
1.3.1. Khái niệm ................................................................................................ 5
1.3.2. Lịch sử hình thành và xu hƣớng phát triển ............................................. 6
1.3.3. Nguyên lý cơ bản của

thuật viễn thám ............................................... 8

1.3.4. Ứng dụng viễn thám và GIS trên thế giới ............................................. 10
1.3.5. Ứng dụng viễn thám và GIS ở Việt Nam trong quản lý tài nguyên nƣớc..... 11
1.4. Giới thiệu về phần mềm ENVI và ARCGIS ............................................ 12
1.4.1. Phần mềm ENVI ................................................................................... 12
1.4.2. Phần mềm ARCGIS .............................................................................. 13
Chƣơng 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 17
2.1. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................ 17
2.1.1. Mục tiêu chung ...................................................................................... 17


iv

2.1.2. Mục tiêu cụ thể ...................................................................................... 17
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 17
2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 18
2.3.1. Đánh giá hiện trạng diện tích mặt nƣớc tại khu vực nghiên cứu giai
đoạn 1990 – 2015. ........................................................................................... 18
2.3.2. Dự báo xu thế biến động tài nguyên nƣớc các năm tiếp theo (10 năm
tiếp theo) .......................................................................................................... 18
2.3.3. Đề xuất một số giải pháp quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc tại
khu vực nghiên cứu ......................................................................................... 18
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................... 18
2.4.1. Phƣơng pháp ế thừa tài liệu................................................................. 19
2.4.2. Phƣơng pháp xử lý ảnh vệ tinh ............................................................. 19
2.5. Tăng cƣờng chất lƣợng ảnh...................................................................... 26
2.5.1. Tăng cƣờng độ phân giải....................................................................... 26

2.5.2. Tăng cƣờng độ tƣơng phản của ảnh ...................................................... 27
2.6. Phƣơng pháp xây dựng khóa giải đoán .................................................... 28
2.7. Phƣơng pháp giải đoán ............................................................................. 29
2.7.1. Phƣơng pháp giải đoán ảnh bằng mắt: .................................................. 29
2.7.2. Phân loại có kiểm định .......................................................................... 31
2.8. Phƣơng pháp thành lập bản đồ hiện trạng mặt nƣớc ............................... 33
Chƣơng 3 ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU....................................... 36
3.1. Điều kiện tự nhiên .................................................................................... 36
3.1.1. Vị trí địa lý - kinh tế .............................................................................. 36
3.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo .................................................................. 37
3.1.3. Khí hậu .................................................................................................. 40
3.2. Tài nguyên thiên nhiên ............................................................................. 42
3.2.1. Tài nguyên đất ....................................................................................... 42


v

3.2.2. Tài nguyên nƣớc.................................................................................... 42
3.2.3. Tài nguyên rừng .................................................................................... 45
3.3. Các nguồn lực điều kiện kinh tế-xã hội ................................................... 46
3.3.1. Khái quát về tình hình kinh tế của tỉnh ................................................. 46
3.3.2. Nguồn nhân lực ..................................................................................... 48
Chƣơng 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 51
4.1. Tƣ liệu ảnh viễn thám phục vụ nghiên cứu .............................................. 51
4.2. Xử lý ảnh .................................................................................................. 54
4.2.1. Ghép ảnh ............................................................................................... 54
4.3. Tổ hợp màu .............................................................................................. 57
4.3.1.Ảnh đơn sắc ............................................................................................ 57
4.3.2. Ảnh tổ hợp màu: .................................................................................... 58
4.4. Xây dựng khóa giải đoán ......................................................................... 60

4.5. Thực hiện giải đoán ảnh viễn thám theo mẫu khóa giải đoán ................. 62
4.6. Thành lập bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc giai đoạn 1990-2015 ... 63
4.7. Đánh giá biến động diện tích mặt nƣớc giai đoạn 1990 đến 2015 .......... 69
4.8. Xu hƣớng biến động diện tích mặt nƣớc giai đoạn 2015 đến năm 2025 và
giải pháp .......................................................................................................... 75
4.8.1. Xu hƣớng biến động diện tích mặt nƣớc giai đoạn 2015 đến năm 2025
......................................................................................................................... 75
4.8.2. Giải pháp quản lý và sử dụng nguồn nƣớc ........................................... 77
KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIỆT TẮT

Viết tắt
GIS Geographic Information System

Nghĩa đầy đủ
Hệ thống thông tin địa lý


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

1.1

Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện

7

2.1

Độ phân giải của các band

27

2.2

Khoá giải đoán các đối tƣợng trên ảnh vệ tinh

33

4.1

Thông tin cơ bản về các ảnh Landsat sử dụng trong nghiên
cứu

51

4.2

Giới thiệu vệ tinh Landsat 8

52

4.3

Mẫu khóa giải đoán ảnh năm 2015 tổ hợp màu tự nhiên

61

4.4

Diện tích các đối tƣợng năm 1990 của tỉnh Quảng Ninh

64

4.5

Diện tích các đối tƣợng năm 1995 của tỉnh Quảng Ninh

65

4.6

Diện tích các đối tƣợng năm 2000 của tỉnh Quảng Ninh

66

4.8

Diện tích các đối tƣợng năm 2010 của tỉnh Quảng Ninh

68

4.9

Diện tích các đối tƣợng năm 2015của tỉnh Quảng Ninh

69

4.10

4.11

4.12

4.13

4.14

4.15

Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 1990-1995 tỉnh
Quảng Ninh
Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 1995-2000 tỉnh
Quảng Ninh
Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 2000-2005 tỉnh
Quảng Ninh
Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 2005-2010 tỉnh
Quảng Ninh

Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 2010-2015 tỉnh
Quảng Ninh
Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 1990-2015 tỉnh
Quảng Ninh

69

70

70

71

71

75


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

1.1

Nguyên lý thu nhận d liệu viễn thám

8

1.2

Các thành phần trong hệ thống viễn thám

9

1.3

Khái quát phần mềm ArcGIS21

13

2.1

Cửa sổ Image Analysis

28

2.2

Giao diện phần mềm ENVI lựa chọn phân loại có kiểm định

32

2.3

Phƣơng pháp giải đoán ảnh viễn thám và thành lâp bản đồ hiện

trạng diện tích mặt nƣớc bằng ảnh Landsat

35

4.1

Tổ hợp màu

53

4.2

Gộp kênh ảnh Landsat 8 tỉnh Quảng Ninh

54

4.3

Hộp lệnh Mosaic To New Raster

55

4.4

Ảnh ghép Quảng Ninh năm 2015

55

4.5

Chồng xếp ranh giới tỉnh Quảng Ninh

56

4.6

Hộp lệnh Extract by Mask

56

4.8

ảnh đơn sắc landsat 5 tỉnh Quảng Ninh 1990

58

4.9

Anh màu tự nhiên landsat 5 tỉnh Quảng Ninh

59

4.10

Ảnh màu tự nhiên landsat 8 tỉnh Quảng Ninh

59

4.11

Bản đồ giải đoán Quảng Ninh năm 2015

63

4.12

Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 1990

63

4.13

Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 1995

64

4.14

Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2000

65

4.15

Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2005

66

4.16

Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2010

67

4.17

Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2015

68

4.18

Hộp lệnh Intersect chồng xếp d liệu

73

4.19

Bảng tính giá trị

74

4.20

Bản đồ biến động diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh

74


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Nƣớc ta có địa hình đồi núi chiếm đến 3/4 diện tích lãnh thổ, tập trung
phần lớn ở vùng Đông Bắc, Tây Bắc và miền Trung, phần diện tích còn lại là
châu thổ và đồng bằng phù sa, chủ yếu là ở đồng bằng sông Hồng và đồng
bằng sông Cửu Long. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, mặc dù
lƣợng mƣa trung bình nhiều năm trên toàn lãnh thổ vào khoảng 1.940
mm/năm nhƣng do ảnh hƣởng của địa hình đồi núi, lƣợng mƣa phân bố không
đều trên cả nƣớc và biến đổi mạnh theo thời gian đã và đang tác động lớn đến
tr lƣợng và phân bố tài nguyên nƣớc ở Việt Nam.
Tài nguyên nƣớc là các nguồn nƣớc mà con ngƣời sử dụng trong sinh
hoạt hoặc có thể sử dụng vào các mục đích hác nhau. Nƣớc đƣợc dùng trong
các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và môi trƣờng.
Hầu hết các hoạt động trên đều cần nƣớc ngọt.
Nh ng năm gần đây, do nhiều nguyên nhân, ở hạ lƣu hầu hết các lƣu
vực sông, tình trạng suy giảm nguồn nƣớc dẫn tới thiếu nƣớc, khan hiếm
nƣớc hông đủ cung cấp cho sinh hoạt, sản xuất đang diễn ra ngày một
thƣờng xuyên hơn, trên phạm vi rộng lớn hơn và ngày càng nghiêm trọng, gây
tác động lớn đến môi trƣờng sinh thái các dòng sông, gia tăng nguy cơ ém
bền v ng của tăng trƣởng kinhtế, xóa đói giảm nghèo và phát triển xã hội.
Thêm vào đó, tài nguyên nƣớc trên các lƣu vực sông ở Việt Nam đang bị suy
giảm và suy thoái nghiêm trọng do nhu cầu dùng nƣớc tăng cao trong sản xuất
nông nghiệp, công nghiệp, nuôi trồng thủy sản, thủy điện, làng nghề và do
khả năng quản lý yếu kém. Các hệ sinh thái rừng tự nhiên duy trì nguồn sinh
thủy từ thƣợng nguồn các lƣu vực cũng bị suy giảm trên diện rộng do nạn phá
rừng, do canh tác nông, nông - nghiệp, khai khoáng và xây dựng cơ sở hạ
tầng.


2

Tỉnh Quảng Ninh là một trong nh ng trung tâm sản xuất than quan
trọng nhất của Việt Nam, đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống phân phối hàng
hóa của khu vực, nơi có chức năng hoạt động của một khu vực phát triển công
nghiệp chủ yếu tại miền Bắc Việt Nam với quá trình đô thị hóa và công
nghiệp hóa đang diễn ra nhanh chóng. Đồng thời, tỉnh Quảng Ninh có di sản
thiên nhiên thế giới Vịnh Hạ Long và hoạt động du lịch là một ngành quan
trọng, là nét đặc thù của tỉnh, do vậy các chiến lƣợc phát triển kinh tế xã hội
của tỉnh phải hài hoà với chiến lƣợc bảo vệ môi trƣờng. Trong nh ng năm gần
đây, tỉnh Quảng Ninh đã đạt đƣợc nh ng thành tựu quan trọng và phát triển
toàn diện. Tăng trƣởng GDP trung bình đạt khoảng 12% mỗi năm. Tuy nhiên,
do yêu cầu phát triển kinh tế, trong nh ng năm gần đây, các tác động môi
trƣờng đã trở nên rõ nét, ví dụ nhƣ suy giảm chất lƣợng nƣớc do nƣớc thải
sinh hoạt, nƣớc thải công nghiệp và nƣớc thải từ hoạt động khai thác than, tác
động do chất thải rắn đô thị và chất thải rắn công nghiệp, ô nhiễm không khí
do các nhà máy nhiệt điện, xi măng, nh ng tác động tới môi trƣờng tự nhiên
và đa dạng sinh học...
Xuất phát từ cơ sở thực tiễn trên, tôi tiến hành chọn đề tài “Nghiên cứu
sự thay đổi diện tích mặt nước ở Quảng Ninh bằng công nghệ địa không gian
nhằm cung cấp cơ sở cho công tác quản lý tài nguyên nước bền vững”. Việc
tiến hành nghiên cứu đề tài này là hết sức cần thiết và cấp bách góp phần khắc
phục tình trạng chuyển đổi các diện tích chứa nƣớc sang mục đích sử dụng
khác và giảm tính ổn định về môi trƣờng sinh thái ở tỉnh Quảng Ninh…


3

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái niệm

1.1.1 Khái niệm công nghệ địa không gian:
GIS đƣợc hình thành vào nh ng năm 1960 và phát triển rất rộng rãi
trong nh ng năm lại đây.GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong
nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế
giới.Hệ thống thông tin địa lý có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ,
các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá đƣợc hiện trạng
của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức
năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin đƣợc gắn
với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các d liệu đầu
vào.
Có nhiều cách tiếp cận hác nhau hi định nghĩa GIS. Nếu xét dƣới góc
độ hệ thống, thì GIS có thể đƣợc hiểu nhƣ một hệ thống gồm các thành phần:
con ngƣời, phần cứng, phần mềm, cơ sở d

liệu và quy trình-kiến thức

chuyên gia nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu chuẩn, định hƣớng, chủ
trƣơng ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến
thức về công nghệ thông tin.
Khi xây dựng một hệ thống thông tin địa lý ta phải quyết định xem GIS
sẽ đƣợc xây dựng theo mô hình ứng dụng nào, lộ trình và phƣơng thức tổ chức
thực hiện nào. Chỉ trên cơ sở đó ngƣời ta mới quyết định xem GIS định xây
dựng sẽ phải đảm đƣơng các chức năng trợ giúp quyết định gì và cũng mới có
thể có các quyết định về nội dung, cấu trúc các hợp phần còn lại của hệ thống
cũng nhƣ cơ cấu tài chính cần đầu tƣ cho việc hình thành và phát triển hệ
thống. Với một xã hội có sự tham gia của ngƣời dân và quá trình quản lý thì sự
đóng góp tri thức từ phía cộng đồng đang ngày càng trở nên quan trọng và càng
ngày càng có vai trò không thể thiếu.

4

1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý
Trong nh ng năm gần đây, hệ thống thông tin địa lý đã phát triển rất
mạnh mẽ về lý thuyết,

nghệ cũng nh- tổ chức. Đồng thời hệ thống thông

tin địa lý đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hác nhau nh- nghiên
cứu địa chất, địa lý, nông nghiệp, đô thị, giao thông, thực vật, địa chính, inh
tế. Có nhiều hái niệm hác nhau về hệ thống thông tin địa lý của nhiều tác
giả hác nhau nhƣng về bản chất thì hệ thống thông tin địa lý bao gồm các
thành phần cấu thành cơ bản sau:
- Phần cứng máy tính bao gồm các thành phần vật lý của máy tính và
các thiết bị ngoại vi hác (máy in, scanner, máy vẽ. . .)
- Phần mềm GIS là các chƣơng trình máy tính thực hiện các công viêc
chuyên môn của GIS, thực hiên các chức năng thu nhận và lƣu tr các d liệu
hông gian cũng nhƣ thuộc tính, các thao tác xử lý số liệu, mô hình số độ
cao.v.v.. Có thể ể ra một số phần mềm chuyên dụng GIS nh- Arc/Info,
Map/Info, Arcview...
- Dữ liệu GIS bao gồm các d liệu hông gian (ảnh, bản đồ. . .) và d
liệu thuộc tính (các đặc điểm, tính chất của các đối tƣợng hông gian, các quá
trình, hiện tƣợng xảy ra ở các đối tƣợng hông gian đó) của các đối tƣợng
đƣợc nghiên cứu.
- Người sử dụng: Đây là yếu tố mang tính chất quyết định, là ngƣời
thiết ế và thực hiện các thao tác

thuật để có đƣợc ết quả theo các yêu cầu

hác nhau. Các hợp phần trên nằm trong mối quan hệ tƣơng tác chặt chẽ với

nhau tạo thành Hệ thống thông tin địa lý.Nếu thiếu một trong hợp phần trên
thì GIS sẽ ngừng hoạt động hoặc chỉ là một hệ thống chết. Theo đà phát triển
của hoa học

thuật bốn hợp phần trên cũng đƣợc đƣợc phát triển mạnh mẽ,

tạo lên một GIS cũng đƣợc phát triển hơn, thực hiện đƣợc các chức năng ƣu


5

việt hơn, nhanh hơn, mạnh hơn, tiện lợi và dễ dàng hơn trong vận hành và sử
dụng.
Nhƣ vậy ta có thể hiểu một cách hái quát về GIS nhƣ sau: GIS là tập
hợp có tổ chức của phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và các thủ
tục của người sử dụng nhằm trợ giúp việc thu nhận, lưu trữ, quản lý, xử lý,
phân tích, hiện thị các thông tin không gian từ thế giới thực để giải quyết các
vấn đề tổng hợp thông tin cho các mục đích của con người đặt ra.
Ngoài ra còn một số định nghĩa về GIS của một số tác giả nh- sau:
- Theo Burrough (1986) thì GIS là “Tập hợp các công cụ để thu nhập,
lƣu tr , tra cứu, chuyển đổi và biểu thị các d liệu hông gian từ thế giới
thực”.
- Par er (1988) định nghĩa GIS nh- một “ ĩ nghệ thông tin nhằm lƣu
tr , phân tích và biểu thị d liệu hông gian và phi hông gian”.
- Aronoff (1989) quan niệm GIS là “bất ỳ một phƣơng thức trên sách tra
hảo hoặc máy tính dùng để lƣu tr , thao tác các d liệu tham chiếu địa lý”
1.3. Khái niệm, nguyên lý cơ bản và ứng dụng của viễn thám
1.3.1. Khái niệm
Viễn thám là một ngành hoa học có lịch sử phát triển lâu đời. Sự phát
triển của hoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự hi nghiên cứu các

ảnh chụp sử dụng phim và giấy ảnh từ hinh hí cầu, máy bay. Ngày nay,
cùng sự phát triển của hoa học

thuật, viễn thám đƣợc ứng dụng trong

nhiều ngành hoa học hác nhau nhƣ quân sự, địa chất, địa lý, môi trƣờng,
hí tƣợng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,...
Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ
hoặc đƣợc phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng
điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể đƣợc gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ
cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu đƣợc
ảnh số (digital number). Phƣơng tiện dùng để mang các bộ cảm.


6

1.3.2. Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển
Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có
thể tính từ thế ỷ thứ 4 trƣớc công nguyên hi Aristote sáng tạo ra camera –
obscura (obscura - dar ). Mặc dù nh ng thành tựu đáng ể trong lý thuyết
quang học đã đạt đƣợc từ thế ỷ 17 cũng nhƣ thấu ính quang học đã xuất
hiện sớm hơn, bƣớc phát triển thực sự đầu tiên của hoa học viễn thám là vào
gi a thế ỷ 19. Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đƣa ra báo cáo công trình
nghiên cứu về hóa ảnh photo, hởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên
chụp bề mặt trái đất từ hinh hí cầu đƣợc thực hiện vào năm 1858 bởi nhà
nhiếp ảnh ngƣời Pháp Gaspard Tournachon.

ng đã sử dụng hinh hí cầu ở

độ cao 80 m để chụp ảnh vùng Bievre nƣớc Pháp. Từ sự việc này, năm 1858

đƣợc coi là năm hai sinh của

thuật viễn thám. Năm 1860, James Blac đã

chụp ảnh vùng Boston, M cũng từ hinh hí cầu. Năm 1863, Mac well đã
tìm ra các định luật về sóng điện từ, ết quả này là cơ sở vật lý cơ bản của lý
thuyết viễn thám.


7

Bảng 1.1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện
Thời gian

Sự kiện

(Năm)
1800

Phát hiện ra tia hồng ngoại

1839

Bắt đầu phát minh k thuật chụp ảnh đen trắng

1847

Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy

1850-1860

Chụp ảnh từ kinh khí cầu

1873

Xây dựng học thuyết về phổ điện từ

1909

Chụp ảnh từ máy bay

1910-1920

Giải đoán từ không trung

1920-1930

Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không

1930-1940

Phát triển k thuật radar (Đức, M , Anh)

1940

Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay

1950

Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy

1950-1960
12-4-1961

Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự
Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có ngƣời lái và chụp
ảnh Trái đất từ ngoài vũ trụ
Lần đầu tiên sử dụng thuật ng viễn thám

1960-1970

M phóng vệ tinh Landsat-1

1972

Phát triển mạnh mẽ phƣơng pháp xử lý ảnh số

1970-1980

M phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat

1980-1990

Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số lƣợng

1986

kênh phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều k
thuật xử lý mới.

(Nguyễn Văn Đài, 2003).


8

1.3.3.

u n

ản ủ

thu t v ễn th

a. Nguyên lý cơ ản của k thuật vi n thám
Nguyên lý cơ bản của

thuật viễn thám là thu nhận năng lƣợng phản

hồi của sóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị
phản xạ phổ này sẽ đƣợc chuyển về giá trị số.
Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lƣợng phản
xạ hay phát xạ của các vật thể từ mặt đất theo nh ng phần nhất định của
quang phổ điện từ. Bộ cảm biến chỉ thu nhận năng lƣợng sóng điện từ phản xạ
hay bức xạ từ vật thể theo từng bƣớc sóng xác định. Năng lƣợng sóng điện từ
sau hi tới đƣợc bộ cảm biến sẽ chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu
điện thành một số nguyên h u hạn – giá trị pixel) tƣơng ứng với năng lƣợng
bức xạ ứng với từng bƣớc sóng do bộ cảm biến nhận đƣợc trong dải phổ đã
xác định. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám đƣợc mô tả nhƣ h nh 1.1 dƣới
đây.

ình 1:

u n

thu nh n

ệu v ễn th

Sóng điện từ dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ
(định luật Plan , định luật Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hệ phƣơng trình


9

Maxwell. Năng lƣợng phổ dƣới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một
vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần phân loại vật thể một cách chính xác hơn.
b. ác thành phần chính của một hệ th ng vi n thám
Một hệ thống viễn thám thƣờng bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ
với nhau. Trình tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống viễn thám
đƣợc mô tả trong hình sau:

ình 2:

thành h n t n hệ th n v ễn th

(Nguồn: Nguy n Ngọc Thạch, 1997, Vi n thám và GIS trong nghiên cứu Tài nguyên
môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Qu c gia Hà Nội)

u nn n

ư n

: thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám là

nguồn năng lƣợng để chiếu sáng hay cung cấp năng lƣợng điện từ tới đối
tƣợng cần nghiên cứu. Trong viễn thám chủ động sử dụng năng lƣợng phát ra
từ nguồn phát đặt trên vật mang, còn trong viễn thám bị động, nguồn năng
lƣợng chủ yếu là bức xạ mặt trời.
h n t

h t x và h

u ển

bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối

tƣợng nghiên cứu sẽ phải tƣơng tác qua lại với hí quyển nơi nó đi qua.
ự tư n t

vớ đ

tư n

sau hi truyền qua hí quyển đến đối

tƣợng, năng lƣợng sẽ tƣơng tác với đối tƣợng tùy thuộc vào đặc điểm của đối


10

tƣợng và sóng điện từ. Sự tƣơng tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ
hay bị phản xạ trở lại hí quyển.
hu nh n n n

ư n

n

ả

n

sau hi năng lƣợng đƣợc

phát ra hoặc bị phản xạ từ đối tƣợng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu
nhận sóng điện từ. Năng lƣợng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin
của đối tƣợng.
ự t u n tả thu nh n và xử

năng lƣợng đƣợc thu nhận bởi bộ

cảm cần đƣợc truyền tải (thƣờng dƣới dạng điện từ) đến một trạm thu nhận d
liệu để xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này là d liệu thô.
h n

và h n t h ảnh

ảnh thô sẽ đƣợc xử lý để có thể sử dụng

trong các mục đích hác nhau. Để nhận biết đƣợc các đối tƣợng trên ảnh cần

phải giải đoán chúng. Ảnh đƣợc phân loại bằng việc ết hợp các phƣơng pháp
hác nhau (phân loại bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự động,...).
n

n

đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, đƣợc

thực hiện hi ứng dụng thông tin thu nhận đƣợc trong quá trình xử lý ảnh vào
các lĩnh vực, bài toán cụ thể.
1.3.4.

ng d ng viễn thám và GIS trên th giới
Hiện nay sự phát triển của khoa học k thuật, công nghệ viễn thám và

GIS ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Tƣ liệu ảnh
vệ tinh có khả năng thu nhận hình ảnh mặt đất một cách tức thời, liên tục trên
phạm vi rộng, mang tính khách quan, đƣợc lặp đi lặp lại theo chu ì, có độ
chính xác cao và đồng nhất ở mọi thời điểm. Công nghệ viễn thám đƣợc ứng
dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực hác nhau nhƣ thành lập các bản đồ hiện
trạng tài nguyên môi trƣờng, phân tích sự biến động đƣờng bờ biển, theo dõi,
giám sát hiện tƣợng ngập úng do bão lụt, cháy rừng, giám sát độ nhiễm mặn
vùng đất ven biển, biến động đất rừng…


11

Các nƣớc tiên tiến ứng dụng viễn thấm đầu tiên là: M , Nga, Ấn Độ,
Canada, Nhật, và mới đây có thêm Trung Quốc … việc ứng dụng kết hợp
công nghệ viễn thám và GIS đã trở thành công nghệ hoàn chỉnh, đƣợc sử

dụng rộng rãi không chỉ để theo dõi, kiểm kê, dự báo, quản lý các tài
nguyên trên đất liền mà còn hƣớng dần ra biển và đại dƣơng. Ứng dụng sử
dụng tƣ liệu viễn thám đa phổ, đa thời gian để theo dõi biến động bề mặt
địa lý tự nhiên trên mặt đất đã đƣợc hình thành trên thế giới ngay từ khi các
vệ tinh quan sát Trái Đất đầu tiên đƣợc đƣa lên vũ trụ. Trên thế giới, đã có
rất nhiều các công trình khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này và đã rất
thành công.
Khả năng sử dụng tƣ liệu ảnh viễn thám kết hợp với GIS không chỉ áp
dụng nghiên cứu bề mặt địa lý nói chung hay biến động tài nguyên nƣớc nói
riêng mà nó còn đƣợc áp dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực nhƣ quản lý tài
nguyên và môi trƣờng, cảnh báo ngập lụt, nghiên cứu biến động sử dụng đất,
lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, lĩnh vực nông nghiệp,..vv. Chính vì vậy, xu
thế của nhiều nƣớc phát triển hiện nay là phối hợp nghiên cứu ứng dụng công
nghệ viễn thám và GIS vào các chuyên ngành và lĩnh vực cụ thể.

1.3.5. Ứng dụng viễn thám và GIS ở Việt Nam trong quản lý tài nguyên nước
Ở Việt Nam hiện nay cũng đã có rất nhiều công trình khoa học ứng
dụng công nghệ viễn thám và GIS nhƣ: Nghiên cứu quy hoạch đô thị Hà Nội
(TS. Đinh Thị Bảo Hoa), nghiên cứu sự biến động bề mặt địa lý, giám sát tài
nguyên và môi trƣờng. Các ứng dụng viễn thám và GIS trong lĩnh vực nghiên
cứu về tài nguyên nƣớc, mặc dù còn chƣa nhiều nhƣng cũng đã đƣợc đề cập
đến nhƣ: Bộ tài nguyên và môi trƣờng đang đẩy mảnh các đề tài: Ứng dụng
d liệu ảnh viễn thám và GIS để xác định tr lƣợng nƣớc tại các hồ chứa;
Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để giám sát mực nƣớc tại một số hồ
thủy điện, giám sát tàu thuyền trên biển...
Công cụ viễn thám và GIS với các phần mềm có các chức năng phân
tích, xử lý d liệu mạnh ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh


12

vực hác nhau. Trong nh ng năm gần đây, GIS đƣợc sử dụng nh- một công cụ
đắc lực trong công tác nghiên cứu, quản lý, hai thác cũng nh- bảo vệ môi
trƣờng. Các bản đồ quy hoạch, bản đồ xói mòn đất tiềm năng, bản đồ hiện
trang rừng, hiện trạng giao thông.v.v.có thể đƣợc thành lập bằng công cụ GIS.
Có thể nói việc ết hợp nghiên cứu tƣ liệu lịch sử, nghiên cứu, phỏng
vấn thực địa với ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá, phân tích và dự
báo biến động các yếu tố môi trƣờng làm cho ết quả đạt đƣợc chính xác hơn,
nhanh hơn và cập nhật hơn.
Ở Nƣớc ta việc xác định biến động tài nguyên nƣớc nói chung, nƣớc
ngọt nói riêng cũng đã đƣợc quan tâm, tuy nhiên với các phƣơng pháp truyền
thống là đo đạc trực tiếp từ hiện trƣờng và đo đạc ở nhiều thời điểm khác
nhau rất hó hăn, tốn kém và thiếu độ chính xác. Mặt khác không có thể đo
đạc trực tiếp biến động tài nguyên nƣớc trong một thời gian dài (vài chục
năm) sẽ dẫn đến nh ng sai sót tạo ra nh ng quyết định sai trong quản lý, sử
dụng nƣớc. Với việc ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến biến
động tài nguyên nƣớc, thay đổi diện tích nƣớc mặt từ đó trợ giúp ra quyết
định quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc có ý nghĩa thực tiễn và rất cần
đƣợc ứng dụng rộng rãi.
1.4. Giới thiệu về phần mềm ENVI và ARCGIS
1.4.1. Ph n m m ENVI
Phần mềm ENVI - Environment for Visualizing Images là một phần
mềm xử lý ảnh viễn thám mạnh, với các đặc điểm chính nhƣ sau:
 Hiển thị, phân tích ảnh với nhiều kiểu d liệu và kích cỡ ảnh khác
nhau.
 Môi trƣờng giao diện thân thiện.
 Cho phép làm việc với từng kênh phổ riêng lẻ hoặc toàn bộ ảnh. Khi
một file ảnh đƣợc mở, mỗi kênh phổ của ảnh đó có thể đƣợc thao tác với tất
cả các chức năng hiện có của hệ thống. Với nhiều file ảnh đƣợc mở, ta có thể
dễ dàng lựa chọn các kênh từ các file ảnh để xử lý cùng nhau.

13

 ENVI có các công cụ chiết tách phổ, sử dụng thƣ viện phổ, và các chức
năng chuyên cho phân tích ảnh phân giải phổ cao (high spectral resolution
images).
 Phần mềm ENVI đƣợc viết trên ngôn ng IDL – Interactive Data
Language. Đây là ngôn ng lập trình cấu trúc, cung cấp khả năng tích hợp
gi a xửlý ảnh và khả năng hiển thị với giao diện đồ hoạ dễ sử dụng.
1.4.2. Ph n m m ARCGIS
ArcGIS (ESRI Inc. - ): là hệ thống GIS hàng đầu
hiện nay, cung cấp một giải pháp toàn diện từ thu thập / nhập số liệu, chỉnh lý,
phân tích và phân phối thông tin trên mạng Internet tới các cấp độ hác nhau
nhƣ CSDL địa lý cá nhân hay CSDL của các doanh nghiệp. Về mặt công nghệ,
hiện nay các chuyên gia GIS coi công nghệ ESRI là một giải pháp mang tính
chất mở, tổng thể và hoàn chỉnh, có hả năng hai thác hết các chức năng của
GIS trên các ứng dụng hác nhau nhƣ: des top (ArcGIS Des top), máy chủ
(ArcGIS Server), các ứng dụng Web (ArcIMS, ArcGIS Online), hoặc hệ thống
thiết bị di động (ArcPAD)... và có hả năng tƣơng tích cao đối với nhiều loại
sản phẩm của nhiều hãng hác nhau.

Hình 1.3: Khái quát ph n m m ArcGIS


14

ArcGIS Des top (với phiên bản mới nhất là ArcGIS 10) bao gồm
nh ng công cụ rất mạnh để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin và xuất bản
tạo nên một GIS hoàn chỉnh, cho phép:



Tạo và chỉnh sửa d liệu tích hợp (d liệu không gian tích hợp với d

liệu thuộc tính) - cho phép sử dụng nhiều loại định dạng d liệu khác nhau
thậm chí cả nh ng d liệu lấy từ Internet;


Truy vấn d liệu không gian và d liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và

bằng nhiều cách khác nhau;


Hiển thị, truy vấn và phân tích d liệu không gian kết hợp với d liệu

thuộc tính;


Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lƣợng trình bày

chuyên nghiệp.
ArcGIS Destop là một bộ phần mềm ứng dụng gồm: ArcMap,
ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe. Khi sử dụng
các ứng dụng này đồng thời, ngƣời sử dụng có thể thực hiện đƣợc các bài toán
ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành lập bản đồ,
phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập d liệu, quản lý d liệu, hiển thị và xử
lý d liệu. Phần mềm ArcGIS Des top đƣợc cung cấp cho ngƣời dùng ở 1
trong 3 cấp bậc với mức độ chuyên sâu khác nhau là ArcView, ArcEditor,
ArcInfo:
ArcView: Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây

dựng và phân tích d liệu địa lý, các công cụ phân tích hông gian cùng với
việc biên tập và phân tích thông tin từ các lớp bản đồ hác nhau đồng thời thể
hiện các mối quan hệ và nhận dạng các mô hình. Với ArcView, cho phép:


Ra các quyết định chuẩn xác hơn dựa trên các d liệu địa lý;



Xem và phân tích các d liệu không gian bằng nhiều phƣơng pháp;



Xây dựng đơn giản và dễ dàng các d liệu địa lý;


15



Tạo ra các bản đồ có chất lƣợng cao;



Quản lý tất cả các file, CSDL và các nguồn d liệu;



Tùy biến giao diện ngƣời dùng theo yêu cầu.

ArcEditor: Là bộ sản phẩm có nhiều chức năng hơn, dùng để chỉnh sửa
và quản lý d liệu địa lý. ArcEditor bao gồm các tính năng của ArcView và
thêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa, biên tập. Với ArcEditor, cho
phép:


Dùng các công cụ CAD để tạo và chỉnh sửa các đặc tính GIS;



Tạo ra các CSDL địa lý thông minh;



Tạo quy trình công việc một cách chuyên nghiệp cho 1 nhóm và cho

phép nhiều ngƣời biên tập;


Xây dựng và gi đƣợc tính toàn vẹn của không gian bao gồm các quan

hệ hình học topo gi a các đặc tính địa lý;


Quản lý và mở rộng mạng lƣới hình học;



Làm tăng năng suất biên tập;



Quản lý môi trƣờng thiết kế đa ngƣời dùng với versioning;



Duy trì tính toàn vẹn gi a các lớp chủ đề và thúc đẩy tƣ duy logic của

ngƣời dùng;


Cho phép chỉnh sửa d liệu độc lập (khi tạm ngừng kết nối với CSDL).

ArcInfo: Là bộ sản phẩm ArcGIS đầy đủ nhất. ArcInfo bao gồm tất cả
các chức năng của ArcView lẫn ArcEditor. Cung cấp các chức năng tạo và
quản lý một hệ GIS, xử lý d liệu không gian và khả năng chuyển đổi d liệu,
xây dựng d liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy
tính và xuất bản bản đồ ra các phƣơng tiện khác nhau. Với ArcInfo, cho phép:


Xây dựng một mô hình xử lý không gian rất h u dụng cho việc tìm ra

các mối quan hệ, phân tích d liệu và tích hợp d liệu;


Thực hiện chồng lớp các lớp vector, nội suy và phân tích thống kê;


16



Tạo ra các đặc tính cho sự kiện và chồng xếp các đặc tính của các sự

kiện đó;


Chuyển đổi d liệu và các định dạng của d liệu theo rất nhiều loại

định dạng;


Xây dựng nh ng bộ d liệu phức tạp, các mô hình phân tích và các

đoạn mã để tự động hóa các quá trình GIS;


Sử dụng các phƣơng pháp trình diễn, thiết kế, in ấn và quản lý bản đồ

để xuất bản bản đồ


17

Chƣơng 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2.1.1. M c tiêu chung

Góp phần nâng cao hiệu quả quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc.
2.1.2. M c tiêu c thể
Ứng dụng công nghệ hông gian địa lý GIS thành lập bản đồ hiện trạng
tài nguyên nƣớc.
- Dự báo xu thế biến động tài nguyên nƣớc trong 10 năm tiếp theo.
- Đề xuất giải pháp quản lý tài ngueyen nƣớc.
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: Khu vực có diện tích mặt nƣớc lớn (diện tích
bề mặt trên 50 km2) trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh.
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Phạm vi về nội dung: Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu biến động về
diện tích mặt nƣớc lớn tại hu vực nghiên cứu, Công nghệ địa hông gian sử
dụng trong quá trình nghiên cứu.
+ Phạm vi về hông gian: Do thời gian và inh phí, đề tài chỉ tập trung
nghiên cứu biến động diện tích mặt nƣớc lớn trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh.
+ Phạm vi về thời gian: Đề tài thực hiện từ tháng 12 năm 2016 – tháng
5 năm 2017, xác định hiện trạng diện tích mặt nƣớc các năm 2015, 2010,
2005, 2000, 1995 và 1990.