Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than na dương, huyện lộc bình, tỉnh lạng sơn
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.67 MB, 101 trang )
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS GIÁM SÁT
ĐỘ CHE PHỦ THỰC VẬT TẠI KHU VỰC MỎ THAN
NA DƢƠNG, HUYỆN LỘC BÌNH, TỈNH LẠNG SƠN
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
NGUYỄN DUY ANH
HÀ NỘI, NĂM 2019
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS GIÁM SÁT
ĐỘ CHE PHỦ THỰC VẬT TẠI KHU VỰC MỎ THAN
NA DƢƠNG, HUYỆN LỘC BÌNH, TỈNH LẠNG SƠN
NGUYỄN DUY ANH
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG
MÃ SỐ: 8440301
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. HOÀNG ANH HUY
TS. NGUYỄN TIẾN THÀNH
HÀ NỘI, NĂM 2019
Hà Nội - Năm 20..
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hƣớng dẫn chính: PGS.TS. Hoàng Anh Huy
TS. Nguyễn Tiến Thành
Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Phạm Thị Mai Thảo
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Phạm Thị Việt Anh
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Ngày tháng năm 2019
THÔNG TIN LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: NGUYỄN DUY ANH
Lớp: CH2B.MT
Khóa: 2016-2018
Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. Hoàng Anh Huy
TS. Nguyễn Tiến Thành
Tên đề tài: Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS giám sát độ che phủ thực
vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn.
Tóm tắt luận văn: Độ che phủ thực vật là một trong nhiều yếu tố quan
trọng đƣợc sử dụng để đánh giá các quá trình tự nhiên nhƣ xói lở, trƣợt lở, lũ
lụt cũng nhƣ tốc độ phá hủy môi trƣờng tự nhiên do các hoạt động nhân sinh.
Mục tiêu của nghiên cứu là giám sát đƣợc biến động độ che phủ thực vật tại
khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn từ tƣ liệu ảnh vệ
tinh LANDSAT TM VÀ OLI. Trên cơ sở chỉ số NDVI, phƣơng pháp phân
loại ảnh, ứng dụng mô hình phân giải pixel hỗn hợp tuyến tính xác định độ
che phủ thực vật (FVC), sau đó tiến hành đánh giá biến động độ che phủ tực
vật. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, diện tích
có độ che phủ thực vật (FVC) thƣa thớt từ dƣới 10% giảm rất mạnh từ 26,78
xuống 13,37
mạnh từ 19,49
, diện tích có độ che phủ thực vật từ dƣới 20% giảm
xuống 13,38
do ảnh hƣởng của hoạt động khai thác
tại mỏ than trong giai đoạn 1986 – 2015. Từ kết quả nghiên cứu có thể kết
luận: Ứng dụng phƣơng pháp viễn thám, sử dụng tƣ liệu ảnh vệ tinh
LANDSAT giúp việc đánh giá, giám sát biến động độ che phủ thực vật một
cách hiệu quả, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí.
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Kết quả nghiên cứu của luận văn là những đóng góp tiêng dựa trên số liệu
thu thập, những kết quả nghiên cứu kế thừa các công trình khoa học khác đều đƣợc
trích dẫn theo đúng quy định.
Nếu luận văn có sự sao chép từ các công trình khoa học khác, tác giả xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên
Nguyễn Duy Anh
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự quan tâm, giúp đỡ
của rất nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị. Nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin bày tỏ
lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới:
Tôi xin đƣợc bày tỏ sử cảm ơn trân trọng tới PGS.TS. Hoàng Anh Huy đã
tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
TS. Nguyễn Tiến Thành, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện
thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Môi trƣờng, Trƣờng
Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội... đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá
trình hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, cán bộ, đồng nghiệp và
bạn bè đã tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề
tài.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh nhất,
song do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu
sót, vì vậy rất mong nhận đƣợc sự đóng ghóp ý kiến của các Thầy, Cô để luận văn
đƣợc hoàn thiện hơn.
Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2019
Học viên
Nguyễn Duy Anh
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................................3
1.1. Tổng quan về viễn thám .......................................................................................3
1.1.1. Khái niệm viễn thám ........................................................................................3
1.1.2 Các thành phần chính của hệ thống viễn thám...................................................4
1.1.4. Ứng dụng của công nghệ viễn thám..................................................................7
1.1.5. Tìm hiểu về vệ tinh viễn thám Landsat ...........................................................10
1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (GIS) ...................................................18
1.2.1. Định nghĩa về hệ thống thông tin địa lý .........................................................18
1.2.2. Chức năng của GIS ........................................................................................18
1.3. Tổng quan về độ che phủ thực vật .....................................................................19
1.3.1. Khái niệm độ che phủ thực vật .......................................................................19
1.3.2. Các phƣơng pháp xác định độ che phủ thực vật. ............................................20
1.4. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .....................................................................20
1.4.1. Điều kiện tự nhiên kinh tế - xã hội huyện Lộc Bình .......................................20
1.4.2. Khái quát chung về Mỏ than Na Dƣơng .........................................................33
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....39
2.1. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu .........................................................................39
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................39
2.2.1 Tiền xử lý ảnh vệ tinh ......................................................................................39
2.2.2. Hiệu chỉnh bức xạ ...........................................................................................39
2.2.3. Hiệu chỉnh hình học ........................................................................................41
2.2.4. Phân loại ảnh ...................................................................................................43
2.2.5. Xác định độ che phủ thực vật ..........................................................................47
iv
2.2.6. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật .........................................................49
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................51
3.1. Tƣ liệu, tài liệu và phần mềm sử dụng ...............................................................51
3.1.1. Tƣ liệu, tài liệu sử dụng ..................................................................................51
3.1.2. Phần mềm sử dụng ..........................................................................................52
3.2. Xử lý ảnh vệ tinh trên phần mềm .......................................................................53
3.2.1. Sử dụng phần mềm Envi xử lý ảnh vệ tinh Landsat .......................................53
3.2.2. Sử dụng phần mềm ArcMap để đánh giá biến động và biên tập bản đồ ........69
3.3. Kết quả xác định độ che phủ thực vật qua hai thời kỳ .......................................73
3.3.1. Độ che phủ phủ thực vật huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn năm 1986 .............73
3.3.2. Độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 1986..........................74
3.3.3. Độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn năm 2015 ....................76
3.3.4. Độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 2015..........................77
3.4. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật qua hai thời kỳ ...................................79
3.4.1. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật tại huyện Lộc Bình qua hai thời kỳ 79
3.4.1. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng qua
hai thời kỳ..................................................................................................................81
3.5. Đề xuất quy trình giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực nghiên cứu ...........83
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................................85
KẾT LUẬN ...............................................................................................................85
KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................86
v
DANH MỤC VIẾT TẮT
FVC
Độ che phủ thực vật (Fractional Vegetation Cover)
GIS
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)
LSMM
Mô hình hỗn hợp tuyến tính (Linear spectral mixture model)
NDVI
Chỉ số thực vật (Normalized Difference Vegetation Index)
kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái đất (Earth Resource Technology
ERTS
Sattellite)
OLI
Bộ thu nhận ảnh mặt đất (Operational Land Imager)
LDCM
Vệ tinh Landsat 8 (Landsat Data Continuity Mission)
TIRS
Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (Thermal Infrared Sensor)
ETM+
Bộ cảm biến của Landsat 7 (Enhanced Thematic Mapper Plus)
MSS
Bộ quét đa phổ (Multispectral Scanner)
Chỉ số thực vật nhỏ nhất
Chỉ số thực vật lớn nhất
vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các thế hệ vệ tinh Landsat ........................................................................10
Bảng 1.2 : Một số thông tin kênh phổ của ảnh Landsat TM .....................................11
Bảng 1.3 : Thông tin kênh phổ của ảnh Landsat ETM+ ...........................................12
Bảng 1.4 : Một số thông tin kênh phổ của ảnh Landsat 8 .........................................13
Bảng 1.5 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat TM .........................14
Bảng 1.6 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+ .....................15
Bảng 1.7 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8 .............................15
Bảng 2.1: Hệ thống phân loại thực phủ của khu vực nghiên cứu .............................44
Bảng 3.1: Bảng thành lập khóa giải đoán ảnh vệ tinh năm 1986 và năm 2015 ........61
Bảng 3.2 : Bảng thống kê chỉ số thực vật NDVI của các lớp phủ ............................65
Bảng 3.3 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực huyện Lộc Bình năm 1986 73
Bảng 3.4 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 1986.. 75
Bảng 3.5 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực huyện Lộc Bình năm 201576
Bảng 3.6 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 2015.. 78
Bảng 3.7 : Diện tích biến động độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình ................79
năm 1986 và 2015 ....................................................................................................79
Bảng 3.8 : Diện tích biến động độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng
năm 1986 và 2015 ....................................................................................................82
vii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 : Các thành phần của hệ thống viễn thám ....................................................4
Hình 1.2 : Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám .......................................................5
Hình 1.3 : Viễn thám chủ động và viễn thám bị động ................................................6
Hình 1.4 : Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) ..........................6
Hình 1.5 : Vệ tinh Landsat 7(trái) và Vệ tinh Landsat 8(phải) .................................11
Hình 1.6 : độ che phủ của ảnh vệ tinh Landsat trên quy mô toàn cầu ......................17
Hình 1.7: Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau.....18
Hình 1.8: Ranh giới huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn ...............................................21
Hình 2.1 : Các nguồn nhiễu bức xạ ...........................................................................40
Hình 2.2 : Các bƣớc hiệu chỉnh hình học ..................................................................42
Hình 2.3: Phƣơng pháp phân loại xác suất cực đại (Trần Hùng, 2008) ...................45
Hình 2.4 : Giá trị chỉ số NDVI đối với thực vật tƣơi tốt (trái) và héo úa (phải) .......48
Hình 3.1: a,b là hình ảnh Landsat 8 và Landsat 5 quét khu vực nghiên cứu ............51
Hình 3.2 : Thanh công cụ Envi .................................................................................53
Hình 3.3 : Đã mở và load ảnh lên .............................................................................53
Hình 3.4 : Bảng File Selection ..................................................................................54
Hình 3.5 : Bảng Radiometric Cailbration .................................................................54
Hình 3.6 : Hiệu chỉnh khí quyển bằng FLAASH ......................................................55
Hình 3.7 : Sau khi đã hiệu chỉnh khí quyển xong .....................................................56
Hình 3.8 : Bảng Band Math ......................................................................................56
Hình 3.9 : Khu vực huyện Lộc Bình trên ảnh Landsat .............................................57
Hình 3.10: Bảng Spatial Subset via ROI Parameters ................................................58
Hình 3.11 : Khu vực huyện Lộc Bình sau khi cắt .....................................................58
Hình 3.12 : bảng NDVI Calculation Input File .........................................................59
Hình 3.13 : bảng NDVI Calculation Parameters 1986(trái) và 2015(phải) ..............59
Hình 3.14 : NDVI_LỘCBÌNH1986 ..........................................................................60
Hình 3.15 : NDVI_LỘCBÌNH2015 ..........................................................................60
Hình 3.16: Chọn mẫu phân loại ................................................................................62
Hình 3.17: Kết quả phân loại ....................................................................................63
Hình 3.18: Kết quả xử lý sau phân loại .....................................................................63
viii
Hình 3.19: Bảng Mask Definition .............................................................................64
Hình 3.20: Bảng thống kê chỉ số thực vật NDVI đối với lớp phủ Đất rừng .............65
Hình 3.21 : Nhập công thức năm 1986 và năm 2015 ...............................................66
Hình 3.22 : Độ che phủ thực vật năm 1986 ..............................................................67
Hình 3.23 : Độ che phủ thực vật năm 2015 ..............................................................68
Hình 3.24 : Bảng hộp thoại Add Data .......................................................................69
Hình 3.25 : Bảng hộp thoại Union ............................................................................70
Hình 3.26 : Bảng hộp thoại Raster Calculator ..........................................................70
Hình 3.27 : Bảng Calculate Geometry ......................................................................71
Hình 3.28 : Bảng thuộc tính ......................................................................................71
Hình 3.29 : Tạo khung bản đồ ...................................................................................72
Hình 3.30 : Bản đồ độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình năm 1986 ........................73
Hình 3.31: Bản đồ độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 1986 ......74
Hình 3.32 : Bản đồ độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình năm 2015 ........................76
Hình 3.33: Bản đồ độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 2015 ......77
Hình 3.34 : Bản đồ biến động độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình giai đoạn
1986 – 2015 ..............................................................................................................79
Hình 3.35 : Bản đồ biến động độ che phủ thực vật khu vực mỏ than .................81
Na Dƣơng giai đoạn 1986 – 2015 ..........................................................................81
Hình 3.36 : Quy trình giám sát độ che phủ thực vật.............................................83
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Độ che phủ thực vật là một trong nhiều yếu tố quan trọng đƣợc sử dụng để
đánh giá các quá trình tự nhiên nhƣ xói lở, trƣợt lở, lũ lụt cũng nhƣ tốc độ phá hủy
môi trƣờng 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.
Công nghệ viễn thám ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành,
nhiều lĩnh vực từ khí tƣợng – thủy văn, địa chất, môi trƣờng cho đến nông – lâm –
ngƣ nghiệp,… trong đó có theo dõi biến động các loại lớp phủ mặt đất đất với độ
chính xác khá cao, từ đó có thể giúp các nhà quản lý có thêm nguồn tƣ liệu để giám
sát biến động sử dụng đất. Trƣớc yêu cầu đòi hỏi phải cập nhật thông tin một cách
đầy đủ, nhanh chóng và chính xác nhất về các loại thảm che phủ thực vật, việc sử
dụng tƣ liệu viễn thám kết hợp với công nghệ GIS để xử lý ảnh và thành lập bản đồ
đã trở thành một phƣơng pháp có ý nghĩa thực tiễn và mang tính khoa học cao. Hơn
nữa; ảnh viễn thám Landsat với những ƣu điểm nhƣ: chi phí rẻ, khả năng cập nhập
thông tin dễ dàng, nhanh chóng, chính xác, diện tích vùng phủ rộng, tính chất đa
thời kỳ của tƣ liệu, tính chất phong phú của thông tin đa phổ, có thể chụp ảnh những
khu vực mà việc đi lại rất khó khăn nhƣ đầm lầy đã giúp việc nghiên cứu biến động
thảm che phủ đạt hiệu quả cao hơn.
Ở Việt Nam, hoạt động khai thác than có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong sự
nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nƣớc, song việc khai thác thiếu quy
hoạch tổng thể không quan tâm đến cảnh quan môi trƣờng đã và đang làm biến
động nguồn tài nguyên thiên nhiên nhƣ mất dần đất canh tác, giảm diện tích rừng
gây ô nhiễm nguồn nƣớc bao gồm nƣớc mặt, nƣớc ngầm và cả ô nhiễm biển, ảnh
hƣởng tới tài nguyên sinh vật và sức khoẻ cộng đồng. Cùng với quá trình phát triển
của đất nƣớc, sự phát triển mạnh mẽ của ngành than. Cũng nhƣ ở một số địa
2
phƣơng khác, Mỏ than Na Dƣơng là một trong những khu vực khai thác chính của
tỉnh Lạng Sơn nằm trên địa bàn thị trấn Na Dƣơng, huyện Lộc Bình. Trong những
năm qua Mỏ than đã có đóng góp đáng kể cho sự phát triển kinh tế - xã hội của
huyện. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động khai thác không thể tránh khỏi việc
phát sinh những tác động gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng môi trƣờng xung quanh và
đặc biệt là thảm thực vật tại khu vực khai thác. Vì vậy, để quản lý và bảo tồn thảm
thực vật tại khu vực khai thác đƣợc hiệu quả thì công tác giám sát là một nhiệm vụ
tối quan trọng đặt ra cho các nhà nghiên cứu và quản lý.
Xuất phát từ yêu cầu nêu trên, tôi tiến hành thực hiện đề tài nghiên cứu: “Ứng
dụng công nghệ viễn thám và GIS giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ
than Na Dương, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Giám sát đƣợc biến động độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na
Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn.
3. Nội dung nghiên cứu
- Thu thập các tài liệu, số liệu, dữ liệu vệ tinh và bản đồ tại khu vực nghiên
cứu và vấn đề nghiên cứu.
- Xử lý và giải đoán ảnh vệ tinh phục vụ thành lập bản đồ độ che phủ thực vật
tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn.
- Chiết tách độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc
Bình, tỉnh Lạng Sơn qua các thời kì từ ảnh vệ tinh Landsat.
- Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS thành lập bản đồ độ che phủ thực vật
và biến động tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn.
- Đề xuất quy trình giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na
Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn.
3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về viễn thám
1.1.1. Khái niệm viễn thám
Viễn thám (Remote sensing – tiếng Anh) đƣợc hiểu là một khoa học và nghệ
thuật để thu nhận thông tin về một đối tƣợng, một khu vực hoặc một hiện tƣợng
thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận bằng các phƣơng tiện. Những phƣơng tiện
này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng, khu vực hoặc hiện tƣợng nghiên
cứu.
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhƣng mọi định nghĩa đều có
nét chung nhấn mạnh “viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các
đối tƣợng, hiện tƣợng trên trái đất”.
Thuật ngữ viễn thám đƣợc sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm tất
cả các lĩnh vực nhƣ không gian ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh.
Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể đƣợc xác định thông qua năng
lƣợng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám còn là một công nghệ nhằm xác
định và nhận biết đối tƣợng hoặc các điều kiện môi trƣờng thông qua những đặc
trƣng riêng về sự phản xạ và bức xạ.
Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện tử hoặc đƣợc
phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ
hoặc bức xạ 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 (digtal number).
Phƣơng tiện dùng để mang bộ cảm biến đƣợc gọi là vật mang. Hiện nay, vật mang
rất đa dạng có thể là kinh khí cầu, máy bay, vệ tinh, tàu vũ trụ…
4
1.1.2 Các thành phần chính của hệ thống viễn thám
Hình 1.1 : Các thành phần của hệ thống viễn thám
Sóng điện tử đƣợc phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin
chủ yếu về đặc tính của đối tƣợng. Ảnh viễn thám cung cấp các thông tin về các vật
thể tƣơng ứng với năng lƣợng bức xạ ứng với từng bƣớc sóng xác định. Đo lƣờng
và phân tích năng lƣợng 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 tƣơng tác giữa bức xạ
điện từ và vật thể.
Nguồn năng lƣợng chính thƣờng đƣợc sử dụng trong viễn thám là nguồn năng
lƣợng mặt trời, năng lƣợng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ đƣợc
bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận.
Thông tin về năng lƣợng phản xạ của các vật thể đƣợc 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 tƣợng trên
mặt đất sẽ đƣợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ lâm nghiệp, địa chất,
khí tƣợng.
5
\
Hình 1.2 : Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám
Năng lƣợng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trƣờng khí quyển sẽ bị
các phần tử khí hấp thụ dƣới các hình thức khác nhau tùy thuộc từng bƣớc sóng cụ
thể. Trong viễn thám ngƣời ta thƣờng quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ
trong khí quyển vì các hiện tƣợng và cơ chế tƣơng tác giữa sóng điên từ với khí
quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận.
1.1.3. Phân loại viễn thám
Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố:
- 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
a. Phân loại theo nguồn tín hiệu
Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám đƣợc chia làm hai loại: viễn thám
chủ động và viễn thám bị động
6
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 thƣờng 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 nƣớc 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 tƣ liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống.
b. 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).
Hình 1.4 : Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải)
7
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ quay bằng tốc độ quay của trái đất, nghĩa
là vị trí tƣơng 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 đƣợc thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh
thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phƣơng và thời gian thu là lặp lại đối với một vệ
tinh. Ví dụ Landsat là 18 ngày, SPOT là 26 ngày.
c. Phân loại theo dải sóng thu nhận
Theo bƣớc 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 lƣợng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải sóng
nhìn thầy và hồng ngoại. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bƣớc sóng ƣu thế 0,5 m.
Tƣ liệu viễn thám thu đƣợc 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 đƣợc xác định từ các
phổ phản xạ.
Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bƣớc sóng từ 1 đến vài
chục centimet. Nguồn năng lƣợng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủ động
đƣợc 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 lƣợng tới các vật thể sau đó thu lại đƣợc
những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể.
Nguồn năng lƣợng 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.
1.1.4. Ứng dụng của công nghệ viễn thám
a. Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để thành lập bản đồ
Khi con ngƣời 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
8
vũ trụ vào mục đích đo vẽ bản đồ. Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng : có thể
sử dụng tƣ 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 nhƣ thể hiện chính xác các con đƣờng,
các tuyến đƣờng sắt, các khu đô thị, và vẽ các cấu trúc nhân tạo trong đó.
Đối với tƣ liệu ảnh Landsat MSS, TM, ETM+
Ảnh Landsat MSS đƣợc 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 lƣợc 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
Đối với ảnh SPOT, MAPSAT
Ở nhiều nƣớc, ngƣời 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.
Đối với tƣ liệu ảnh thu từ máy chụp ảnh vũ trụ quang học
Khi sử dụng ảnh vũ trụ đƣợc chụp từ các máy chụp ảnh quang học có thể đo
vẽ bản đồ tỷ lệ trung bình và nhỏ.
b. Ứng dụng trong điều tra và quản lý tài nguyên môi trường
Phân loại bề mặt lớp phủ
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 ngƣời trong việc sử dụng đất nhƣ các
vùng công nghiệp, đất thổ cƣ, đất trồng các loại hoa màu canh tác.
9
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 nhƣỡng, 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 đƣa cho ta kết quả chính xác.
Theo dõi chất lƣợng nƣớc
Vấn đề ô nhiễm nƣớc 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 lƣợng
nƣớc và một số đặc trƣng phản xạ, hấp thụ của nƣớc. Nƣớc sạch bị hấp thụ ít nhất ở
bƣớc sóng 0.5 m, nƣớc chứa nhiều trầm tích lơ lửng bị hấp thụ ít nhất ở bƣớc sóng
0.5 m. Nhìn chung bức xạ trong dải sóng nhìn thấy tán xạ trong lòng nƣớc tạo
thành cho nƣớc trong có màu chàm tiêu biểu, nhƣng do bị các trầm tích lơ lửng hấp
thụ nên nƣớc đục thƣờng có màu lục hoặc màu vàng trên các ảnh tổ hợp màu chuẩn.
c. 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 ƣu điểm của tƣ liệu viễn thám nhƣ tính tổng quan khu vực, tính phổ.
Các tƣ liệu viễn thám đƣợc 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 tƣ liệu nhƣ ảnh máy bay đƣợc sử dụng trong nghiên cứu bởi nó có độ
phân giải cao và cho phép quan sát lập thể. Đƣợc sử dụng trong giải đoán ảnh.
Các tƣ liệu hồng ngoại nhiệt đƣợc sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu các đới
địa nhiệt và những đối tƣợng liên quan. Sử dụng giải đoán trực tiếp hoặc ứng dụng
trong mô hình địa nhiệt.
Các dữ liệu siêu cao tần cũng đƣợc ứng dụng trong nghiên cứu địa chất bởi
các đặc tính nhƣ quan sát trong mọi thời tiết, không bị ảnh hƣởng bở sƣơng mù, hơi
10
nƣớc đậm đặc. Các dữ liệu này còn cho phép nghiên cứu xuyên sâu xuống lòng đất
và vƣợt qua lớp phủ thực vật dày đặc, tiêu biểu cho các vùng khí hậu nhiệt đới.
1.1.5. Tìm hiểu về vệ tinh viễn thám Landsat
a. 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, đƣợc đổi tên thành LANDSAT. Vệ tinh ERTS - 1
đƣợc phóng vào ngày 23/6/1972. Sau đó NASA đổi tên chƣơng trình ERTS thành
LANDSAT, ERTS -1 đƣợc đổi tên thành LANDSAT 1. Cho đến nay đã có 8 thế hệ
vệ tinh LANDSAT đƣợc thực hiện, trong đó có 7 vệ tinh đƣợc phóng thành công
lên quỹ đạo. Ảnh vệ tinh LANDSAT với đặc điểm độ phân giải không gian trung
bình, số lƣợng kênh phổ tƣơng đối lớn, giá thành hạ, thậm chí miễn phí trở thành
nguồn tƣ liệu phong phú và quý giá trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và
giám sát môi trƣờng.
Bảng 1.1: Các thế hệ vệ tinh Landsat
Vệ tinh
Ngày phóng
Ngày ngừng hoạt động
Bộ cảm
Landsat 1
23/6/1972
06/1/1978
MSS
Landsat 2
22/1/1975
22/1/1981
MSS
Landsat 3
05/3/1978
31/3/1983
MSS
Landsat 4
16/7/1982
15/6/2001
TM, MSS
Landsat 5
01/3/1984
05/6/2013
TM, MSS
Landsat 6
05/3/1993
Bị hỏng ngay khi phóng
ETM
Landsat 7
15/4/1999
Đang hoạt động
ETM+
Landsat 8
11/02/2013
Đang hoạt động
OLI và TIRS
(Nguồn: )
11
Tƣ liệu vệ tinh Landsat là tƣ liệu viễn thám đang đƣợc sử dụng rộng rãi trên
toàn thế giới và Việt Nam
Hình 1.5 : Vệ tinh Landsat 7(trái) và Vệ tinh Landsat 8(phải)
Hiện nay, ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lƣợng kênh phổ và độ phân giải
khác nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM đƣợc thu từ vệ tinh Landsat 4,
Landsat 5 và ảnh Landsat ETM+ đƣợc thu từ vệ tinh Landsat 7 đƣợc 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 30m 30m và một số giải phổ hồng ngoại ở
kênh 6, độ phân giải 120m 120m 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
Tên
0.45 – 0.53
0.52 – 0.6
0.63 – 0.69
0.76 – 0.9
1.55 – 1.75
Blue
Green
Red
NIR
SWIR
30
30
30
30
30
16
16
16
16
16
8
8
8
8
8
TM6
10.4 – 12.5
Hồng ngoại
nhiệt
120
5
8
TM7
2.08 – 2.35
SWIR
30
16
8
(Nguồn: )
Độ phân giải Số dòng
Độ phủ cảnh
Số bit
không gian
quét
của TM4-TM7
185 x 185 km
10% chồng phía
trƣớc, 8% hai rìa
12
Ảnh Landsat ETM+ ghi phổ trên 8 kênh ở các bƣớc sóng giống nhƣ của ảnh
Landsat TM, điều khác biệt ở Landsat ETM+ kênh hồng ngoại nhiệt có độ phân giải
cao hơn (60m 60m) và có thêm toàn sắc (Pan) với độ phân giải không gian là
15m 15m
Bảng 1.3 : Thông tin kênh phổ của ảnh Landsat ETM+
Bộ cảm biến
Kích thƣớc
Độ phân giải
vùng quét
không gian
Kênh ảnh
Khoảng phổ
Kênh 1
0.45 -0.52 µm
30m
Kênh 2
0.52 – 0.60µm
30m
Kênh 3
0.63 – 0.69µm
30m
Kênh 4
0.76 – 0.90 µm
ETM +Enhanced
ThematicMapper,
Plus(Landsat7)
30m
185 x 185 km
Kênh 5
1.55 – 1.75 µm
Kênh 6
10.4 – 12.5 µm
60m
Kênh 7
2.08 – 2.35 µm
30m
Kênh 8
0.52 – 0.90 µm
15m
30m
(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 30m 30m, ở kênh nhiệt là 100m 100m và 15m 15m
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 đƣợc thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ
cảm Landsat trƣớc.
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 tƣơng 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
13
sát chất lƣợng nƣớc ở các hồ và đại dƣơng nƣớc nông ven biển cũng nhƣ sol khí. Bộ
cảm TIRs thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tiêu thụ nƣớc,
đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền tây nƣớc Mỹ.
Bảng 1.4 : Một số thông tin kênh phổ của ảnh Landsat 8
Vê tinh
LDCM –
Landsat 8
(Bộ cảm
OLI và
TIRs)
Bƣớc sóng
(micrometers)
Độ phân
giải
(meters)
Band 1 - Coastal aerosol
0.433 - 0.453
30
Band 2 - Blue
0.450 - 0.515
30
Band 3 - Green
0.525 - 0.600
30
Band 4 - Red
0.630 - 0.680
30
Band 5 - Near Infrared
(NIR)
0.845 - 0.885
30
Band 6 - SWIR 1
1.560 - 1.660
30
Band 7 - SWIR 2
2.100 - 2.300
30
Band 8 - Panchromatic
0.500 - 0.680
15
Band 9 - Cirrus
1.360 - 1.390
30
Band 10 - Thermal Infrared
(TIR) 1
10.3 - 11.3
100
Band 11 - Thermal Infrared
(TIR) 2
11.5 - 12.5
100
Kênh
(Nguồn: )
b. Ứng dụng của ảnh Landsat
Hiện nay, ở Việt Nam các cơ quan ứng dụng viễn thám sử dụng nhiều loại tƣ
liệu ảnh vệ tinh, trong số đó các tƣ liệu ảnh LANDSAT, MODIS, SPOT,…là phổ
biến. Các tƣ liệu này mới đƣợc ứng dụng cho việc điều tra nghiên cứu các đối tƣợng
trên đất liền nhƣ 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 trƣờng. Tại các cơ quan ngoài Bộ, các
tƣ liệu viễn thám đƣợc sử dụng tại các Viện nghiên cứu và một số trƣờng Đại học.
Tuy nhiên, việc ứng dụng các tƣ liệu này chủ yếu cho việc quan sát sử dụng đất,
môi trƣờng, đô thị. Cũng có một số thí nghiệm ảnh viễn thám nghiên cứu về biển
