Luận văn Thạc sĩ Quản lý tài nguyên rừng: Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá biến động thảm thực vật rừng tại vườn quốc gia Phong Nha Kẻ Bàng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN ANH MINH

NG D NG C NG NGHỆ GIS V VIỄN TH M ĐỂ
Đ NH GI BIẾN ĐỘNG THẢM THỰC VẬT RỪNG
TẠI VƢỜN QU C GIA PHONG NHA

B NG

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG

MÃ NGÀNH: 8620211

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ T I NGUYÊN RỪNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN HOA HỌC:
PGS.TS. TRẦN QUANG BẢO

Hà Nội, 2019


i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên
cứu và tìm hiểu của riêng cá nhân tơi.
Trong tồn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là
của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu.
Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn
hợp pháp.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nếu kết quả là sản phẩm kế thừa hoặc
đã được công bố của người khác.
Hà Nội, Ngày ... tháng ... năm 2019
T C GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Anh Minh


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy
giáo hướng dẫn là PGS.TS.Trần Quang Bảo đã định hướng, khuyến khích,
chỉ dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện Luận văn Thạc Sỹ.
Được sự đồng ý của Nhà trường, Khoa Quản lý tài nguyên rừng và môi
trường, tôi thực hiện Luận văn Thạc Sỹ “Ứng dụng công nghệ GIS và vi n
thám để đánh giá biến động thảm thực vật rừng

Vườn quốc gia Phong Nha

K Bàng .
Trong thời gian thực hiện Luận văn, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã

nhận được rất nhiều sự trợ giúp, hướng dẫn tận tình của các thầy, cơ, các tổ
chức và cá nhân trong và ngồi trường.
Nhân dịp này, tơi cũng xin phép gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo
trong khoa Quản lý tài nguyên rừng và môi trường đã tạo mọi điều kiện động
viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Thạc sỹ. Cuối cùng
tơi xin cảm ơn gia đình, người thân và tồn thể bạn b đã động viên, giúp đỡ
tơi trong suốt q trình học tập và nghiên cứu, hồn thành luận văn này.
Tuy nhiên, do bản thân còn nhiều hạn chế về chun mơn và thực tế,
thời gian hồn thành luận văn không nhiều nên luận văn sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong nhận được sự chỉ dẫn, góp ý của các thầy cơ giáo
và các bạn để khóa luận hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, …tháng ….. năm 2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Anh Minh


iii

M CL C
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
M C L C ....................................................................................................... iii
DANH M C TỪ VIẾT TẮT......................................................................... vi
DANH M C BẢNG ...................................................................................... vii
DANH M C HÌNH ẢNH ............................................................................ viii
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN C U.................................... 4
1.1. Những vấn đề chung về vi n thám và GIS ............................................ 4

1.1.1. Các khái niệm ........................................................................ 4
1.1.2. C s kho h c c
1.1.3. Ph

ph

ng pháp vi n thám ......................... 6

ng pháp xử lý ảnh số vi n thám........................................ 15

1.2. Ứng dụng vi n thám và GIS trong giám sát rừng

Thế giới .............. 17

1.3. Ứng dụng vi n thám và GIS điều tra, theo dõi di n biến rừng
Việt Nam ............................................................................................... 25
1.3.1. Một số ứng dụng c

hệ thống Vi n thám và GIS

Việt N m29

1.3.2. Ứng dụng GIS trong Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. . 30
Chƣơng 2. M C TIÊU, NỘI DUNG V

PHƢƠNG PH P NGHIÊN

C U ................................................................................................ …………31
2.1. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................. 31
2.1.1. Mục tiêu chung .................................................................... 31

2.1.2. Mục tiêu cụ thể .................................................................... 31
2.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ........................................................... 31
2.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 32
2.4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................... 33
2.4.1. Ph

ng pháp kế thừ số liệu ................................................... 33


iv

2.4.2. Xây dựng bộ mẫu khó ảnh cho giải đốn ảnh vê tinh tại khu
vực nghiên cứu…. ................................................................................. 34
2.4.3. Ph

ng pháp xây dựng bản đồ hiên trạng rừng ................... 36

2.4.4. Ph

ng pháp thành lập bản đồ biến động rừng. .................. 40

2.4.5. Ph

ng pháp đánh giá biến động tài nguyên rừng .............. 41

Chƣơng 3. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ VÀ XÃ HỘI KHU VỰC
NGHIÊN C U ............................................................................................... 43
3.1.Vị trí địa lý ............................................................................................ 43
3.2. Các nhân tố sinh thái tự nhiên .............................................................. 44
3.2.1. Đị chất, đị mạo ................................................................ 44

3.2.2. Thổ nh ỡng .......................................................................... 46
3.2.3. Khí hậu ................................................................................ 46
3.2.4. Thuỷ văn .............................................................................. 47
3.2.5. Đ dạng sinh h c ................................................................... 49
3.3. Điều kiện kinh tế - xã hội ..................................................................... 50
Chƣơng 4. KẾT QUẢ NGHIÊN C U ........................................................ 52
4.1. Thành lập bản đồ hiện trạng rừng khu vực nghiên cứu ....................... 52
4.1.1. Đặc điểm hiện trạng tài nguyên rừng ................................... 52
4.1.2. Bộ mẫu khó giải đoán ảnh vệ tinh cho khu vực nghiên cứu 56
4.1.3. Giải đoán ảnh thành lập bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng 60
4.1.4. Kiểm chứng kết quả giải đoán ảnh ....................................... 61
4.1.5. Thành lập bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng khu vực nghiên cứu..... 62
4.2. Đánh giá biến động tài nguyên rừng khu vực nghiên cứu giai đoạn
2009 – 2019 ..................................................................................................... 66
4.2.1. Biến động tài nguyên rừng VQG Phong Nh – Kẻ Bàng gi i
đoạn 2009 -2019………….. .................................................................... 66
4.2.2. Nguyên nhân biến động rừng ............................................... 70


v

4.3. Đề xuất quy trình thành lập bản đồ biến động rừng

Vườn quốc gia

Phong Nha K Bàng từ tư liệu ảnh vệ tinh ..................................................... 74
KẾT LUẬN, TỒN TẠI, KIẾN NGHỊ ......................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 64

vi

DANH M C TỪ VIẾT TẮT

ý hiệu

Ý nghĩa

VQG

Vườn Quốc Gia

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

UNDP

United Nation Development Programme

CSDL

Cơ s dữ liệu

GPS

Hệ thống định vị tồn cầu

MKA

Mẫu khóa ảnh


vii

DANH M C BẢNG
Bảng 2.1. Ma trận sai số phân loại tại khu vực nghiên cứu ............................ 39
Bảng 2.2. Ma trận biến động giữa 2 thời điểm 2009 và 2019 ....................... 42
Bảng 4.1. Loại đất, loại rừng khu vực Phong Nha – K Bàng ....................... 52
Bảng 4.2.Một số mẫu khóa giải đoán ảnh của tại khu vực nghiên cứu .......... 56
Bảng 4.3. Số lượng mẫu khóa ảnh theo từng trạng thái rừng ......................... 59
Bảng 4.4. Thống kê diện tích theo trạng thái rừng tại khu vực nghiên cứu .. 64
Bảng 4.5. Quy đổi hệ thống phân loại............................................................. 66
Bảng 4.6. Biến động diện tích các trạng thái rừng giai đoạn 2009 – 2019 ..... 69


viii

DANH M C HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sóng điện từ ...................................................................................... 6
Hình 2.1. Tư liệu ảnh Sentinel 2A năm 2019 ................................................. 32
Hình 2.2. Sơ đồ Phương pháp xây dựng bộ mẫu khóa ảnh cho giải đốn ảnh
vệ tinh .............................................................................................................. 35
Hình 2.3. Hệ thống 90 MKA ngồi thực địa ................................................... 36
Hình 2.4. Sơ đồ phương pháp thành lập bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng . 38
Hình 2.5. Quy trình thành lập bản đồ biến động ............................................. 40
Hình 3.1. Ví trí nghiên cứu ............................................................................. 43
Hình 4.1. Kết quả phần vùng ảnh khu vực nghiên cứu ................................... 60
Hình 4.2. Gán trạng thái cho lơ rừng theo MKA điều tra thực địa ................. 61
Hình 4.3. Bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng VQG Phong nha k bảng năm

2019 ................................................................................................................. 63
Hình 4.4. Biểu đồ tỷ lệ phần trăm diện tích các trạng thái rừng tại khu vực
nghiên cứu ....................................................................................................... 65
Hình 4.5. Bản đồ biến động tài nguyên rừng giai đoạn 2009 - 2019 .............. 68
Hình 4.6. Tổng lượng khách tham quan VQG Phong Nha – K Bàng giai
đoạn 2002 – 2017 ............................................................................................ 71
Hình 4.7. Sơ đồ quá trình xây dựng bản đồ hiện trạng rừng từ ảnh vi n thám
......................................................................................................................... 75


1

PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển của khoa học cơng nghệ cũng như khoa học
kỹ thuật, trong đó không thể không kể đến sự ra đời của ảnh vệ tinh và công
nghệ vi n thám GIS đã hỗ trợ con người rất lớn trong việc nghiên cứu những
biến động về mơi trường tự nhiên, đồng thời tìm hiểu và đề xuất các biện
pháp quản lý về môi trường và tài nguyên thiên nhiên mà không cần trực tiếp
tiếp cận với chúng. Trong Lâm nghiệp, người ta sử dụng kỹ thuật vi n thám
để nghiên cứu di n biến của rừng, điều tra phân loại rừng, nghiên cứu phân
vùng cháy rừng và để quản lý rừng... Tuy nhiên, khi sử dụng những bức ảnh
vi n thám có độ phân giải thấp, cùng với sự thiếu chuyên nghiệp trong giải
đoán ảnh sẽ gây nên những giải đoán với kết quả sai lệch cho khu vực nghiên
cứu. B i vậy, việc nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải cao như
ảnh vệ tinh Landsat và Sentiel có ý nghĩa thiết thực trong nghiên cứu và đánh
giá chất lượng tài nguyên thiên nhiên nói chung và tài nguyên rừng nói riêng.
Hiện nay, nguồn tư liệu vi n thám được sử dụng rộng rãi

nước ta trong

các nghiên cứu về Tài ngun và Mơi trường. Cùng với đó, thiết bị tin học
được đồng bộ hóa tăng khả năng xử lý nhanh chóng trong việc xây dựng các
loại bản đồ. Vì vậy, phương pháp vi n thám kết hợp công nghệ GIS (Cơ s dữ
liệu thơng tin địa lý) sẽ góp phần khắc phục nhiều hạn chế của phương pháp
truyền thống và đặc biệt hiệu quả trong xử lý số liệu nhằm đánh giá biến động
trong quá trình sử dụng đất đai, theo dõi di n biến tài nguyên rừng.
Điều tra trên thực địa được xem xét như là một phương pháp chính xác,
nhưng mất rất nhiều thời gian và tốn kém, đặc biệt là khó áp dụng

những

nơi xa xơi và có điều kiện địa hình phức tạp. Với đặc tính ưu việt của công
nghệ Vi n thám và kỹ thuật GIS. Trong trường hợp sử dụng vi n thám và GIS


2

kết hợp với điều tra tra thực địa để đánh giá sự biến động về đất lâm nghiệp
và theo dõi di n biến đất lâm nghiệp và rừng trồng qua các năm là rất cần
thiết trong giai đoạn hiện nay.
Việt Nam, việc quản lý, bảo vệ và phát triển tài nguyên rừng được coi
là một trong những nhiệm vụ trọng tâm trong sự nghiệp phát triển kinh tế - xã
hội, đặc biệt là thảm thực vật rừng

các vườn quốc gia. Một trong số các

vườn quốc gia lớn của Việt Nam là Vườn quốc gia Phong Nha K Bàng.
Vườn quốc gia Phong Nha – K Bàng thuộc địa phận huyện Bố Trạch và
Minh Hóa, tỉnh Quảng Bình, cách thành phố Đồng Hới khoảng 50km về phía
Tây Bắc. Vườn Quốc gia Phong Nha – K Bàng là Di sản thiên nhiên thế giới

được Tổ chức Khoa học, Giáo dục và Văn hóa của Liên hiệp quốc Unesco
cơng nhận năm 2003 và có diện tích là 123.326 ha, có 03 phân khu: phân khu
bảo vệ nghiêm ngặt (100.296 ha), phân khu phục hồi sinh thái (19.619 ha) và
phân khu hành chính dịch vụ (3.411 ha). Vùng đệm có diện tích 219.855,34
ha thuộc 13 xã

huyện Minh Hóa, Bố Trạch và Quảng Ninh. Là khu rừng

nhiệt đới thường xanh trên núi đá vôi với độ che phủ khoảng 92%. Diện tích
rừng nguyên sinh chưa hoặc ít bị tác động là 88,3%.[16]
Trong thời gian vừa qua Ban quản lý Vườn Quốc gia Phong Nha K
Bàng đã đạt được một số thành tựu quan trọng trong lĩnh vực ứng dụng công
nghệ ảnh vệ tinh trong giám sát tài ngun rừng nhưng bên cạnh đó vẫn cịn
nhiều tồn tại và hạn chế. Các hoạt động nghiên cứu khoa học về công tác sử
dụng ảnh vệ tinh

Vườn Quốc gia vẫn cịn rất thụ động, chưa có tính chun

sâu và chưa có tính hệ thống. Nhiều khu vực trong VQG PN-KB chưa được
điều tra nghiên cứu nên khơng có thơng tin, dẫn liệu khoa học phục vụ công
tác giám sát và quản lý bảo vệ. Hiện tại VQG PN-KB vẫn chưa có được đầy
đủ cơ s dữ liệu đầu vào cho các hoạt động theo dõi di n biến tài nguyên


3

rừng.Cơ s dữ liệu khoa học về VQG PN-KB chưa được quản lý, sử dụng
một cách thống nhất, số liệu cịn manh mún, thiếu, khơng đồng bộ và chưa
hồn chỉnh bộ cơ s dữ liệu GIS về tài nguyên động, thực vật, đất, nước, hang
động, thảm thực vật, kiểm soát cháy rừng và quản lý lưu vực. Bên cạnh đó, các

mối đe dọa phải đối mặt trực tiếp trong quản lý, bảo tồn các giá trị di sản Vườn
Quốc gia như: Săn bẫy động vật hoang dã, khai thác gỗ trái phép, khai thác các
loại lâm sản ngoài gỗ,.. Xuất phát từnhu cầu thực ti n trên và những quan điểm,
tôi đã thực hiện : “ n
n t

mt

v tr n

n

n n
n qu

v v nt
on

-

m

n
n ”.

n


4

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN C U
1.1. Những vấn đề chung về viễn thám và GIS
1.1.1. C

k

n m

Hệ thống thông tin địa lý - GIS (Geographical Information System) là
một cơng cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượngtrên
trái đất. Cơng nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ s dữ liệu thông thường như
cấu trúc hỏi đáp, các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý. Trong đó phép
phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những
khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thơng tin khác và khiến cho GIS
có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như phân tích các
sự kiện, dự đốn tác động và hoạch định chiến lược.
GIS (Geographic Information System) hay hệ thống địa lý được hình
thành từ ba khái niệm địa lý, thông tin và hệ thống.
+ Khái niệm “địa lý liên quan đến các đặc trưng về khơng gian. Chúng
có thể là vật lý, văn hóa, kinh tế,…trong tự nhiên.
+ Khái niệm “thông tin đề cập đến dữ liệu được quản lý b i GIS. Đó là
các dữ liệu về thuộc tính và khơng gian của đối tượng.
+ Khái niệm “hệ thống là hệ thống GIS được xây dựng từ các môđun.
Việc tạo các môđun giúp thuận lợi trong việc quản lý và hợp nhất.
Vi n thám (Remote sensing): là một ngành khoa học và nghệ thuật để
thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thơng
qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những
phương tiện này khơng có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc
với hiện tượng được nghiên cứu.[11]

Vi n thám dùng để thu nhận thông tin khách quan về bề mặt Trái đất và
các hiện tượng trong khí quyển nhờ các bộ phận cảm biến (sensors) được lắp


5

đặt trên máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ hoặc đặt trên các trạm quỹ đạo..
Công nghệ vi n thám cho phép ghi lại được các biến đổi của tài nguyên và
môi trường, đã giúp công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên thiên nhiên và môi
trường hiệu quả hơn.
Vi n thám cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao, làm dữ
liệu cơ bản cho việc thành lập và hiệu chỉnh hệ thống bản đồ và cơ s dữ liệu
địa lý Quốc gia.
Tách thơng tin trong vi n thám có thể phân thành 5 loại:
+Phân loại: là q trình tách, gộp thơng tin dựa trên các tính chất phổ,
khơng gian và thời gian cho b i ảnh của đối tượng cần nghiên cứu.
+Phát hiện biến động: là sự phát hiện và tách các sự biến động (thay đổi)
dựa trên dữ liệu ảnh đa thời gian.
+Tách các đại lượng vật lý: chiết tách các thơng tin tự nhiên như đo nhiệt
độ, trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ hoặc
thị sai của ảnh lập thể.
+Tách các chỉ số: tính tốn xác định các chỉ số mới (chỉ số thực vật
NDVI…)
+Xác định các đặc điểm: xác định thiên tai, các dấu hiệu phục vụ tìm
kiếm khảo cổ…
Cơ s của vi n thám:
Bức xạ điện từ: Thành phần đầu tiên của một hệ thống vi n thám là
nguồn năng lượng để chiếu vào đối tượng, năng lượng này

dạng bức xạ điện

từ. Tất cả bức xạ điện từ đều có một thuộc tính cơ bản và phù hợp với lý
thuyết sóng cơ bản. Bức xạ điện từ bao gồm điện trường (E) có hướng vng
góc với hướng của bức xạ điện từ di chuyển và từ trường (M) hướng về phía
bên phải của điện trường. Cả hai cùng di chuyển với tốc độ của ánh sáng (c).
Có 2 đặc điểm của bức xạ điện từ đặc biệt quan trọng mà chúng ta cần hiểu nó
là bước sóng và tần số.


6

B ớc sóng (λ): Bước sóng là quãng đường mà sóng truyền đi trong 1 chu
kỳ, đơn vị của bước sóng thường là mét (m). Đơi khi sử dụng các đơn vị khác
của mét như micromet…
Tần số (f): Tần số là số chu kỳ sóng đi qua một điểm cố định trong một
đơn vị thời gian. Thông thường tần số được tính bằng herzt (Hz) tương đương
với 1 chu kỳ trên một giây. Ngồi ra tần số cịn được tính bằng một số đơn vị
khác của Hz như MHz, KHz…
Trong vi n thám, các sóng điện từ được sử dụng với các dải bước sóng
của quang phổ điện từ. Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng
với các bước sóng khác nhau, sự phân chia thành các dải phổ có liên quan đến
tính chất bức xạ khác nhau.[10]
Dữ liệu vi n thám là nguồn cung cấp cơ s dữ liệu cho GIS trên cơ s
các lớp thông tin chuyên đề khác nhau; sử dụng chức năng chồng lớp hay
phân tích của GIS để tạo ra một kết quả phong phú hơn. Do đó, việc phối hợp
vi n thám và GIS sẽ tr thành công nghệ tích hợp rất hiệu quả để xây dựng và
cập nhật dữ liệu không gian phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau.
1.1.2. C s k o

p

n p

pv nt

m

1.1.2.1 C s vật lý
Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ s các dao
động của điện trường và từ trường trong khơng gian.

Hình 1.1. Sóng điện từ


7

Các bức xạ điện từ này vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt,
tính chất sóng của bức xạ điện từ này được thể hiện bằng biểu thức sau:

(C=299,793 km/s trong môi trường chân không).
Trong vi n thám, các sóng điện từ được sử dụng với các dải bước sóng
của quang phổ điện từ. Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng
với các bước sóng khác nhau, sự phân chia thành các dải phổ có liên quan đến
tính chất bức xạ khác nhau.
Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau:
- Các tia vũ trụ: là các tia từ vũ trụ có bước sóng vơ cùng ngắn với λ<10-6µm.
- Các tia gamma () cú t 10-6ữ 10-4àm.
- Di cỏc tia x (X) cú t 10-4ữ10-1àm.
- Di tia nhỡn thy cú bc súng t 0.4 ữ 0.7 àm đây dải phổ của ánh
sáng trắng. Trong dải nhìn thấy cịn có thể chia nhỏ ra thành các dải ánh sáng

đơn sắc:
+ Blue (xanh lơ - lam): 0.4 ÷ 0.5 µm.
+ Green (xanh lá cây - lục): 0.5 ÷ 0.6 µm.
+ Red (đỏ) 0.6 ÷ 0.7 µm.
- Sau vùng đỏ là dải hồng ngoại trong đó lại chia thành các vựng:
+ Hng ngoi phn x: 0.7 ữ 3 àm.
+ Hng ngoi trung: 3 ữ 7 àm.
+ Hng ngoi nhit: 7 ÷ 14 µm.
- Vùng sóng radar hay vi sóng (microwave): là các vùng có bước sóng
dài hơn nhiều so với vùng hồng ngoại độ dài bước sóng từ 1mm ÷ 1m.
- Sau vùng radar là sóng radio có bước sóng > 30cm.


8

Cịn tính chất hạt được mơ tả theo tính chất của photon hay quang lượng
tử được thể hiện bằng biểu thức sau:
(h là hằng số plank)
1.1.2.2. T

ng tác và đặc tr ng phản xạ phổ

- Sự tương tác năng lượng với các đối tượng

trên mặt đất.

Sóng điện từ lan truyền tới bề mặt của vật thể, năng lượng sóng điện từ
sẽ tương tác với vật thể đưới dạng hấp thụ (A), phản xạ (R), truyền qua vật
thể (T), phần trăm năng lượng phản xạ phụ thuộc vào chất liệu và điều kiện
tương tác với vật thể đó.

EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ)
Trong đó: EI: là năng lượng tới mặt đất

ER: năng lượng phản xạ

EA: năng lượng hấp thụ

ET: năng lượng truyền qua

Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ, truyền qua là rất
khác nhau, tuỳ thuộc vào các đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, cụ thể là
phần vật chất và tình trạng của đối tượng. Ngồi ra, tỷ lệ giữa các hợp phần
đó cịn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới.
Trong vi n thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ rất quan trọng và
vi n thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tượng. Vì vậy, năng
lượng phản xạ phổ thường được sử dụng để tính sự cân bằng năng lượng.
ER(λ) = EI(λ) – [EA(λ) + ET(λ)]
Cơng thức trên nói lên rằng năng lượng phản xạ bằng năng lượng rơi
xuống một đối tượng sau khi đã bị suy giảm b i việc truyền qua hoặc hấp thụ.
Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông số
quan trọng nhất trong vi n thám. Độ phản xạ phổ được đo theo cơng thức:

Trong đó:

là độ phản xạ phổ (tính bằng %).


9

Như vậy, phổ phản xạ là tỷ lệ phần trăm của năng lượng rơi xuống đối

tượng và được phản xạ tr lại. Với cùng một đối tượng độ phản xạ phổ khác
nhau

các bước sóng khác nhau.
- Phổ phản xạ c

một số đối t ợng tự nhiên chính:

Đồ thị phổ phản xạ được xây dựng với chức năng là một hàm số của giá
trị phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ. Đường
cong phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của một
đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các
dải sóng mà

đó thiết bị vi n thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ.

Phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau
do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép vi n thám
có thể xác định hoặc phân tích được đặc điểm của lớp phủ thơng qua việc đo
lường phản xạ phổ.
Hình dạng của đường cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính
chất của các đối tượng. Trong thực tế, giá trị phổ của các đối tượng hoặc một
nhóm đối tượng khác nhau cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng dao
động xung quanh giá trị trung bình.
Thơng tin vi n thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ của
các đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng
tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả
các thơng tin thu được từ các phương tiện bay. Kết quả của việc giải đốn các
lớp thơng tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa
đặc trưng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên.

Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên cho
phép các nhà khoa học chọn lọc các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin
nhất về đối tượng nghiên cứuvà là cơ s để nghiên cứu tính chất của đối
tượng, tiến tới phân loại chúng. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự


10

nhiên phụ thuộc vào các yếu tố như điều kiện ánh sáng, mơi trường khí
quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp
nền, thực vật, chất mùn,cấu trúc bề mặt, ...)
- Đặc tr ng phản xạ phổ c

lớp ph thực vật:

Khả năng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào chiều dài bước sóng
và giai đoạn sinh trư ng, phát triển của thực vật. Các trạng thái lớp phủ thực
vật khác nhau sẽ có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau. Đặc điểm chung phản
xạ phổ của các trạng thái thực vật là phản xạ mạnh
gần ( >0,72µm) và hấp thụ mạnh

vùng sóng hồng ngoại

vùng sóng đỏ (0,68µm < <0,72µm) [3].

Bức xạ mặt trời (EI) khi tới bề mặt lá cây thì một phần sẽ bị phản xạ
ngay (E1). Bức xạ
(EG). Bức xạ

vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong cây sẽ bị phản xạ lại

vùng sóng hồng ngoại cũng bị phản xạ mạnh khi gặp diệp lục

trong lá cây (EIR). Như vậy, năng lượng phản xạ từ thực vật là:
ER = E1 + EG + EIR
Trong đó thành phần năng lượng (EG + EIR) chứa đựng các thông tin
quan trọng về bản chất và trạng thái của thực vật.
Sắc tố Chlorophyll - là một tổng thể các thành phần hữu cơ có chứa sắt,
là một chất xúc tác đối với quá trình quang hợp ánh sáng của thực vật. Chức
năng của Chlorophyll là hấp thụ bức xạ mặt trời và cung cấp nó cho q trình
quang hợp. Năng lượng bị hấp thụ trong khoảng từ 0,45 - 0,67µm tức là phần
xanh lơ và đỏ của phổ nhìn thấy, trong vùng ánh sáng này, vùng sóng ánh
sáng có phản xạ mạnh nhất là vùng sóng ánh sáng lục (0,55µm), chính vì vậy
mà lá cây tươi có màu xanh lục.

vùng hồng ngoại gần (từ 0,7 - 1,3 µm) thực

vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng
(Microwave) một số điểm cực trị

vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ

ánh sáng của hơi nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và
ngược lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với rừng có
nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên (ví dụ rừng rậm nhiệt đới).


11

Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật được xác định b i các yếu tố bên

trong và bên ngoài của lá cây, thời kỳ sinh trư ng và tác động của ngoại cảnh
như: hàm lượng sắc tố diệp lục, thành phần và cấu tạo mơ bì, biểu bì, hình
thái lá, …tuổi cây, giai đoạn sinh trư ng phát triển, …, điều kiện sinh trư ng,
vị trí địa lý, điều kiện chiếu sáng,…Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của mỗi
loài thực vật, mỗi trạng thái của lớp phủthực vật là khác nhau. Tuy nhiên,
chúng vẫn có những điểm chung như sau:
Khả năng phản xạ phổ của thực vật có sự rõ rệt

vùng sóng nhìn thấy,

cận hồng ngoại và hồng ngoại. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, phần lớn năng
lượng được diệp lục trong lá cây hấp thụ phục vụ cho quá trình quang hợp,
một phần nhỏ truyền qua và phần còn lại bị phản xạ lại. Vùng hồng ngoại gần,
khả năng phản xạ phổ của thực vật là mạnh nhất.
- Đặc tr ng phản xạ phổ c

n ớc:

Khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ
chiếu tới, bề mặt nước, trạng thái nước, thành phần vật chất có trong nước.
Nước có độ dẫn truyền cao trong khoảng sóng nhìn thấy và tính truyền
dẫn tăng dần khi bước sóng giảm. Kết quả là đối với nước sâu, chỉ có ánh sáng
xanh lơ có thể lan truyền đến những độ sâu nhất định, các bước sóng dài bị hấp
thụ ngay

mực nước nơng. Đối với nước trong, có thể đáng giá độ sâu bằng

cường độ của bức xạ nhìn thấy, đặc biệt là ánh sáng xanh lơ phản xạ từ đáy.
Tuy nhiên, đối với độ sâu lớn hơn 40m, tất cả bức xạ của khoảng nhìn thấy
bị hấp thụ và được thể hiện trên ảnh hoàn toàn đen. Những vật liệu lơ lửng, phù

du và màu tự nhiên làm tăng phản xạ của nước trong khoảng nhìn thấy. Trong
khoảng hồng ngoại gần, nước giống như vật đen tuyệt đối và hấp thụ thực sự
toàn bộ năng lượng tới. Chỉ có những vật thể tự nhiên với tính chất này mới phân
biệt được chúng d dàng bằng các đặc điểm bề mặt trong khoảng này của phổ
điện tử, ngay cả nếu chúng khơng sâu hay có chứa nhiều thể phù du.


12

Do gần giống như vật đen, nước gần như vật phát xạ trong khoảng hồng
ngoại, cũng như vật thể hấp thụ.
- Đặc tr ng phản xạ phổ c

thổ nh ỡng:

Thổ nhưỡng là nền của lớp phủ thực vật, cùng với lớp phủ thực vật tạo
thành một thể thống nhất trong cảnh quan tự nhiên. Một phần bức xạ mặt trời
chiếu tới sẽ phản xạ ngay trên bề mặt đối tượng, phần còn lại đi vào bề dày
của lớp phủ thổ nhưỡng, một phần trong đó được hấp thụ để làm tăng nhiệt độ
đất, một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và bị phản xạ tr lại Đường cong
phổ phản xạ của đất khô tương đối đơn giản tăng dần từ vùng tử ngoại đến
vùng hồng ngoại, ítcó những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính
là các yếu tố ảnh hư ng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và khơng rõ
ràng như

thực vật. Các yếu tố ảnh hư ng đến đường cong phổ phản xạ của

đất là: lượng ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có
mặt của các loại oxit kim loại, hàm lượng vật chất hữu cơ, ... các yếu tố đó
làm cho đường cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đường cong có

giá trị trung bình. Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất
tăng dần về phía sóng có bước sóng dài.
Trong thực tế, thực vật sống

các nền đất khác nhau sẽ có đặc trưng

phản xạ phổ khác nhau. Tuy nhiên, trong nền đất cũng như thực vật đều có
chứa một lượng nước nhất định, vì vậy khi xác định các đối tượng dựa vào
các đặc trưng phản xạ phổ phải dựa trên kiến thức tổng hợp giữa nghiên cứu
lý thuyết và kinh nghiệm thực ti n thì mới có kết luận chính xác về đối tượng.
1.1.2.3. Ảnh số vi n thám
Ảnh số là một dạng dữ liệu ảnh không lưu trên giấy ảnh hoặc phim mà
được lưu dưới dạng số trên máy tính, ảnh số được chia thành nhiều phần tử
nhỏ được gọi là pixel (phần tử ảnh), ảnh số là một ma trận không gian của tập
hợp các pixel, mỗi một pixel tương ứng với một đơn vị không gian và có


13

giá trị nguyên hữu hạn ứng với từng cấp độ sáng, các pixel thường có
dạng hình vng, vị trí của mỗi pixel được xác định theo toạ độ hàng và cột
trên ảnh tính từ góc trên cùng bên trái.
Ảnh vệ tinh hay còn gọi là ảnh vi n thám thường được lưu dưới dạng
ảnh số, trong đó năng lượng phản xạ (theo vùng phổ đã được định trước) từ
các vị trí tương ứng trên mặt đất, được bộ cảm biến thu nhận và chuyển thành
tín hiệu số xác định giá trị độ sáng của pixel. Ứng với các giá trị này, mỗi
pixel có giá trị độ sáng khác nhau thay đổi từ đen đến trắng cung cấp thông tin
về vật thể. Ảnh vệ tinh được đặc trưng b i một số thơng số cơ bản như sau:
- Tính chất hình h c c

ảnh vệ tinh:

Trường nhìn khơng đổi - IFOV (Instantaneous Field Of View) được định
nghĩa là góc khơng gian tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên mặt đất.
Lượng thông tin ghi được trong IFOV tương ứng với giá trị của pixel.
Góc nhìn tối đa mà một bộ cảm có thể thu được sóng điện từ được gọi là
trường nhìn FOV (Field Of View). Khoảng khơng gian trên mặt đất do FOV
tạo nên chính là bề rộng tuyến bay.
Diện tích nhỏ nhất trên mặt đất mà bộ cảm có thể phân biệt gọi là độ
phân giải khơng gian. Ảnh có độ phân giải khơng gian càng cao khi có
kích thước pixel càng nhỏ. Độ phân giải này cũng được gọi là độ phân giải
mặt đất khi hình chiếu của 1 pixel tương ứng với một đơn vị chia mẫu trên
mặt đất.
- Tính chất phổ c

ảnh vệ tinh:

Cùng một vùng phủ mặt đất tương ứng, các pixel sẽ cho giá trị riêng
biệt theo từng vùng phổ ứng với các loại bước sóng khác nhau.
Độ phân giải phổ thể hiện b i kích thước và số kênh phổ, bề rộng phổ
hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lượng lớn
các bước sóng có kích thước tương tự, cũng như tách biệt được các bức xạ từ
nhiều vùng phổ khác nhau.


14

Độ phân giải bức xạ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong
khả năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cường độ phản xạ sóng từ các vật
thể.Để lưu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu raster, tuỳ

thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có giá trị hữu hạn
ứng với từng cấp độ xám (Giá trị độ sáng của pixel; BV - Brightness Value).
Số bit dùng để ghi nhận thông tin (thang cấp độ xám) được gọi là độ
phân giải bức xạ của ảnh vệ tinh.
- Độ phân giải thời gian của ảnh vệ tinh:
Độ phân giải thời gian không liên quan đến thiết bị ghi ảnh mà chỉ liên
quan đến khả năng chụp lặp lại của ảnh vệ tinh. Ảnh được chụp vào những
ngày khác nhau cho phép so sánh đặc trưng bề mặt theo thời gian.
Ưu thế của độ phân giải khơng gian là cho phép cung cấp thơng tin chính
xác hơn và nhận biết sự biến động của khu vực cần nghiên cứu.
Hầu hết các vệ tinh đều bay qua cùng một điểm vào khoảng thời gian cố
định, phụ thuộc vào quỹ đạo và độ phân giải không gian.
Dữ liệu ảnh số được lưu trữ trên băng từ tương thích cho máy tính
hoặctrên CD - ROM dưới khn dạng của các tệp ảnh số mà máy tính có thể
đọcđược. Thơng thường, ảnh số được lưu trữ theo các khuôn dạng sau đây:
+ Theo BIL (Band Interleaved by Lines):
Từng hàng được ghi theo thứ tự của số kênh, mỗi hàng được ghi tuần
tựtheo giá trị của các kênh phổ và sau đó lặp lại theo thứ tự của từng hàng,
nhưvậy sẽ tạo ra các file dữ liệu ảnh chung cho các kênh phổ.
+ Theo kiểu BSQ (B nd Sequenti l):
Là khuôn dạng trong đó các kênh phổ được lưu tuần tự hết kênh
nàysang kênh khác. Nghĩa là mỗi ảnh ứng với một kênh.
+ Theo kiểu BIP (B nd Intele ved by Pixel):
Mỗi pixel được lưu tuần tự theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ đượcghi


15

theo hàng và cột của từng pixel. Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel nàylại
chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác.

1.1.3.

n p

p xử lý n s v n t

m

1.1.3.1.Giải đoán ảnh bằng mắt
Giải đoán bằng mắt là sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết
các thông tin từ tư liệu vi n thám dạng hình ảnh. Trong việc xử lý thơng tin
vi n thám thì giải đốn bằng mắt (Visual Interpretaion) là cơng việc đầutiên,
phổ biến nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn
giản đến phức tạp. Đây là phương pháp dựa trên kinh nghiệm của người phân
tích và các tài liệu có sẵn để giải đoán ảnh.
- Các yếu tố giải đoán ảnh [10], [11]:
Giải đốn ảnh được hiểu là một quy trình tách thơng tin từ ảnh vi n thám
tạo ra bản đồ chuyên đề dựa trên các tri thức chuyên môn hoặc kinh nghiệm
của người giải đốn (hình dạng, vị trí, cấu trúc, chất lượng, điều kiện, mối
quan hệ giữa các đối tượng…). Để giải đốn ảnh, ngồi sự trợ giúp của máy
tính và phần mềm để xác định các đặc trưng phổ phản xạ, người giải đốn cịn
căn cứ vào một số dấu hiệu giải đoán, đặc trưng của các đối tượng cũng như
kinh nghiệm chun gia.
- Khóa giải đốn ảnh
Khóa giải đoán là chuẩn giải đoán cho đối tượng nhất định bao gồmtập
hợp các yếu tố và dấu hiệu do nhà giải đốn thiết lập, nhằm trợ giúp cho cơng
tác giải đốn nhanh và đạt kết quả chính xác thống nhất cho các đốitượng từ
nhiều người khác nhau [10].
1.1.3.2. Xử lý ảnh vệ tinh
- Hiệu chỉnh bức xạ:

Do nhiều nguyên nhân khác nhau như: do ảnh hư ng của bộ cảm biến
hoặc có thể do ảnh hư ng của địa hình và góc chiếu của mặt trời hoặc do ảnh


16

hư ng của khí quyển… làm ảnh hư ng rất lớn đến chất lượng ảnh thu được.
Để đảm bảo nhận được những giá trị chính xác của năng lượng bức xạ và
phản xạ của vật thể trên ảnh vệ tinh, cần phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ
nhằm loại trừ các nhi u trước khi sử dụng ảnh[11].
- Hiệu chỉnh hình học ảnh:
Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng mối quan hệ giữa hệ tọa
độ ảnh và hệ tọa độ quy chiếu chuẩn (có thể là hệ tọa độ mặt đất vng góc
hoặc địa lý) dựa vào các điểm không chế mặt đất, vị thế của sensor, điều kiện
khí quyển…Để hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh cần phải dựa trên bản chất
của sự biến dạng để có phương pháp hiệu chỉnh cho phù hợp [10].
- Tăng cường chất lượng ảnh:
Tăng cường chất lượng ảnh có thể được định nghĩa là một thao tác làm
nổi bật hình ảnh sao cho người giải đốn ảnh d đọc, d nhận biết nội
dungtrên ảnh hơn so với ảnh gốc. Phương pháp thường được sử dụng là biến
đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, biến đổi độ tương phản, lọc ảnh, tổ hợp
màu, chuyển đổi giữa 2 hệ RGB và HI [10]…
- Phân loại ảnh:
Phương pháp phân loại ảnh được thực hiện bằng cách gán tên loại (loại
thông tin) cho các khoảng cấp độ sáng nhất định (loại phổ) thuộc một nhóm đối
tượng nào đó có các tính chất tương đối đồng nhất về phổ nhằm phân biệt các
nhóm đó với nhau trong khuôn khổ ảnh. Tùy thuộc vào số loại thông tin yêu cầu,
loại phổ trên ảnh được phân thành các loại tương ứng dựatheo một quy luật xác
định. Có 2 hình thức phân loại ảnh là phân loại có kiểm định (Suppervised
Classification) và phân loại khơng kiểm định (Unsuppervised Classification) [10].

- Phân loại không kiểm định:
Là việc phân loại thuần túy theo tính chất phổ mà khơng biết rõ tên hay
tính chất của lớp phổ đó và việc đặt tên chỉ mang tính tương đối. Khác với
phân loại có kiểm định, phân loại khơng kiểm định khơng tạo các vùng thử