Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào, sử dụng ảnh Composite Landsat 8

Chia sẻ: Yi Yi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn, đồng thời xây dựng được bản đồ lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn năm 2018. Để xây dựng được bản đồ lớp phủ đô thị, luận văn đã áp dụng phương pháp xử lý kết hợp ảnh Landsat 8 và sử dụng thuật toán phân lớp để phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào, sử dụng ảnh Composite Landsat 8

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------- BẾ HUY DƯỠNG PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ CHO THỦ ĐÔ VIÊN CHĂN - LÀO, SỬ DỤNG ẢNH COMPOSITE LANDSAT-8 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội - 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------- BẾ HUY DƯỠNG PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ CHO THỦ ĐÔ VIÊN CHĂN - LÀO SỬ DỤNG ẢNH COMPOSITE LANDSAT-8 KHOA: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 8480104.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI QUANG HƯNG Hà Nội - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn: “Phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào, sử dụng ảnh Composite Landsat 8” là nghiên cứu của tôi đã thực hiện dưới sự định hướng của Tiến sĩ Bùi Quang Hưng và sự hướng dẫn trực tiếp của NCS. Phạm Tuấn Dũng. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những gì được trình bày là những gì tôi đã học hỏi được và phát triển từ các nghiên cứu trước đây. Tất cả tài liệu tham khảo đều được trích dẫn rõ ràng và hợp pháp. Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Hà nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Bế Huy Dưỡng
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Bùi Quang Hưng là người đã định hướng, hướng dẫn và nhiệt tình giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt và giúp tôi nâng cao kiến thức về chuyên ngành trong thời gian học tập tại khoa Công nghệ Thông tin, trường Đại học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội, đặc biệt là sự đào tạo, giúp đỡ của các thầy cô tại chuyên ngành Hệ thống thông tin. Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS. TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh, NCS. Phạm Tuấn Dũng, NCS. Mẫn Đức Chức, ThS. Phan Anh, các anh chị và các nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trường đã luôn ủng hộ, chia sẻ kiến thức và hết sức tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, quan tâm và chia sẻ mọi khó khăn với tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Dù nhận được những sự giúp đỡ nhiệt tình nhưng do trình độ còn hạn chế nên luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Bế Huy Dưỡng
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU....................................................... 3 1. Khái quát về bài toán nghiên cứu...................................................................3 2. Khái quát về viễn thám và phân loại lớp phủ mặt đất ...................................4 3. Viễn thám .......................................................................................................8 3.1 Khái niệm viễn thám ...............................................................................8 3.2 Phân loại hệ thống viễn thám ................................................................10 3.3 Các quang phổ thường được sử dụng trong hệ thống thống viễn thám 12 4. Ảnh vệ tinh ...................................................................................................13 4.1 Nhận thức chung về ảnh vệ tinh ............................................................13 4.2 Ảnh Landsat 8........................................................................................16 5. Google Earth Engine ....................................................................................21 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT 8................................................................................... 23 1. Các phương pháp kết hợp ảnh......................................................................23 2. Các thuật toán thường được sử dụng trong phân loại lớp phủ .....................25 2.1 Support Vector Machine........................................................................26 2.2 XGBoost ................................................................................................28 3. Phương pháp đánh giá kết quả phân lớp ......................................................30 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM PHÂN LOẠI LỚP PHỦ .................................. 34 CHO THỦ ĐÔ VIÊNG CHĂN - LÀO VÀ KẾT QUẢ...................................... 34 1. Khu vực nghiên cứu: ....................................................................................34 2. Tập dữ liệu ảnh Landsat 8 ............................................................................36 3. Tạo ảnh Composite ......................................................................................38 4. Dữ liệu huấn luyện và dữ liệu kiểm thử .......................................................41 5. Phân loại lớp phủ đô thị ...............................................................................42 6. Kết quả .........................................................................................................43 6.1 Kết quả của quá trình kết hợp ảnh .........................................................43 6.2 Kết quả của quá trình phân lớp..............................................................46
6.3 Đánh giá kết quả ....................................................................................46 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 53
DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng thông tin bước sóng tương ứng với màu sắc .................................... 13 Bảng 1.2 Bảng so sánh một số đặc tính của các ảnh vệ tinh ..................................... 15 Bảng 1.3 Đặc điểm ảnh vệ tinh LDCM (Landsat 8) ................................................. 18 Bảng 2.1 Các phương pháp kết hợp ảnh ................................................................... 25 Bảng 2.2 Ví dụ về Ma trận nhầm lẫn ........................................................................ 31 Bảng 2.3 Ví dụ về Hệ số Kappa ................................................................................ 33 Bảng 3.1 Danh sách các quận trực thuộc thủ đô Viêng Chăn - Lào ......................... 35 Bảng 3.2 Tập dữ liệu ảnh Landsat 8 ......................................................................... 37 Bảng 3.3 Tổng hợp về các chỉ số Year score, DOY score, Opacity score, Distance to cloud/cloud shadow trong quá trình kết hợp ảnh L8SR. ........................................... 39 Bảng 3.4 Tập điểm mẫu để xây dựng tập dữ liệu huấn luyện và dữ liệu kiểm thử .. 41 Bảng 3.5 Kết quả phân loại lớp phủ đô thị Viêng Chăn năm 2018. ......................... 47 Bảng 3.6 Bảng tổng hợp so sánh kết quả phân loại lớp phủ đô thị Viêng Chăn. ..... 48
DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Thủ đô Viêng Chăn - Lào............................................................................. 3 Hình 1.2 Quá trình thu nhận dữ liệu trong viễn thám. ................................................ 8 Hình 1.3 Giới thiệu về hệ thống viễn thám điển hình. ................................................ 9 Hình 1.4 Hệ thống cảm biến bị động (trái) và cảm biến chủ động (phải). ............... 10 Hình 1.5 Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo cực (phải) ................................. 11 Hình 1.6 Các bước sóng thường được sử dụng trong viễn thám .............................. 12 Hình 1.7 Ví dụ hiển thị ảnh trong viễn thám ............................................................ 14 Hình 1.8 Ví dụ hiển thị ảnh Landsat 8 kết hợp 7 kênh ảnh....................................... 15 Hình 1.9 Các thế hệ vệ tinh Landsat. ........................................................................ 16 Hình 1.10 Hình ảnh của vệ tinh Landsat 8 ................................................................ 17 Hình 1.11 Minh họa góc nhìn tạo bởi vệ tinh (Viewing Zenith Angle) và góc nhìn tạo bởi mặt trời với phương thẳng đứng (Solar Zenith Angle) ................................. 20 Hình 1.12 Ví dụ kết hợp màu tự nhiên của dữ liệu ảnh Level 1 (trái) và ảnh Surface Reflectance (phải) ..................................................................................................... 20 Hình 1.13 Kiến trúc tổng thể của Google Earth Engine ........................................... 21 Hình 2.1 Ý tưởng cơ bản của SVM........................................................................... 27 Hình 2.2 Ý tưởng cơ bản của XGBoost. ................................................................... 28 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan cho quá trình thực nghiệm. ............................................. 34 Hình 3.2 Địa lý và thủy văn Thủ đô Viêng Chăn - Lào ............................................ 35 Hình 3.3 Hình ảnh ghép cho khu vực thủ đô Viêng Chăn - Lào .............................. 37 Hình 3.4 Sơ đồ tính NDVI Score. ............................................................................. 40 Hình 3.5 Ảnh đại diện cho DOY 15 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) .......... 43 Hình 3.6 Ảnh đại diện cho DOY 75 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) .......... 43 Hình 3.7 Ảnh đại diện cho DOY 135 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ........ 44 Hình 3.8 Ảnh đại diện cho DOY 195 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ........ 44 Hình 3.9 Ảnh đại diện cho DOY 255 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ........ 45 Hình 3.10 Ảnh đại diện cho DOY 315 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ...... 45 Hình 3.11 Bản đồ lớp phủ đô thị Viêng Chăn, năm 2018. ........................................ 46 Hình 3.12 Bản đồ lớp phủ Viêng Chăn 1995 ............................................................ 49 Hình 3.13 Bản đồ lớp phủ Viêng Chăn 2005 ............................................................ 50
DANH SÁCH THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ Ý nghĩa Viết tắt Land use and land cover Phân lớp che phủ đất và sử dụng đất LULCC classification Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý GIS Geostationary satellite Vệ tinh địa tĩnh Polar orbital satellite Vệ tinh quỹ đạo cực Visible Light Ánh sáng nhìn thấy được Near Infrared Cận hồng ngoại Middle Infrared Hồng ngoại trung bình Thermal Infrared Hồng ngoại nhiệt Microwave Siêu cao tần Pixel Điểm ảnh Band Kênh ảnh United States Geological Survey Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ USGS National Aeronautics and Space Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa NASA Administration Kỳ Landsat Data Continuity Vệ tinh Landsat thứ 8 LDCM Mission Operational Land Imager Bộ thu nhận ảnh mặt OLI Thermal Infrared Sensor Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt TIRS Digital Number Dạng số nguyên DN Landsat Surface Reflectance LaSRC Code Viewing zenith angle Góc nhìn tạo bởi vệ tinh và phương thẳng đứng Solar zenith angle Góc mặt trời và phương thẳng đứng Google Earth Engine GEE Best-Available-Pixel Phương pháp lựa chọn điểm ảnh tốt BAP nhất Normalized Difference Chỉ số khác biệt thực vật NDVI Vegetation Index
1 MỞ ĐẦU Thủ đô Viêng Chăn (hay Viên Chăn, Vientiane), là thành phố thủ đô của nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, có tiềm năng phát triển kinh tế và dân số lớn. Do đó, nhiều khả năng cao khu vực đô thị của thành phố này sẽ mở rộng nhanh chóng ra các vùng ngoại ô dọc theo tuyến đường huyết mạch với cơ sở hạ tầng không đầy đủ. Điều này tạo ra một thành phố với nhiều vấn đề ngổn ngang, điều kiện sống tồi tệ, các dịch vụ xã hội không phù hợp, đồng thời phá hỏng những gì thiên nhiên ban tặng cho nơi đây. Trước thực trạng này, chính quyền thủ đô Viêng Chăn đã kêu gọi các chuyên gia, các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu cùng giúp đỡ và đóng góp vào kế hoạch phát triển thủ đô Viêng Chăn. Để đối phó với vấn đề này, các biện pháp tính toán hợp lý cần được thực hiện dựa trên kế hoạch phát triển đô thị toàn diện. Chính quyền thủ đô Viêng Chăn cũng như người dân thành phố cần xem xét cẩn thận các vấn đề này và lựa chọn đường lối phát triển hợp lý nhất cho thủ đô Viêng Chăn nhằm mục đích vừa phát triển thành phố về kinh tế, dân số, cũng như vẫn giữ gìn được những nét bản sắc vốn có để Viêng Chăn trở thành thành phố thu hút với nhân dân Lào cũng như với khách du lịch nước ngoài. Mục tiêu của đề tài là phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn, đồng thời xây dựng được bản đồ lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn năm 2018. Để xây dựng được bản đồ lớp phủ đô thị, luận văn đã áp dụng phương pháp xử lý kết hợp ảnh Landsat8 và sử dụng thuật toán phân lớp để phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào. Việc xây dựng được bản đồ lớp phủ đô thị, đồng thời giám sát sự thay đổi của lớp phủ đô thị qua nhiều năm sẽ giúp chính quyền địa phương và người dân nơi đây có thêm được dữ liệu và căn cứ để lựa chọn phương hướng phát triển toàn diện cho thủ đô Viêng Chăn trong tương lai. Luận văn này được chia làm 05 phần chính. - Phần Mở đầu: Giới thiệu về thực trạng phát triển tại Viêng Chăn và sự cần thiết của việc nghiên cứu phân loại lớp phủ đô thị cho Viêng Chăn.
2 - Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu. Chương này, giới thiệu khái quát về viễn thám và bài toán phân loại lớp phủ mặt đất. - Chương 2: Phương pháp phân loại lớp phủ đô thị sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 - Chương 3: Thực nghiệm phân loại lớp phủ cho thủ đô Viêng Chăn - Lào và kết quả. - Phần Kết luận: Tổng kết về các kết quả đạt được của luận văn, những khó khăn gặp phải và định hướng nghiên cứu tiếp theo để cải thiện kết quả cuối cùng.
3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về bài toán nghiên cứu Hình Error! No text of specified style in document..1 Thủ đô Viêng Chăn - Lào Nguồn ảnh: Vientiane Capital Urban Development Master Plan Viêng Chăn là thủ đô của nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, là thành phố trung ương duy nhất và lớn nhất ở Lào, là trung tâm văn hóa, chính trị, kinh tế, xã hội của cả nước, thủ đô Viêng Chăn hứa hẹn sẽ có tiềm năng tăng trưởng kinh tế và nhân khẩu cao. Sau khi mở cửa đất nước vào năm 1986, nhằm thúc đẩy sự phát triển của đất nước, chính phủ Lào đã cho phép người dân cũng như các nhà đầu tư nước ngoài có quyền sở hữu đất hoặc thuê đất phục vụ cho các mục đích sản xuất kinh tế, đồng thời cũng ban hành các Luật và quy định liên quan cho vấn đề này. Các nhà đầu tư đã sử dụng đất để trồng trọt, khai khoáng, sản xuất thủy điện v.v…, quá trình này góp phần giúp người dân bản địa có thêm thu nhập, góp phần phát triển kinh tế đất nước.
4 Tuy nhiên, mặt trái của nó cũng phát sinh nhiều các vấn đề. Để tập hợp đất cho các mục đích kinh tế khác nhau, các nhà đầu tư cũng như chính quyền sẽ buộc phải di chuyển một phần hoặc toàn bộ dân cư trong khu vực đó. Việc di chuyển dân cư này sẽ làm phát sinh ra những khu vực dân cư mới, bao gồm các cơ sở hạ tầng như: chợ, trường học, nhà ở, đường giao thông, vệ sinh, v.v… hoặc dân cư sẽ dồn tập trung vào một số khu vực nhất định. Điều này góp phần tạo nên sự phát triển mở rộng của các đô thị. Trong nhiều năm tới, tại thành phố Viêng Chăn, nhiều khả năng khu vực đô thị sẽ nhanh chóng mở rộng về phía ngoại ô dọc theo các tuyến đường huyết mạch. Theo đó với cơ sở hạ tầng không đầy đủ sẽ tạo ra nhiều vấn đề với đô thị ngổn ngang, điều kiện sống tồi tệ và dịch vụ xã hội không phù hợp. Sự phát triển cơ sở hạ tầng ồ ạt, không xác định đúng hướng phát triển, sẽ làm mất đi sự quyến rũ, dịu dàng vốn có của thành phố đồng thời kéo chậm sự phát triển kinh tế và xã hội của thành phố này. Để đối phó với vấn đề đó, kế hoạch phát triển đô thị toàn diện cùng với các biện pháp thích hợp cần phải được các nhà hoạch định chính sách đưa ra và thực hiện kịp thời. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về cách áp dụng phương pháp xử lý kết hợp ảnh landsat 8 (composite) sau đó sử dụng các thuật toán phân lớp để phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào năm 2018. Việc phân loại được lớp phủ đô thị và giám sát sự thay đổi của lớp phủ qua nhiều năm sẽ phần nào đó giúp chính quyền địa phương cùng toàn thể người dân Thủ đô Viêng Chăn xem xét và kiểm tra cẩn thận phương hướng phát triển cho thủ đô Viêng Chăn trong tương lai. 1.2. Khái quát về viễn thám và phân loại lớp phủ mặt đất Công nghệ viễn thám đã trở thành một trong những thành tựu khoa học vũ trụ phát triển đến trình độ cao và ngày càng trở thành một kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên toàn thế giới. Công nghệ viễn thám đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như: nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, thủy văn, băng biển, lập bản đồ che phủ đất, đại dương và ven biển…[1] và nhu cầu này ngày càng gia tăng. Những kết quả thu được từ
5 công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học, các nhà hoạch định chính sách có các phương án, kế hoạch có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trường. Việc nghiên cứu sử dụng đất và phân lớp che phủ đất (LULCC - Land use and land cover classification) đã được xem xét như một trong những ứng dụng truyền thống và quan trọng nhất trong viễn thám vì các sản phẩm LULCC rất cần thiết cho một loạt các ứng dụng liên quan đến môi trường [2]. Lớp phủ đề cập đến lớp phủ trên bề mặt trái đất, có thể là thực vật, hạ tầng đô thị, nước, đất trồng hay các loại khác. Xác định, phân định và lập bản đồ lớp phủ là rất quan trọng cho việc nghiên cứu giám sát toàn cầu, quản lý tài nguyên và các hoạt động lập kế hoạch. Xác định lớp phủ chính là cơ sở cho các hoạt động giám sát (phát hiện thay đổi) có thể được thực hiện, và cung cấp thông tin bao phủ mặt đất cho các bản đồ chuyên đề cơ sở. Các thuật ngữ “Land use” và “Land cover” thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng chúng có những ý nghĩa riêng biệt. Lớp phủ (Land cover) đề cập đến lớp phủ trên bề mặt trái đất, có thể là thực vật, hạ tầng đô thị, nước, đất trồng hay các loại khác. Xác định, phân định và lập bản đồ lớp phủ là rất quan trọng cho việc nghiên cứu giám sát toàn cầu, quản lý tài nguyên và các hoạt động lập kế hoạch. Xác định lớp phủ chính là cơ sở cho các hoạt động giám sát (phát hiện thay đổi) có thể được thực hiện, và cung cấp thông tin bao phủ mặt đất cho các bản đồ chuyên đề cơ sở. Việc sử dụng đất (Land use) đề cập đế mục đích mà đất phục vụ, chẳng hạn như: giải trí, môi trường hoang dã hoặc nông nghiệp. Khi sử dụng cùng nhau, cụm từ Land Use/ Land Cover đề cập đến việc phân loại hoặc phân lớp các hoạt động của con người và các thành phần tự nhiên trong một khung cảnh hoặc khu vực nhất định trong khoảng thời gian dựa trên các phân tích khoa học và thống kê nguồn dữ liệu phù hợp. Các ứng dụng của LULCC trong viễn thám[1] - Quản lý tài nguyên thiên nhiên - Bảo vệ môi trường sống hoang dã
6 - Đầu vào cơ sở cho việc lập bản đồ thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) - Sự mở rộng lấn chiếm của đô thị - Định tuyến và lên kế hoạch cho các hoạt động xác định địa chấn/ thăm dò/ khai thác tài nguyên - Phác họa thiệt hại (động đất, lũ lụt, núi lửa, lốc xoáy, hỏa hoạn) - Ranh giới pháp lý cho việc ước tính thuế và tài sản - Phát hiện mục tiêu: xác định dải hạ cánh, đường, cầu, bề mặt đất/ nước. Một trong những thách thức cấp bách nhất ở hiện tại và cả tương lai là sự đô thị hóa trên toàn cầu. Đô thị hóa là quá trình phát triển kinh tế, xã hội, song song với sự mở rộng không gian đô thị. Ở khía cạnh xã hội học, tùy thuộc vào từng quốc gia khác nhau, định nghĩa đô thị được sử dụng khác nhau, tuy nhiên hầu hết các quốc gia đều định nghĩa đô thị là khu vực tập trung dân cư với mật đột cao và phần lớn dân cư hoạt động trong lĩnh vực kinh tế phi nông nghiệp. Đô thị là trung tâm chính trị, hành chính, kinh tế, văn hóa hoặc chuyên ngành, có vai trò thúc đẩy sự phtá triển kinh tế - xã hội của quốc gia hoặc vùng lãnh thổ, một địa phương, bao gồm nội thành, ngoại thành của thành phố; nội thị, ngoại thị của thị xã; thị trấn. [3] Khi dân số trên toàn cầu tăng lên và nền kinh tế của các quốc gia tiếp tục phát triển mà không còn dựa vào các hệ thống nông nghiệp, các thành phố sẽ tăng lên và mở rộng hơn. Sự phát triển đô thị thường xâm phạm đến đất trồng rừng hoặc đất nông nghiệp. Sự tăng trưởng thành phố là một chỉ số của công nghiệp hóa (phát triển) và nhìn chung đều có ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe môi trường của một vùng. Việc định lượng cho hiện tượng này vẫn chưa hoàn toàn có thể nắm được hết. Đặc biệt, thông tin chính xác trên thế giới về vị trí và sự phân bố dân cư ở các vùng đô thị và nông thôn là vẫn còn thiếu. Tỉ lệ mặt đất được bao phủ bởi diện tích xây dựng là bao nhiêu? Tỉ lệ giữa các vùng đô thị và nông thôn là thế nào? Có bao nhiêu thành phố trên Thế giới? [4] Việc thay đổi mục đích sử dụng đất từ nông nghiệp sang đô thị cần được giám sát để ước tính dân số, dự đoán và hoạch định hướng phát triển của đô thị cho các nhà phát triển đồng thời giám sát các mối gây hại và nguy hiểm cho môi trường
7 lân cận [5]. Các khu tị nạn hoặc các thành phố tạm cư cũng cần được giám sát và ước tính số lượng dân cư và mật độ dân cư. Việc phân tích đất sử dụng cho nông nghiệp và đô thị là rất quan trọng để đảm bảo hướng phát triển không xâm lấn vào đất nông nghiệp có giá trị, và để đảm bảo nông nghiệp phát triển trên vùng đất thích hợp và sẽ không bị ảnh hưởng bởi hạ tầng liền kề. Có được thông tin lớp phủ đô thị sẽ giúp những nhà hoạch định chính sách xây dựng được chiến lược phát triển hợp lý và bền vững mà vẫn có thể bảo vệ được môi trường. Với các phân tích đa thời gian, viễn thám mang đến góc nhìn riêng biệt về cách các thành phố phát triển. Yếu tố chính để lập bản đồ thay đổi sử dụng đất từ nông thôn sang đô thị là khả năng phân biệt giữa việc sử dụng đất ở nông thôn (như việc sử dụng cho canh tác, các đồng cỏ cho gia súc v.v…) và sử dụng đất ở đô thị (dân cư, thương mại, giải trí). Phương pháp viễn thám có thể được sử dụng để phân loại các lớp phủ một cách kinh tế và lặp đi lặp lại trên các khu vực rộng lớn. Đất đô thị là đất thuộc khu vực nội thành, nội thị xã, thị trấn được quy hoạch sử dụng làm nhà ở, trụ sở các cơ quan tổ chức, các cơ sở sản xuất kinh doanh, các cơ sở hạ tầng phục vụ lợi ích công cộng, quốc phòng an ninh và các mục đích khác của xã hội. Ngoài ra theo quy định các loại đất ngoại thành, ngoại thị xã đã có quy hoạch của cơ quan Nhà nước có thẩm quyền phê duyệt để phát triển đô thị cũng được tính vào đất đô thị.[3] Trong viễn thám, lớp phủ đô thị sẽ được đặc trưng bởi hỗn hợp các kiểu vật liệu khác nhau và là các tổ hợp của các lớp phủ khác biệt nhau về phổ phản xạ. Do tính chất không đồng nhất này, nên việc phân loại các kiểu lớp phủ đô thị thường gặp rất nhiều khó khăn. Do đó, nơi nào có xây dựng, có sự bê tông hóa bề mặt sẽ được nhận dạng và phát hiện lớp phủ đô thị, dựa theo các đặc tính của mặt không thấm nước [4][6][7][8]. Đường giao thông, các công trình nhà ở, bãi đỗ xe được phủ bởi vật liệu không thấm nước như nhựa đường, đá, vật liệu xây dựng v.v… là các mặt không thấm, dù chúng có tính chất vật lý riêng nhưng sẽ được ghi nhận là đối tượng thuộc lớp phủ đô thị. Và cũng như nhiều nghiên cứu khác, trong nghiên cứu này, đối tượng mặt không thấm được xem như là đặc trưng của đô thị và được dùng để xác định và phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào.
8 1.3. Viễn thám 1.3.1. Khái niệm viễn thám Hình Error! No text of specified style in document..2 Quá trình thu nhận dữ liệu trong viễn thám. Nguồn ảnh: Nelson Mandela University Viễn thám được định nghĩa là khoa học và công nghệ thu nhận thông tin về một đối tượng, một vùng hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích các tài liệu thu được bởi các thiết bị chuyên dụng. Các thiết bị này không tiếp xúc trực tiếp với các đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng nghiên cứu [9] Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ một đối tượng là nguồn dữ liệu chính trong viễn thám. Một bức ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các đối tượng dưới dạng năng lượng bức xạ trong các bước sóng được ghi lại. Việc đo đạc và
9 phân tích quang phổ cho phép trích xuất các thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Các thiết bị được sử dụng để cảm nhận sóng điện từ được gọi là cảm biến. Các cảm biến có thể là các máy ảnh hoặc máy quét được gắn trên các vật mang khác nhau. Các vật mang này có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh... Hình 1.1 thể hiện một sơ đồ điển hình cho việc thu nhận ảnh viễn thám. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chính được sử dụng trong viễn thám. Các bước sóng điện từ được chuyển đến cảm biến nằm trên các vật mang. Thông tin từ năng lượng phản xạ có thể được xử lý và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như Nông nghiệp, Lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường… Một hệ thống viễn thám làm việc theo mô hình sau: đầu tiên tia sáng, có thể phát ra từ mặt trời hoặc chính bản thân vệ tinh, gặp bề mặt Trái đất. Sau đó nó được hấp thụ một phần, phản xạ và bức xạ trở lại bầu khí quyển. Trong bầu khí quyển tia sáng có thể cũng bị hấp thụ, phản xạ hoặc bức xạ thêm nữa. Trên bầu trời, cảm biến vệ tinh sẽ thu nhận tia phản xạ đến nó. Sau đó là quá trình truyền, nhận, xử lý và chuyển đổi năng lượng bức xạ thành dữ liệu ảnh. Cuối cùng, công việc giải thích và phân tích hình ành được áp dụng để có thể ứng dụng trong đời sống thực tế. Hình 1.3 mô tả các thành phần cơ bản của hệ thống viễn thám. [1]
10 Hình Error! No text of specified style in document..3 Giới thiệu về hệ thống viễn thám điển hình. Nguồn ảnh: Natural Resources Canada (https://www.nrcan.gc.ca) Trong đó: - A: Nguồn năng lượng hoặc ánh sáng - B: Truyền năng lượng qua khí quyển - C: Các vật thể được tương tác - D: Vệ tinh - E: Hệ thống thu nhận - F: Hệ thống phân tích hình ảnh - G: Hệ thống ứng dụng. 1.3.2. Phân loại hệ thống viễn thám Các hệ thống viễn thám có thể được phân loại theo các tiêu chí sau: nguồn năng lượng, quỹ đạo của vệ tinh, quang phổ thu nhận, v.v… [1] Phân loại dựa trên nguồn năng lượng: có hệ thống viễn thám gián tiếp và trực tiếp, như hình 1.4. - Hệ thống cảm biến chủ động (active): Cảm biến phát ra bức xạ hướng về phía vật thể được nghiên cứu. Bức xạ phản xạ lại từ vật thể được phát hiện và đọ đạc bởi bộ cảm biến [1]. Ví dụ như: radar. - Hệ thống cảm biến bị động (passive): Mặt trời cung cấp nguồn năng lượng rất thuận tiện cho viễn thám. Bộ cảm biến bị động chỉ có thể được sử dụng để phát hiện ra năng lượng khi nguồn năng lượng tự nhiên có sẵn. Đối với tất cả năng lượng phản xạ, cảm biến này chỉ đo được trong khoảng thời gian mặt trời chiếu sáng vào bề mặt Trái đất.[1]
11 Hình Error! No text of specified style in document..4 Hệ thống cảm biến bị động (trái) và cảm biến chủ động (phải). Nguồn ảnh: Grind GIS (https://grindgis.com) Phân loại dựa vào quỹ đạo vệ tinh: (như hình 1.5) - Vệ tinh địa tĩnh (Geostationary satellite): Các vệ tinh có hướng nhìn tới cùng một khu vực của bề mặt trái đất vào tất cả các khoảng thời gian được gọi là vệ tinh địa tĩnh[1], các vệ tinh này có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của trái đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên. Các vệ tinh thời tiết và truyền thông là những vệ tinh thuộc loại này. - Vệ tinh quỹ đạo cực (Polar orbital satellite): các vệ tinh với mặt phẳng quỹ đạo bay vuông góc hoặc gần như vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất, nên chúng có thể lấy ảnh của mọi vùng trên trái đất vào các giờ cố định.