Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu sự thay đổi diện tích mặt nước ở Quảng Ninh bằng công nghệ địa không gian nhằm cung cấp cơ sở cho công tác quản lý tài nguyên nước bền vững

Chia sẻ: Tomcangnuongphomai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là ứng dụng công nghệ không gian địa lý GIS thành lập bản đồ hiện trạng tài nguyên nước. Dự báo xu thế biến động tài nguyên nước trong 10 năm tiếp theo. Đề xuất giải pháp quản lý tài nguyên nước. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu sự thay đổi diện tích mặt nước ở Quảng Ninh bằng công nghệ địa không gian nhằm cung cấp cơ sở cho công tác quản lý tài nguyên nước bền vững

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa sử dụng để bảo vệ luận văn của một học vị nào. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, Ngày 25 tháng 8 năm 2017 Học viên Đặng Văn Thanh
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi đƣợc bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc PGS. TS Phùng Văn Khoa đã tận tình hƣớng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Ban Quản lý đào tạo, các Thầy Cô giáo, các nhà khoa học thuộc Khoa Môi trƣờng thuộc Đại học Lâm nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Ủy ban nhân dân huyện Hoành Bồ đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn gia đình, ngƣời thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn./. Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2017 Học viên Đặng Văn Thanh
iii MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIỆT TẮT ................................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. viii ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 3 1.1. Khái niệm ................................................................................................... 3 1.1.1 Khái niệm công nghệ địa không gian: ..................................................... 3 1.2. Tổng quan về GIS ...................................................................................... 4 1.3. Khái niệm, nguyên lý cơ bản và ứng dụng của viễn thám ......................... 5 1.3.1. Khái niệm ................................................................................................ 5 1.3.2. Lịch sử hình thành và xu hƣớng phát triển ............................................. 6 1.3.3. Nguyên lý cơ bản của thuật viễn thám ............................................... 8 1.3.4. Ứng dụng viễn thám và GIS trên thế giới ............................................. 10 1.3.5. Ứng dụng viễn thám và GIS ở Việt Nam trong quản lý tài nguyên nƣớc..... 11 1.4. Giới thiệu về phần mềm ENVI và ARCGIS ............................................ 12 1.4.1. Phần mềm ENVI ................................................................................... 12 1.4.2. Phần mềm ARCGIS .............................................................................. 13 Chƣơng 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 17 2.1. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................ 17 2.1.1. Mục tiêu chung ...................................................................................... 17
iv 2.1.2. Mục tiêu cụ thể ...................................................................................... 17 2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 17 2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 18 2.3.1. Đánh giá hiện trạng diện tích mặt nƣớc tại khu vực nghiên cứu giai đoạn 1990 – 2015. ........................................................................................... 18 2.3.2. Dự báo xu thế biến động tài nguyên nƣớc các năm tiếp theo (10 năm tiếp theo) .......................................................................................................... 18 2.3.3. Đề xuất một số giải pháp quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc tại khu vực nghiên cứu ......................................................................................... 18 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................... 18 2.4.1. Phƣơng pháp ế thừa tài liệu................................................................. 19 2.4.2. Phƣơng pháp xử lý ảnh vệ tinh ............................................................. 19 2.5. Tăng cƣờng chất lƣợng ảnh...................................................................... 26 2.5.1. Tăng cƣờng độ phân giải....................................................................... 26 2.5.2. Tăng cƣờng độ tƣơng phản của ảnh ...................................................... 27 2.6. Phƣơng pháp xây dựng khóa giải đoán .................................................... 28 2.7. Phƣơng pháp giải đoán ............................................................................. 29 2.7.1. Phƣơng pháp giải đoán ảnh bằng mắt: .................................................. 29 2.7.2. Phân loại có kiểm định .......................................................................... 31 2.8. Phƣơng pháp thành lập bản đồ hiện trạng mặt nƣớc ............................... 33 Chƣơng 3 ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU....................................... 36 3.1. Điều kiện tự nhiên .................................................................................... 36 3.1.1. Vị trí địa lý - kinh tế .............................................................................. 36 3.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo .................................................................. 37 3.1.3. Khí hậu .................................................................................................. 40 3.2. Tài nguyên thiên nhiên ............................................................................. 42 3.2.1. Tài nguyên đất ....................................................................................... 42
v 3.2.2. Tài nguyên nƣớc.................................................................................... 42 3.2.3. Tài nguyên rừng .................................................................................... 45 3.3. Các nguồn lực điều kiện kinh tế-xã hội ................................................... 46 3.3.1. Khái quát về tình hình kinh tế của tỉnh ................................................. 46 3.3.2. Nguồn nhân lực ..................................................................................... 48 Chƣơng 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 51 4.1. Tƣ liệu ảnh viễn thám phục vụ nghiên cứu .............................................. 51 4.2. Xử lý ảnh .................................................................................................. 54 4.2.1. Ghép ảnh ............................................................................................... 54 4.3. Tổ hợp màu .............................................................................................. 57 4.3.1.Ảnh đơn sắc ............................................................................................ 57 4.3.2. Ảnh tổ hợp màu: .................................................................................... 58 4.4. Xây dựng khóa giải đoán ......................................................................... 60 4.5. Thực hiện giải đoán ảnh viễn thám theo mẫu khóa giải đoán ................. 62 4.6. Thành lập bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc giai đoạn 1990-2015 ... 63 4.7. Đánh giá biến động diện tích mặt nƣớc giai đoạn 1990 đến 2015 .......... 69 4.8. Xu hƣớng biến động diện tích mặt nƣớc giai đoạn 2015 đến năm 2025 và giải pháp .......................................................................................................... 75 4.8.1. Xu hƣớng biến động diện tích mặt nƣớc giai đoạn 2015 đến năm 2025 ......................................................................................................................... 75 4.8.2. Giải pháp quản lý và sử dụng nguồn nƣớc ........................................... 77 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................... 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIỆT TẮT Viết tắt Nghĩa đầy đủ GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý
vii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện 7 2.1 Độ phân giải của các band 27 2.2 Khoá giải đoán các đối tƣợng trên ảnh vệ tinh 33 Thông tin cơ bản về các ảnh Landsat sử dụng trong nghiên 4.1 51 cứu 4.2 Giới thiệu vệ tinh Landsat 8 52 4.3 Mẫu khóa giải đoán ảnh năm 2015 tổ hợp màu tự nhiên 61 4.4 Diện tích các đối tƣợng năm 1990 của tỉnh Quảng Ninh 64 4.5 Diện tích các đối tƣợng năm 1995 của tỉnh Quảng Ninh 65 4.6 Diện tích các đối tƣợng năm 2000 của tỉnh Quảng Ninh 66 4.8 Diện tích các đối tƣợng năm 2010 của tỉnh Quảng Ninh 68 4.9 Diện tích các đối tƣợng năm 2015của tỉnh Quảng Ninh 69 Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 1990-1995 tỉnh 4.10 69 Quảng Ninh Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 1995-2000 tỉnh 4.11 70 Quảng Ninh Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 2000-2005 tỉnh 4.12 70 Quảng Ninh Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 2005-2010 tỉnh 4.13 71 Quảng Ninh Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 2010-2015 tỉnh 4.14 71 Quảng Ninh Diện tích mặt nƣớc biến động giai đoạn 1990-2015 tỉnh 4.15 75 Quảng Ninh
viii DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Nguyên lý thu nhận d liệu viễn thám 8 1.2 Các thành phần trong hệ thống viễn thám 9 1.3 Khái quát phần mềm ArcGIS21 13 2.1 Cửa sổ Image Analysis 28 2.2 Giao diện phần mềm ENVI lựa chọn phân loại có kiểm định 32 Phƣơng pháp giải đoán ảnh viễn thám và thành lâp bản đồ hiện 2.3 35 trạng diện tích mặt nƣớc bằng ảnh Landsat 4.1 Tổ hợp màu 53 4.2 Gộp kênh ảnh Landsat 8 tỉnh Quảng Ninh 54 4.3 Hộp lệnh Mosaic To New Raster 55 4.4 Ảnh ghép Quảng Ninh năm 2015 55 4.5 Chồng xếp ranh giới tỉnh Quảng Ninh 56 4.6 Hộp lệnh Extract by Mask 56 4.8 ảnh đơn sắc landsat 5 tỉnh Quảng Ninh 1990 58 4.9 Anh màu tự nhiên landsat 5 tỉnh Quảng Ninh 59 4.10 Ảnh màu tự nhiên landsat 8 tỉnh Quảng Ninh 59 4.11 Bản đồ giải đoán Quảng Ninh năm 2015 63 4.12 Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 1990 63 4.13 Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 1995 64 4.14 Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2000 65 4.15 Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2005 66 4.16 Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2010 67 4.17 Bản đồ hiện trạng diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh năm 2015 68 4.18 Hộp lệnh Intersect chồng xếp d liệu 73 4.19 Bảng tính giá trị 74 4.20 Bản đồ biến động diện tích mặt nƣớc tỉnh Quảng Ninh 74
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Nƣớc ta có địa hình đồi núi chiếm đến 3/4 diện tích lãnh thổ, tập trung phần lớn ở vùng Đông Bắc, Tây Bắc và miền Trung, phần diện tích còn lại là châu thổ và đồng bằng phù sa, chủ yếu là ở đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, mặc dù lƣợng mƣa trung bình nhiều năm trên toàn lãnh thổ vào khoảng 1.940 mm/năm nhƣng do ảnh hƣởng của địa hình đồi núi, lƣợng mƣa phân bố không đều trên cả nƣớc và biến đổi mạnh theo thời gian đã và đang tác động lớn đến tr lƣợng và phân bố tài nguyên nƣớc ở Việt Nam. Tài nguyên nƣớc là các nguồn nƣớc mà con ngƣời sử dụng trong sinh hoạt hoặc có thể sử dụng vào các mục đích hác nhau. Nƣớc đƣợc dùng trong các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và môi trƣờng. Hầu hết các hoạt động trên đều cần nƣớc ngọt. Nh ng năm gần đây, do nhiều nguyên nhân, ở hạ lƣu hầu hết các lƣu vực sông, tình trạng suy giảm nguồn nƣớc dẫn tới thiếu nƣớc, khan hiếm nƣớc hông đủ cung cấp cho sinh hoạt, sản xuất đang diễn ra ngày một thƣờng xuyên hơn, trên phạm vi rộng lớn hơn và ngày càng nghiêm trọng, gây tác động lớn đến môi trƣờng sinh thái các dòng sông, gia tăng nguy cơ ém bền v ng của tăng trƣởng kinhtế, xóa đói giảm nghèo và phát triển xã hội. Thêm vào đó, tài nguyên nƣớc trên các lƣu vực sông ở Việt Nam đang bị suy giảm và suy thoái nghiêm trọng do nhu cầu dùng nƣớc tăng cao trong sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, nuôi trồng thủy sản, thủy điện, làng nghề và do khả năng quản lý yếu kém. Các hệ sinh thái rừng tự nhiên duy trì nguồn sinh thủy từ thƣợng nguồn các lƣu vực cũng bị suy giảm trên diện rộng do nạn phá rừng, do canh tác nông, nông - nghiệp, khai khoáng và xây dựng cơ sở hạ tầng.
2 Tỉnh Quảng Ninh là một trong nh ng trung tâm sản xuất than quan trọng nhất của Việt Nam, đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống phân phối hàng hóa của khu vực, nơi có chức năng hoạt động của một khu vực phát triển công nghiệp chủ yếu tại miền Bắc Việt Nam với quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa đang diễn ra nhanh chóng. Đồng thời, tỉnh Quảng Ninh có di sản thiên nhiên thế giới Vịnh Hạ Long và hoạt động du lịch là một ngành quan trọng, là nét đặc thù của tỉnh, do vậy các chiến lƣợc phát triển kinh tế xã hội của tỉnh phải hài hoà với chiến lƣợc bảo vệ môi trƣờng. Trong nh ng năm gần đây, tỉnh Quảng Ninh đã đạt đƣợc nh ng thành tựu quan trọng và phát triển toàn diện. Tăng trƣởng GDP trung bình đạt khoảng 12% mỗi năm. Tuy nhiên, do yêu cầu phát triển kinh tế, trong nh ng năm gần đây, các tác động môi trƣờng đã trở nên rõ nét, ví dụ nhƣ suy giảm chất lƣợng nƣớc do nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải công nghiệp và nƣớc thải từ hoạt động khai thác than, tác động do chất thải rắn đô thị và chất thải rắn công nghiệp, ô nhiễm không khí do các nhà máy nhiệt điện, xi măng, nh ng tác động tới môi trƣờng tự nhiên và đa dạng sinh học... Xuất phát từ cơ sở thực tiễn trên, tôi tiến hành chọn đề tài “Nghiên cứu sự thay đổi diện tích mặt nước ở Quảng Ninh bằng công nghệ địa không gian nhằm cung cấp cơ sở cho công tác quản lý tài nguyên nước bền vững”. Việc tiến hành nghiên cứu đề tài này là hết sức cần thiết và cấp bách góp phần khắc phục tình trạng chuyển đổi các diện tích chứa nƣớc sang mục đích sử dụng khác và giảm tính ổn định về môi trƣờng sinh thái ở tỉnh Quảng Ninh…
3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái niệm 1.1.1 Khái niệm công nghệ địa không gian: GIS đƣợc hình thành vào nh ng năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong nh ng năm lại đây.GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới.Hệ thống thông tin địa lý có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá đƣợc hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin đƣợc gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các d liệu đầu vào. Có nhiều cách tiếp cận hác nhau hi định nghĩa GIS. Nếu xét dƣới góc độ hệ thống, thì GIS có thể đƣợc hiểu nhƣ một hệ thống gồm các thành phần: con ngƣời, phần cứng, phần mềm, cơ sở d liệu và quy trình-kiến thức chuyên gia nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu chuẩn, định hƣớng, chủ trƣơng ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về công nghệ thông tin. Khi xây dựng một hệ thống thông tin địa lý ta phải quyết định xem GIS sẽ đƣợc xây dựng theo mô hình ứng dụng nào, lộ trình và phƣơng thức tổ chức thực hiện nào. Chỉ trên cơ sở đó ngƣời ta mới quyết định xem GIS định xây dựng sẽ phải đảm đƣơng các chức năng trợ giúp quyết định gì và cũng mới có thể có các quyết định về nội dung, cấu trúc các hợp phần còn lại của hệ thống cũng nhƣ cơ cấu tài chính cần đầu tƣ cho việc hình thành và phát triển hệ thống. Với một xã hội có sự tham gia của ngƣời dân và quá trình quản lý thì sự đóng góp tri thức từ phía cộng đồng đang ngày càng trở nên quan trọng và càng ngày càng có vai trò không thể thiếu.
4 1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý Trong nh ng năm gần đây, hệ thống thông tin địa lý đã phát triển rất mạnh mẽ về lý thuyết, nghệ cũng nh- tổ chức. Đồng thời hệ thống thông tin địa lý đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hác nhau nh- nghiên cứu địa chất, địa lý, nông nghiệp, đô thị, giao thông, thực vật, địa chính, inh tế. Có nhiều hái niệm hác nhau về hệ thống thông tin địa lý của nhiều tác giả hác nhau nhƣng về bản chất thì hệ thống thông tin địa lý bao gồm các thành phần cấu thành cơ bản sau: - Phần cứng máy tính bao gồm các thành phần vật lý của máy tính và các thiết bị ngoại vi hác (máy in, scanner, máy vẽ. . .) - Phần mềm GIS là các chƣơng trình máy tính thực hiện các công viêc chuyên môn của GIS, thực hiên các chức năng thu nhận và lƣu tr các d liệu hông gian cũng nhƣ thuộc tính, các thao tác xử lý số liệu, mô hình số độ cao.v.v.. Có thể ể ra một số phần mềm chuyên dụng GIS nh- Arc/Info, Map/Info, Arcview... - Dữ liệu GIS bao gồm các d liệu hông gian (ảnh, bản đồ. . .) và d liệu thuộc tính (các đặc điểm, tính chất của các đối tƣợng hông gian, các quá trình, hiện tƣợng xảy ra ở các đối tƣợng hông gian đó) của các đối tƣợng đƣợc nghiên cứu. - Người sử dụng: Đây là yếu tố mang tính chất quyết định, là ngƣời thiết ế và thực hiện các thao tác thuật để có đƣợc ết quả theo các yêu cầu hác nhau. Các hợp phần trên nằm trong mối quan hệ tƣơng tác chặt chẽ với nhau tạo thành Hệ thống thông tin địa lý.Nếu thiếu một trong hợp phần trên thì GIS sẽ ngừng hoạt động hoặc chỉ là một hệ thống chết. Theo đà phát triển của hoa học thuật bốn hợp phần trên cũng đƣợc đƣợc phát triển mạnh mẽ, tạo lên một GIS cũng đƣợc phát triển hơn, thực hiện đƣợc các chức năng ƣu
5 việt hơn, nhanh hơn, mạnh hơn, tiện lợi và dễ dàng hơn trong vận hành và sử dụng. Nhƣ vậy ta có thể hiểu một cách hái quát về GIS nhƣ sau: GIS là tập hợp có tổ chức của phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và các thủ tục của người sử dụng nhằm trợ giúp việc thu nhận, lưu trữ, quản lý, xử lý, phân tích, hiện thị các thông tin không gian từ thế giới thực để giải quyết các vấn đề tổng hợp thông tin cho các mục đích của con người đặt ra. Ngoài ra còn một số định nghĩa về GIS của một số tác giả nh- sau: - Theo Burrough (1986) thì GIS là “Tập hợp các công cụ để thu nhập, lƣu tr , tra cứu, chuyển đổi và biểu thị các d liệu hông gian từ thế giới thực”. - Par er (1988) định nghĩa GIS nh- một “ ĩ nghệ thông tin nhằm lƣu tr , phân tích và biểu thị d liệu hông gian và phi hông gian”. - Aronoff (1989) quan niệm GIS là “bất ỳ một phƣơng thức trên sách tra hảo hoặc máy tính dùng để lƣu tr , thao tác các d liệu tham chiếu địa lý” 1.3. Khái niệm, nguyên lý cơ bản và ứng dụng của viễn thám 1.3.1. Khái niệm Viễn thám là một ngành hoa học có lịch sử phát triển lâu đời. Sự phát triển của hoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự hi nghiên cứu các ảnh chụp sử dụng phim và giấy ảnh từ hinh hí cầu, máy bay. Ngày nay, cùng sự phát triển của hoa học thuật, viễn thám đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành hoa học hác nhau nhƣ quân sự, địa chất, địa lý, môi trƣờng, hí tƣợng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,... Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc đƣợc phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể đƣợc gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu đƣợc ảnh số (digital number). Phƣơng tiện dùng để mang các bộ cảm.
6 1.3.2. Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính từ thế ỷ thứ 4 trƣớc công nguyên hi Aristote sáng tạo ra camera – obscura (obscura - dar ). Mặc dù nh ng thành tựu đáng ể trong lý thuyết quang học đã đạt đƣợc từ thế ỷ 17 cũng nhƣ thấu ính quang học đã xuất hiện sớm hơn, bƣớc phát triển thực sự đầu tiên của hoa học viễn thám là vào gi a thế ỷ 19. Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đƣa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, hởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ hinh hí cầu đƣợc thực hiện vào năm 1858 bởi nhà nhiếp ảnh ngƣời Pháp Gaspard Tournachon. ng đã sử dụng hinh hí cầu ở độ cao 80 m để chụp ảnh vùng Bievre nƣớc Pháp. Từ sự việc này, năm 1858 đƣợc coi là năm hai sinh của thuật viễn thám. Năm 1860, James Blac đã chụp ảnh vùng Boston, M cũng từ hinh hí cầu. Năm 1863, Mac well đã tìm ra các định luật về sóng điện từ, ết quả này là cơ sở vật lý cơ bản của lý thuyết viễn thám.
7 Bảng 1.1: Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện Thời gian Sự kiện (Năm) 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh k thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ kinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển k thuật radar (Đức, M , Anh) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có ngƣời lái và chụp 12-4-1961 ảnh Trái đất từ ngoài vũ trụ Lần đầu tiên sử dụng thuật ng viễn thám 1960-1970 M phóng vệ tinh Landsat-1 1972 Phát triển mạnh mẽ phƣơng pháp xử lý ảnh số 1970-1980 M phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat 1980-1990 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số lƣợng 1986 kênh phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều k thuật xử lý mới. (Nguyễn Văn Đài, 2003).
8 1.3.3. u n ản ủ thu t v ễn th a. Nguyên lý cơ ản của k thuật vi n thám Nguyên lý cơ bản của thuật viễn thám là thu nhận năng lƣợng phản hồi của sóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽ đƣợc chuyển về giá trị số. Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lƣợng phản xạ hay phát xạ của các vật thể từ mặt đất theo nh ng phần nhất định của quang phổ điện từ. Bộ cảm biến chỉ thu nhận năng lƣợng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bƣớc sóng xác định. Năng lƣợng sóng điện từ sau hi tới đƣợc bộ cảm biến sẽ chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên h u hạn – giá trị pixel) tƣơng ứng với năng lƣợng bức xạ ứng với từng bƣớc sóng do bộ cảm biến nhận đƣợc trong dải phổ đã xác định. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám đƣợc mô tả nhƣ h nh 1.1 dƣới đây. ình 1: u n thu nh n ệu v ễn th Sóng điện từ dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ (định luật Plan , định luật Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hệ phƣơng trình
9 Maxwell. Năng lƣợng phổ dƣới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần phân loại vật thể một cách chính xác hơn. b. ác thành phần chính của một hệ th ng vi n thám Một hệ thống viễn thám thƣờng bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Trình tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống viễn thám đƣợc mô tả trong hình sau: ình 2: thành h n t n hệ th n v ễn th (Nguồn: Nguy n Ngọc Thạch, 1997, Vi n thám và GIS trong nghiên cứu Tài nguyên môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Qu c gia Hà Nội) u nn n ư n : thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám là nguồn năng lƣợng để chiếu sáng hay cung cấp năng lƣợng điện từ tới đối tƣợng cần nghiên cứu. Trong viễn thám chủ động sử dụng năng lƣợng phát ra từ nguồn phát đặt trên vật mang, còn trong viễn thám bị động, nguồn năng lƣợng chủ yếu là bức xạ mặt trời. h n t h t x và h u ển bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối tƣợng nghiên cứu sẽ phải tƣơng tác qua lại với hí quyển nơi nó đi qua. ự tư n t vớ đ tư n sau hi truyền qua hí quyển đến đối tƣợng, năng lƣợng sẽ tƣơng tác với đối tƣợng tùy thuộc vào đặc điểm của đối
10 tƣợng và sóng điện từ. Sự tƣơng tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ trở lại hí quyển. hu nh n n n ư n n ả n sau hi năng lƣợng đƣợc phát ra hoặc bị phản xạ từ đối tƣợng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lƣợng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin của đối tƣợng. ự t u n tả thu nh n và xử năng lƣợng đƣợc thu nhận bởi bộ cảm cần đƣợc truyền tải (thƣờng dƣới dạng điện từ) đến một trạm thu nhận d liệu để xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này là d liệu thô. h n và h n t h ảnh ảnh thô sẽ đƣợc xử lý để có thể sử dụng trong các mục đích hác nhau. Để nhận biết đƣợc các đối tƣợng trên ảnh cần phải giải đoán chúng. Ảnh đƣợc phân loại bằng việc ết hợp các phƣơng pháp hác nhau (phân loại bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự động,...). n n đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, đƣợc thực hiện hi ứng dụng thông tin thu nhận đƣợc trong quá trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toán cụ thể. 1.3.4. ng d ng viễn thám và GIS trên th giới Hiện nay sự phát triển của khoa học k thuật, công nghệ viễn thám và GIS ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Tƣ liệu ảnh vệ tinh có khả năng thu nhận hình ảnh mặt đất một cách tức thời, liên tục trên phạm vi rộng, mang tính khách quan, đƣợc lặp đi lặp lại theo chu ì, có độ chính xác cao và đồng nhất ở mọi thời điểm. Công nghệ viễn thám đƣợc ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực hác nhau nhƣ thành lập các bản đồ hiện trạng tài nguyên môi trƣờng, phân tích sự biến động đƣờng bờ biển, theo dõi, giám sát hiện tƣợng ngập úng do bão lụt, cháy rừng, giám sát độ nhiễm mặn vùng đất ven biển, biến động đất rừng…
11 Các nƣớc tiên tiến ứng dụng viễn thấm đầu tiên là: M , Nga, Ấn Độ, Canada, Nhật, và mới đây có thêm Trung Quốc … việc ứng dụng kết hợp công nghệ viễn thám và GIS đã trở thành công nghệ hoàn chỉnh, đƣợc sử dụng rộng rãi không chỉ để theo dõi, kiểm kê, dự báo, quản lý các tài nguyên trên đất liền mà còn hƣớng dần ra biển và đại dƣơng. Ứng dụng sử dụng tƣ liệu viễn thám đa phổ, đa thời gian để theo dõi biến động bề mặt địa lý tự nhiên trên mặt đất đã đƣợc hình thành trên thế giới ngay từ khi các vệ tinh quan sát Trái Đất đầu tiên đƣợc đƣa lên vũ trụ. Trên thế giới, đã có rất nhiều các công trình khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này và đã rất thành công. Khả năng sử dụng tƣ liệu ảnh viễn thám kết hợp với GIS không chỉ áp dụng nghiên cứu bề mặt địa lý nói chung hay biến động tài nguyên nƣớc nói riêng mà nó còn đƣợc áp dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực nhƣ quản lý tài nguyên và môi trƣờng, cảnh báo ngập lụt, nghiên cứu biến động sử dụng đất, lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, lĩnh vực nông nghiệp,..vv. Chính vì vậy, xu thế của nhiều nƣớc phát triển hiện nay là phối hợp nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS vào các chuyên ngành và lĩnh vực cụ thể. 1.3.5. Ứng dụng viễn thám và GIS ở Việt Nam trong quản lý tài nguyên nước Ở Việt Nam hiện nay cũng đã có rất nhiều công trình khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS nhƣ: Nghiên cứu quy hoạch đô thị Hà Nội (TS. Đinh Thị Bảo Hoa), nghiên cứu sự biến động bề mặt địa lý, giám sát tài nguyên và môi trƣờng. Các ứng dụng viễn thám và GIS trong lĩnh vực nghiên cứu về tài nguyên nƣớc, mặc dù còn chƣa nhiều nhƣng cũng đã đƣợc đề cập đến nhƣ: Bộ tài nguyên và môi trƣờng đang đẩy mảnh các đề tài: Ứng dụng d liệu ảnh viễn thám và GIS để xác định tr lƣợng nƣớc tại các hồ chứa; Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để giám sát mực nƣớc tại một số hồ thủy điện, giám sát tàu thuyền trên biển... Công cụ viễn thám và GIS với các phần mềm có các chức năng phân tích, xử lý d liệu mạnh ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
12 vực hác nhau. Trong nh ng năm gần đây, GIS đƣợc sử dụng nh- một công cụ đắc lực trong công tác nghiên cứu, quản lý, hai thác cũng nh- bảo vệ môi trƣờng. Các bản đồ quy hoạch, bản đồ xói mòn đất tiềm năng, bản đồ hiện trang rừng, hiện trạng giao thông.v.v.có thể đƣợc thành lập bằng công cụ GIS. Có thể nói việc ết hợp nghiên cứu tƣ liệu lịch sử, nghiên cứu, phỏng vấn thực địa với ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá, phân tích và dự báo biến động các yếu tố môi trƣờng làm cho ết quả đạt đƣợc chính xác hơn, nhanh hơn và cập nhật hơn. Ở Nƣớc ta việc xác định biến động tài nguyên nƣớc nói chung, nƣớc ngọt nói riêng cũng đã đƣợc quan tâm, tuy nhiên với các phƣơng pháp truyền thống là đo đạc trực tiếp từ hiện trƣờng và đo đạc ở nhiều thời điểm khác nhau rất hó hăn, tốn kém và thiếu độ chính xác. Mặt khác không có thể đo đạc trực tiếp biến động tài nguyên nƣớc trong một thời gian dài (vài chục năm) sẽ dẫn đến nh ng sai sót tạo ra nh ng quyết định sai trong quản lý, sử dụng nƣớc. Với việc ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến biến động tài nguyên nƣớc, thay đổi diện tích nƣớc mặt từ đó trợ giúp ra quyết định quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc có ý nghĩa thực tiễn và rất cần đƣợc ứng dụng rộng rãi. 1.4. Giới thiệu về phần mềm ENVI và ARCGIS 1.4.1. Ph n m m ENVI Phần mềm ENVI - Environment for Visualizing Images là một phần mềm xử lý ảnh viễn thám mạnh, với các đặc điểm chính nhƣ sau:  Hiển thị, phân tích ảnh với nhiều kiểu d liệu và kích cỡ ảnh khác nhau.  Môi trƣờng giao diện thân thiện.  Cho phép làm việc với từng kênh phổ riêng lẻ hoặc toàn bộ ảnh. Khi một file ảnh đƣợc mở, mỗi kênh phổ của ảnh đó có thể đƣợc thao tác với tất cả các chức năng hiện có của hệ thống. Với nhiều file ảnh đƣợc mở, ta có thể dễ dàng lựa chọn các kênh từ các file ảnh để xử lý cùng nhau.