Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

297
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn: Ứng dụng các phương pháp xử lý ảnh viễn thám đa thời gian theo dõi biến động lớp phủ mặt đất; so sánh 2 phương pháp phân loại để chọn ra phương pháp tối ưu cho việc thành lập các bản đồ biến động từ ảnh viễn thám; đánh giá kết quả trên bản đồ biến động lớp phủ mặt đất của huyện Từ Liêm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS

LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Đinh Thị Bảo Hoa, người đã tận tình chỉ bảo, động viên, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này. Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Địa lý cùng gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2010 Tác giả luận văn Vũ Ngọc Thủy 1
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ ............................................................. 6 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 8 1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 8 2. Mục tiêu và nhiệm vụ ....................................................................................... 9 a. Mục tiêu: ........................................................................................................................... 9 b. Nhiệm vụ: ......................................................................................................................... 9 3. Cấu trúc đồ án ................................................................................................................................ 10 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT ..................................................................................................................................... 11 1.1 Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất ................................................................................................................................ 11 1.1.1 Khái niệm .................................................................................................................. 11 1.1.2 Phân loại lớp phủ mặt đất ...................................................................................... 13 1.2 Khái niệm về biến động ................................................................................................................................ 16 * Biến động về chất và về lượng ................................................................................... 16 1.3 Các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động ................................................................................................................................ 18 1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô ................................................................................................................................ 21 2
CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG KHAI THÁC THÔNG TIN VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT ................................................... 23 2.1 Công nghệ viễn thám trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất ................................................................................................................................ 23 2.1.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám ............................................. 25 Viễn thám là phương pháp xử lý và phân tích các thông tin của những đối tượng phân bố trên bề mặt Trái Đất và được thu thập từ ba tầng không gian: Vũ trụ (ngoài khí quyển), Tầng trung (tầng khí quyển), Mặt đất nhằm xác định một cách tổng hợp những thuộc tính cơ bản của đối tượng nghiên cứu. ................................................................................................................................ 25 2.1.2 Cơ sở viễn thám ứng dụng trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất ............. 29 2.2 Cơ sở GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất ................................................................................................................................ 35 2.3 Phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất ................................................................................................................................ 37 2.3.1 Chọn tư liệu ảnh viễn thám ................................................................................... 38 2.3.2 Nắn chỉnh hình học ................................................................................................. 38 2.3.3 Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu ................................................. 39 2.3.4 Phân loại ảnh viễn thám ........................................................................................ 39 2.4.5 Kiểm chứng ............................................................................................................... 46 2.4.6 Kết quả phân loại ..................................................................................................... 47 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN TỪ LIÊM ................ 48 3
3.1 Đặc điểm chung về địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội huyện Từ Liêm ................................................................................................................................ 48 3.2 Nguồn tư liệu sử dụng ................................................................................................................................ 52 3.3 Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu ................................................................................................................................ 53 3.3.1 Nắn chỉnh hình học ................................................................................................. 53 3.3.2 Cắt ảnh ...................................................................................................................... 53 3.3.3 Giải đoán ảnh ........................................................................................................... 54 3.3.4 Phân loại .................................................................................................................... 54 3.3.3 Đánh giá kết quả phân loại ..................................................................................... 63 3.3.4 Phân tích dữ liệu trong GIS ..................................................................................... 67 3.3.2 Phân tích biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm ....................................... 69 3.4 Kết quả và đánh giá ................................................................................................................................ 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 76 1. Kết luận ................................................................................................................................ 76 2. Kiến nghị ................................................................................................................................ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 78 4
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất ........................................................ 12 (nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE) .................................................................... 12 Bảng 1.1 Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực huyện Từ Liêm .................. 16 Hình 1.2 Phương pháp phân tích sau phân loại .......................................................... 18 Hình 1.3 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian .................................. 19 Hình 1.4 Phương pháp nhận biết thay đổi phổ ........................................................ 19 Hình 1.5 Phương pháp kết hợp .................................................................................... 20 Hình 2.1 Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường Trái Đất .............. 25 Hình 2.2 Khái niệm chung về viễn thám .................................................................... 25 Hình 2.3 Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin ....................................... 26 Hình 2.4 Cửa sổ khí quyển .......................................................................................... 27 Hình 2.5 Phân loại sóng điện từ .................................................................................. 27 Hình 2.6 Đường cong phổ phản xạ ............................................................................ 28 Hình 2.7 Đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính ............. 30 Bảng 2.1 Một số dấu hiệu giải đoán trên ảnh tổ hợp màu giả của ảnh vệ tinh SPOT ................................................................................................................................... 34 Sơ đồ 2.1 Quy trình phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất ......... 37 Hình 3.1 Bản đồ quy hoạch sử dụng đất huyện Từ Liêm đến năm 2020 ............. 51 Bảng 3.1 Dữ liệu ảnh vệ tinh sử dụng trong đề tài ................................................. 52 Bảng 3.2 Một số mẫu giải đoán dùng trong đề tài ................................................... 55 Hình 3.2 Chọn vùng mẫu .............................................................................................. 57 Hình 3.3 Kiểm tra sự khác biệt giữa các mẫu ........................................................... 58 Hình 3.4 Tạo project ....................................................................................................... 60 Hình 3.5 Nhập dữ liệu đầu vào .................................................................................... 61 5
Hình 3.6 Hiển thị ảnh .................................................................................................... 61 Hình 3.7 Kết quả của quá trình segment .................................................................... 62 Hình 3.8 Hình ảnh phân biệt hai quá trình segment .................................................. 64 Hình 3.9 Hình minh hoạ các đối tượng của phân loại theo pixel bị mất thông tin 65 Bảng 3.3 Ma trận sai lẫn trong phương pháp phân loại thống kê ......................... 66 Bảng 3.4 Bảng so sánh diện tích một số lớp của phương pháp phân loại theo pixel và định hướng đối tượng với số liệu thống kê huyện ..................................... 66 Hình 3.10 Hình ảnh minh hoạ quá trình tính toán diện tích biến động ................. 69 Biểu đồ 3.1 Cơ cấu sử dụng đất năm 2003 và 2008 ................................................. 69 Hình 3.11 Kết quả tính biến động hai ảnh phân loại năm 2003 2008 .................. 71 Bảng 3.5 Diện tích biến động các loại hình sử dụng năm 20032008 ................... 71 Biểu đồ 3.2 So sánh diện tích của các loại hình đất có biến động ........................ 72 Hình 3.12 Tại Từ Liêm nhiều khu đất xen kẹt giữa các khu đô thị khó canh tác . 74 6
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Từ Liêm là một huyện nằm ở phía Tây cửa ngõ thủ đô Hà Nội. Theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội của thủ đô đến năm 2020, quá nửa huyện Từ Liêm nằm trong vành đai phát triển của đô thị. Với tốc độ đô thị hóa nhanh như vậy, diện tích đất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp và chia cắt, các khu công nghiệp, khu đô thị mới từng bước hình thành. Sự biến động này có những thuận lợi song cũng có những khó khăn hết sức phức tạp vì nó tác động đến tất cả các lĩnh vực kinh tế văn hoá, xã hội, tập quán của nhân dân. Những mặt tiêu cực do quá trình đô thị hoá mang lại như sự giảm dần của các hoạt động nông nghiệp và sự phát triển của các hoạt động phi nông nghiệp khác, sự gia tăng các vấn đề xã hội, môi trường và cả những vấn đề về cơ sở hạ tầng chưa kịp đáp ứng các đòi hỏi mới sẽ xuất hiện. Do đó, cần phải có sự định hướng, theo dõi, đánh giá, kiểm kê, quản lý sự biến động lớp phủ mặt đất. Đất đai là một loại tư liệu sản xuất đặc biệt và nhà nước nắm quyền quản lý việc sử dụng. Khi xảy ra quá trình đô thị hoá, đất đai bị thay đổi mục đích sử dụng cho phù hợp với các nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng ở đô thị. Mặc dù hàng năm đều có các báo cáo về hiện trạng và tình hình biến động lớp phủ mặt đất nhưng các báo cáo này chủ yếu dựa trên các phương pháp truyền thống là đo vẽ, thành lập bản đồ, tính toán diện tích đất, đó là một công việc phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian. Hơn nữa, khi sử dụng các tài liệu thống kê và tài liệu bản đồ không phải bao giờ cũng có thể khai thác những thông tin hiện thời nhất vì sử dụng đất luôn biến động. Phương pháp viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) đang dần khắc phục được những nhược điểm này. Kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tượng ở các độ phân giải phổ và không gian từ trung bình đến siêu cao và chu kì chụp lặp lại từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh chóng lượng cũng như vị trí của thông tin biến động lớp phủ mặt đất và đặc biệt là xu hướng của biến động. Đối với các nhà 7
quản lý, thông tin ở tầm vĩ mô là rất cần thiết, vì vậy các kết quả quan sát biến động lớp phủ mặt đất từ viễn thám sẽ trợ giúp họ về mặt khoa học trong quản lý vĩ mô, quy hoạch sử dụng đất… Các kết quả phân loại từ viễn thám được tích hợp với các dữ liệu thống kê kinh tế xã hội trong môi trường GIS, thực hiện các chức năng phân tích không gian và tìm kiếm dữ liệu sẽ giúp ta đưa ra được những phân tích và nhận định về nguyên nhân, ảnh hưởng và xu hướng của biến động lớp phủ mặt đất. Chính vì vậy, phương pháp viễn thám và GIS đang và sẽ là một phương pháp quan trọng trong cấu trúc hệ thống quan trắc biến động lớp phủ mặt đất ở các vùng ven đô nói chung và khu vực Từ Liêm nói riêng. Trong khoá luận này, tác giả đưa ra đề tài “Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS” 2. Mục tiêu và nhiệm vụ a. Mục tiêu: Ứng dụng các phương pháp xử lý ảnh viễn thám đa thời gian theo dõi biến động lớp phủ mặt đất. So sánh 2 phương pháp phân loại để chọn ra phương pháp tối ưu cho việc thành lập các bản đồ biến động từ ảnh viễn thám. Đánh giá kết quả trên bản đồ biến động lớp phủ mặt đất của huyện Từ Liêm. b. Nhiệm vụ: Dựa trên mục tiêu đề ra, cần thực hiện các nhiệm vụ sau: Thu thập các tài liệu và các dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian có liên quan. 8
Nghiên cứu tổng quan phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất. Nghiên cứu cơ sở phản xạ của các đối tượng. Xử lý dữ liệu trong phòng kết hợp điều tra thực địa. Tiến hành phân loại ảnh theo 2 phương pháp: phương pháp phân loại thống kê và phương pháp phân loại hướng đối tượng. Giải thích kết quả, so sánh kết quả phân loại được với số liệu thống kê sử dụng đất huyện Từ Liêm và so sánh các phương pháp phân loại ảnh. Phân tích biến động lớp phủ mặt đất khu vực Từ Liêm và so sánh, đánh giá biến động qua 2 thời kỳ (2003 2008) 3. Cấu trúc đồ án Toàn bộ đồ án ngoài phần mở đầu và kết luận được trình bày trong 3 chương: CHƯƠNG 1: Cơ sở khoa học nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất CHƯƠNG 2: Khả năng khai thác thông tin viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất CHƯƠNG 3: Ứng dụng phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm 9
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 1.1 Khái niệm chung về lớp phủ mặt đất 1.1.1 Khái niệm Lớp phủ mặt đất là trạng thái vật chất của bề mặt trái đất, là sự kết hợp của nhiều thành phần như thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc và mặt nước chịu sự tác động của các nhân tố tự nhiên như nắng, gió, mưa bão và nhân tạo như khai thác đất để trồng trọt, xây dựng nhà cửa, công trình phục vụ cuộc sống của con người. Sự kết hợp này tạo ra lớp phủ mặt đất phong phú, đa dạng nhưng nhìn tổng thể lớp phủ mặt đất chia ra thành hai nhóm chính là mặt nước và mặt đất. Mặt nước gồm có nước lục địa như hệ thống sông, suối, kênh mương, hồ ao và nước đại dương biển phủ trùm phần lớn diện tích bề mặt trái đất. Phần diện tích ít hơn là mặt đất nhưng lại là nơi tập trung hầu hết những hoạt động của con người cũng như nhiều loài sinh vật khác trên trái đất và là nơi đang biến đổi từng ngày, từng giờ, những hoạt động đó đã tạo nên sự phong phú của loại hình lớp phủ mặt đất như thực phủ gồm cỏ, cây bụi, rừng, đất canh tác đang có cây sinh trưởng….; dân cư đô thị, nông thôn; mạng lưới giao thông; khu công nghiệp, thương mại và các đối tượng đất chuyên dùng khác; các vùng đất trống, đồi núi trọc, cồn cát, bãi cát… Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng của chúng lại có sự tương quan mật thiết. Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử dụng đất và các hoạt động kinh tế xã hội xảy ra trên mặt đất, những hoạt động này là sự tác động trực tiếp lên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụng đất cũng là đối tượng của lớp phủ mặt đất, ví dụ như đất đô thị và đất nông nghiệp. Một số loại hình sử dụng đất khác như công viên theo góc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ, rừng cây hay các công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ phân loại lớp phủ mặt đất hiện hành đều phải xét đến khía 10
cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hình lớp phủ nhân tạo có thực phủ. Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất (nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE) Trên thực tế mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớp phủ mặt đất đặc trưng và mỗi một đối tượng đều chịu sự tác động theo hai hướng của tự nhiên và con người với mức độ mạnh, yếu khác nhau. Sự tác động này đã làm cho lớp phủ mặt đất luôn biến đổi. Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngược lại cũng có những ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của con người, như diện tích rừng suy giảm đã gây ra lũ lụt ở một số nơi; sự gia tăng của các khu công nghiệp và các hoạt động nông nghiệp như tăng vụ lúa, nuôi trồng thuỷ sản không hợp lý là một trong những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu. Như vậy có thể nói lớp phủ mặt đất có quan hệ mật thiết với các hoạt động kinh tế xã hội, tài nguyên thiên nhiên và môi trường sống của con người. Do đó, để trái đất có thể phát triển bền vững là mục tiêu lớn đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia và mỗi châu lục. Trong những năm qua, trên thế giới đã xảy ra rất nhiều những hiện tượng làm ảnh hưởng lớn đến tài nguyên thiên nhiên và môi trường, như: Sa mạc hóa diễn ra với tốc độ nhanh hơn Diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp 11
Đất ngập nước đang bị mất dần Quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ rất cao Thiên tai như hạn hán, lũ lụt, động đất, sóng thần thường xuyên xảy ra tại nhiều khu vực trên thế giới. Ở nước ta trong những năm vừa qua, nhất là từ khi thực hiện chính sách đổi mới đã đạt được những thành tựu to lớn về phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên, tốc độ phát triển kinh tế quá cao đã dẫn tới việc khai thác tài nguyên thiên nhiên không có quy hoạch, mà hậu quả là sự suy giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên và suy thoái môi trường nghiêm trọng trên diện rộng. Rừng tự nhiên bị chặt phá bừa bãi để lấy gỗ, củi, khai thác khoáng sản, những diện tích rừng ngập mặn rất lớn bị chặt phá để nuôi tôm, nguồn nước bị ô nhiễm, thiên tai hạn hán, lũ lụt xảy ra thường xuyên. Trước tình hình đó, nhu cầu bức xúc đặt ra là phải có những thông tin chính xác, kịp thời về diễn biến lớp phủ mặt đất để phục vụ một cách hiệu quả cho công tác điều tra, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Các thông tin về lớp phủ mặt đất được thu thập bằng hai phương pháp cơ bản là khảo sát thực địa và phân tích tư liệu viễn thám. Khảo sát thực địa là phương pháp thu thập thông tin truyền thống thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian. Phân tích tư liệu viễn thám là phương pháp hiện đại, cho phép chiết tách các thông tin lớp phủ mặt đất một cách nhanh chóng, hiệu quả và ít tốn kém. 1.1.2 Phân loại lớp phủ mặt đất Để thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các thông tin lớp phủ mặt đất và đảm bảo tính thống nhất về nội dung thông tin, người ta đó xây dựng các hệ phân loại lớp phủ mặt đất. Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựa trên nguyên tắc sau: Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tượng bề mặt thành các nhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tượng như mặt nước, mặt 12
đất, lớp phủ thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo. Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm các loại ảnh vệ tinh như SPOT, LANDSAT, ảnh hàng không… Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đối tượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau. Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợp với việc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu cầu thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau. Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với điều kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực. Hệ phân loại FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land Cover Classification) vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa chi tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảo sát ngoại nghiệp. Hệ phân loại CORINE (Coordination of information on the environment) dựa vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của Mỹ và Châu Âu. Cụ thể là: * Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính: Cấp 1 (Level1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ thực vật của bề mặt đất. Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1 theo đặc điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất. Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2 theo tính chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất. Từ cấp 3 trở đi các đối 13
tượng được phân chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu và mức độ chi tiết của bản đồ cần thành lập. * Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp: Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của trái đất là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt, mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu. Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật. Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu. Ở nước ta trong những năm gần đây đã quan tâm đến việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất, nhưng chưa có một công trình nào chuyên nghiên cứu về hệ phân loại của bản đồ để đưa ra một hệ phân loại chung áp dụng cho cả nước như hệ phân loại của bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Các bản đồ lớp phủ mặt đất đã thành lập đều phục vụ một mục đích cụ thể hoặc chỉ là một lớp thông tin của lớp phủ mặt đất như lớp phủ rừng. Thông qua việc nghiên cứu, tham khảo các hệ phân loại “Lớp phủ mặt đất ”, đồng thời phân tích đặc điểm của các đối tượng trong vùng thử nghiệm kết hợp với khả năng thông tin của các tư liệu sử dụng, tác giả đã xây dựng hệ phân loại một số đối tượng lớp phủ mặt đất phục vụ nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được trình bày trong bảng dưới đây : Cấp 1 Cấp 2 Lớp phủ mặt nước 1. Hồ ao, sông suối, kênh mương Lớp phủ đất nông 2. Vùng chuyên canh lúa, lúa màu 3. Vùng chuyên canh rau màu, cây ngắn ngày khác nghiệp 4. Đất trồng cây lâu năm 5. Khu dân cư đô thị Lớp phủ dân cư 6. Khu dân cư nông thôn 14
Lớp phủ mặt đất 7. Đất chưa sử dụng khác Bảng 1.1 Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực huyện Từ Liêm 1.2 Khái niệm về biến động Cụm từ biến động được nhắc đến ở mọi nơi, mọi lúc ví như: biến động thị trường, biến động giá cả, biến động không gian, biến động dân số, biến động tâm lí… Như vậy, biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội. * Biến động về chất và về lượng Theo triết học duy vật biện chứng: Chất là tính quy định vốn có của các sự vật và hiện tượng, là sự thống nhất hữu cơ của các thuộc tính, các yếu tố cấu thành sự vật, nói lên sự vật đó là gì, phân biệt nó với các sự vật, hiện tượng khác. Lượng là tính quy định vốn có của sự vật hiện tượng về quy mô, trình độ phát triển, biểu thị con số các thuộc tính, các yếu tố cấu thành nó. Như vậy, những thay đổi đơn thuần về lượng đến một mức độ nhất định sẽ chuyển thành sự thay đổi khác nhau về chất. Chiều ngược lại, có nghĩa là khi chất mới ra đời, nó lại tạo ra một lượng mới phù hợp với nó để có một sự thống nhất mới giữa chất và lượng. Sự quy định này có thể được biểu hiện ở quy mô mức độ và nhịp độ phát triển mới của lượng. Từ đó ta thấy rằng: quy luật lượng chất là quy luật về sự tác động biện chứng giữa lượng và chất, những thay đổi về lượng chuyển thành những thay đổi về chất và ngược lại. Chất là mặt tương đối ổn định, lượng là mặt biến đổi mâu thuẫn với chất cũ, chất mới được hình thành với lượng mới. Nhưng lượng mới lại tiếp tục biến đổi, đến một mức độ nào đó lại phá vỡ chất cũ đang kìm hãm nó. Quá trình tác động lẫn nhau giữa hai mặt chất, lượng tạo nên một con đường vận động liên tục, từ biến đổi dần dần dẫn tới nhảy vọt, rồi lại biến đổi dần dần chuẩn bị cho những bước nhảy tiếp 15
theo, cứ thế làm cho sự vật không ngừng biến đổi, phát triển. * Biến động về diện tích đối tượng (biến động về số lượng) Giả sử cùng đối tượng A ở thời điểm T1 có diện tích S1, ở thời điểm T2 có diện tích là S2 (đối tượng A thu nhận được từ hai ảnh vệ tinh có thời điểm chụp khác nhau), như vậy ta nói rằng A bị biến đổi diện tích ở thời điểm T1 so với T2 (sự biến đổi này có thể bằng nhau, nhỏ hơn hoặc lớn hơn) nếu ta dùng kỹ thuật để chồng xếp hai lớp thông tin này thì phần diện tích của phần trùng nhau sẽ được gán giá trị cũ của đối tượng A, còn giá trị khác sẽ là giá trị của phần biến động. Giá trị biến động này là bao nhiêu, tăng hay giảm phụ thuộc vào thuật toán được sử dụng. * Biến động về bản chất đối tượng Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác nhau, diện tích A ở thời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2 (M1, M2 là các giá trị phổ), ta sử dụng thuật toán chồng ghép hai lớp thông tin tại hai thời điểm T1, T2 sẽ xuất hiện giá trị M khác M1, M2. Giả sử diện tích A không đổi ta nói rằng có sự thay đổi về chất của A, trên thực tế đây là sự thay đổi loại hình lớp phủ mặt đất. * Phân tích vector biến động Các đối tượng địa lý đơn giản hay phức tạp đều được qui thành 3 dạng: điểm (point), đường (line), vùng (polygon). Trong đó: điểm (point): thể hiện một phần tử dữ liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều. Phương pháp phân tích vector cho phép xác định và nghiên cứu xu thế biến động về chất của từng điểm trong không gian 2 hoặc n chiều. Biến động vùng đất được thể hiện qua hai hình thức chính sau: Biến động về diện tích: biến động về diện tích thể hiện qua các thời gian khác nhau. 16
Biến động về loại hình đất đai: biến động về hiện trạng lớp phủ mặt đất thể hiện qua hai thời điểm khác nhau. Từ các tư liệu ảnh, tiến hành so sánh để có thông tin về sự biến động của đất đai theo nguyên tắc phân tích vector. 1.3 Các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động Theo dõi biến động tài nguyên và môi trường đã trở thành một ứng dụng quan trọng được nghiên cứu nhiều trong kỹ thuật viễn thám. Với việc sử dụng vệ tinh quang học, có thể tóm tắt lại thành 4 phương pháp đánh giá biến động chính sau: * Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại Ảnh 1 Phân loại Đánh giá biến động Ảnh 2 Phân loại Hình 1.2 Phương pháp phân tích sau phân loại Việc tiến hành phân loại độc lập các ảnh viễn thám làm cho phương pháp này có độ chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép phân loại và đó thường là độ chính xác không cao, đặc biệt là chuỗi ảnh có số lượng lớn. Nhận xét về độ chính xác của phương pháp này, người ta đã đưa ra: Nếu độ chính xác của hai phép phân loại đạt lần lượt là 80% và 70%, độ chính xác của phần biến động nhận biết được sẽ đạt là 56%. Do vậy, cần phải hết sức thận trọng khi sử dụng mặc dù phải thừa nhận rằng đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện. * Phương pháp 2: Phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian 17
Ảnh 1 Đánh giá Phân loại biến động Ảnh 2 Hình 1.3 Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian Phương pháp này thực chất là ghép hai ảnh vào nhau tạo thành ảnh đa thời gian trước khi phân loại. Hai ảnh có n kênh phổ được chồng phủ lên nhau để tạo nên một ảnh có 2n kênh. Kết quả phân loại của ảnh chồng phủ gồm 2n kênh này là tập hợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi. Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là tuy chỉ phân loại một lần, một ảnh (đa thời gian) nhưng lại rất phức tạp trong lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu không biến động cũng như các mẫu biến động. Hơn nữa, ảnh hưởng của sự thay đổi theo thời gian (trong các mùa trong năm) và ảnh hưởng của khí quyển cũng không dễ được loại trừ và do đó ảnh hưởng tới độ chính xác của phương pháp. * Phương pháp 3: nhận biết thay đổi phổ Ảnh 1 Đánh giá Phân loại biến động Ảnh 2 Hình 1.4 Phương pháp nhận biết thay đổi phổ Về bản chất, nhóm phương pháp này sử dụng các kỹ thuật khác nhau để từ hai ảnh ban đầu tạo nên một kênh hay nhiều kênh ảnh mới thể hiện sự thay 18
đổi phổ. Sự khác biệt hoặc tương tự phổ giữa các pixel có thể được tính cho từng pixel hoặc tính trên toàn cảnh cùng với tính trên từng pixel. Vì thế, phương pháp này đòi hỏi nắn chỉnh hình học phải có sai số nhỏ hơn 1 pixel. Kết quả của việc so sánh là một ảnh chỉ rõ những khu vực có thay đổi và không thay đổi cũng như mức độ thay đổi (ảnh này được gọi là ảnh thay đổi). Khi ảnh này được tạo ra, để có thể phân định được rõ các pixel thay đổi cũng như mức độ thay đổi cần phải có một số bước xử lý tiếp theo, trong đó quan trọng nhất là kỹ thuật phân ngưỡng. Phân ngưỡng thực chất là việc định nghĩa mức độ mà tại đó chúng ta coi là sự thay đổi. Phương pháp xác định ngưỡng được sử dụng nhiều nhất là phân tích hàm phân bố của ảnh thay đổi. * Phương pháp 4: Kết hợp Ảnh 1 Phân loại Đánh giá Phân loại biến động Ảnh 2 Phân loại Hình 1.5 Phương pháp kết hợp Như đã thấy ở trên, nhóm các phương pháp nhận biết thay đổi phổ luôn cần các phân tích tiếp theo để nhận được các thông tin về sự thay đổi. Trong khi đó, các phương pháp nhận biết dựa trên phân loại lại là những phân tích thể hiện sự thay đổi. Vì vậy, để giảm sai số trong nhận biết biến động, việc kết hợp giữa hai phương pháp này có thể được tiến hành theo rất nhiều các phương pháp khác nhau. Ý tưởng chính của việc kết hợp này là sử dụng các phương pháp trong nhóm phương pháp nhận biết thay đổi phổ để chỉ ra các vùng có thay đổi và sau đó áp dụng phương pháp phân loại chỉ cho những vùng này để định danh sự thay 19
đổi đó. 1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô Hiện nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về biến động lớp phủ mặt đất với các góc nhìn khác nhau, có công trình tập trung vào phân tích nghiên cứu lý luận, có công trình tập trung vào các phương pháp tìm ra biến động và có những công trình kết hợp cả hai: kỹ thuật phát hiện biến động, đánh giá kết quả và bổ sung lý luận. Trong nhóm các công trình nghiên cứu, tác giả tập trung nghiên cứu, tìm hiểu các công trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô. Đề tài “Nghiên cứu biến động một số loại hình sử dụng đất vùng ven đô huyện Từ Liêm thành phố Hà Nội trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS” của tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng đã giải quyết những vấn đề như chiết xuất các thông tin về biến động sử dụng đất từ dữ liệu viễn thám đa phổ và đa thời gian thông qua một số phương pháp phân tích và xử lý ảnh số, tích hợp các kết quả phân tích dữ liệu viễn thám với các dữ liệu khác để đánh giá mối tương quan giữa biến động sử dụng đất và các hiện tượng kinh tế xã hội. Nhóm tác giả Nhữ Thị Xuân, Đinh Thị Bảo Hoa, Nguyễn Thị Thuý Hằng với bài báo “Đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội giai đoạn 1994 2003 trên cơ sở phương pháp viễn thám kết hợp GIS” đã phân tích, đánh giá biến động sử dụng đất khu vực Thanh Trì. Đây cũng là một trong những khu vực có sự ảnh hưởng lớn do quá trình đô thị hóa. Ngoài việc sử dụng các tư liệu viễn thám trong nghiên cứu biến động, tác giả Hoàng Thị Thanh Hương trong đề tài “Nghiên cứu biến động sử dụng đất quận Long Biên, thành phố Hà Nội trong quá trình đô thị hoá” đã kết hợp tư liệu viễn thám với khả năng phân tích không gian của hệ thông tin địa lý. Đề tài thử nghiệm phương pháp phân loại mới là phân loại theo đối tượng, phương pháp 20