Luận văn Thạc sĩ Khoa học nông nghiệp: Nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám MODIS TERRA/AQUA để theo dõi và quản lý mùa vụ trồng lúa tại tỉnh Thừa Thiên Huế

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là nghiên cứu sử ảnh Viễn thám MODIS TERRA/AQUA để theo dõi tiến độ xuống giống và thu hoạch lúa phục vụ cho quản lý điều hành mùa vụ của ngành nông nghiệp tỉnh Thừa Thiên Huế. 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 nông nghiệp: Nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám MODIS TERRA/AQUA để theo dõi và quản lý mùa vụ trồng lúa tại tỉnh Thừa Thiên Huế

i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa học và đề tài nghiên cứu tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình, quý báu của quý Thầy, Cô trong Ban Giám hiệu Nhà trường, Khoa Tài nguyên đất và Môi trường Nông nghiệp, Phòng Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Nông lâm Huế. Xin gửi tới quý Thầy, Cô lòng biết ơn chân thành và tình cảm quý mến nhất. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS. Huỳnh Văn Chương, người hướng dẫn khoa học, Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thừa Thiên Huế, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Thừa Thiên Huế, Trung tâm kỹ thuật địa chính tỉnh Thừa Thiên Huế, đã giúp đỡ tận tình, tạo điều kiện để tôi hoàn thiện đề tài này. Tôi xin cảm ơn tới gia đình, những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã góp ý, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Thừa Thiên Huế, ngày 25 tháng 6 năm 2015 Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Thanh PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các số liệu trong vùng nghiên cứu của luận văn là trung thực, đầy đủ và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này và tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Thanh PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................................................... 1 I. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................................................................... 1 II. Mục tiêu chung của đề tài .................................................................................................................................... 1 III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................................................... 1 IV. Những điểm mới của đề tài ............................................................................................................................... 2 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................................................... 3 1.1. Cơ sở lý luận của các vấn đề nghiên cứu....................................................................................................... 3 1.1.1. Tổng quan về viễn thám................................................................................................................................. 3 1.1.1.1. Định nghĩa về viễn thám............................................................................................................................. 3 1.1.1.2. Ưu điểm của công nghệ viễn thám .......................................................................................................... 3 1.1.1.3. Giới thiệu khái quát về ảnh vệ tinh MODIS .......................................................................................... 4 1.1.1.4. Giới thiệu về phần mềm xử lý ảnh ENVI .............................................................................................. 9 1.1.1.5. Tổng quan về phần mềm ENVI.............................................................................................................10 1.1.1.6. Các chức năng cơ bản của phần mềm ENVI ......................................................................................10 1.1.2. Khái niệm và phân loại đất trồng lúa.........................................................................................................17 1.1.2.1. Khái niệm đất trồng lúa.............................................................................................................................17 1.1.2.2. Phân loại đất trồng lúa ...............................................................................................................................17 1.1.2.3. Các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa ...................................................................................................18 1.2. Cơ sở thực tiễn của các vấn đề nghiên cứu .................................................................................................23 1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài .....................................................................................................................23 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước .........................................................................................................................26 1.3. Các công trình liên quan đến đề tài ...............................................................................................................27 Chương 2. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................................30 2.1. Mục tiêu cụ thể ..................................................................................................................................................30 2.2. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu......................................................................................................................30 2.3. Nội dung nghiên cứu và các kết quả đạt được ...........................................................................................30 2.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................................................30 2.4.1. Phương pháp thống kê..................................................................................................................................30 2.4.2. Phương pháp chuyên gia, chuyên khảo ...................................................................................................31 2.4.3. Phương pháp thu thập thông tin, số liệu ...................................................................................................31 2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu ...........................................................................................................................31 2.4.5. Phương pháp xử lý ảnh bằng công nghệ số.............................................................................................31 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iv Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN........................................................................34 3.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên – kinh tế xã hội tỉnh Thừa Thiên Huế .....................................................34 3.1.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên .......................................................................................................................34 3.1.2. Đặc điểm kinh tế, xã hội...............................................................................................................................40 3.1.3. Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội. .........................................................................41 3.2. Tình hình sử dụng đất trồng lúa trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế ......................................................42 3.2.1. Tình hình chung .............................................................................................................................................42 3.2.2. Kết quả sản xuất lúa năm 2013 ..................................................................................................................43 3.2.3. Công tác chỉ đạo.............................................................................................................................................43 3.2.4. Lịch thời vụ gieo cấy các giống lúa trong vụ Hè thu 2014 và Đông Xuân 2014 - 2015 trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế ...............................................................................................................................47 3.3. Kết quả thực hiện quy trình phân tích ảnh viễn thám MODIS TERRA/AQUA .............48 3.3.1. Mở ảnh trên phần mềm ENVI ...................................................................................................................48 3.3.2. Cắt ảnh..............................................................................................................................................................51 3.3.3. Nắn chỉnh ảnh.................................................................................................................................................51 3.3.4. Che ảnh ............................................................................................................................................................51 3.3.5. Chuyển ảnh về hệ tọa độ UTM WGS 84................................................................................................52 3.3.6. Phân loại chỉ số NDVI trên phần mềm ENVI 4.7.................................................................................53 3.3.7. Chuyển dữ liệu từ định dạng raster sang vector......................................................................................56 3.3.8. Biên tập bản đồ ảnh vệ tinh trên ENVI – Quick Map...........................................................................58 3.3.9. Mở ảnh viễn thám trên phần mềm Arc Map ..........................................................................................58 3.4. Xác định mối quan hệ giữa NDVI với sự phát triển của cây lúa ...........................................................60 3.4.1. Tạo chuỗi NDVI đa thời gian .....................................................................................................................60 3.4.2. Kết quả tính toán chỉ số NDVI tương ứng với sự phát triển của cây lúa ..........................................63 3.5. Kết quả theo dõi diễn biến công tác xuống giống và thu hoạch cây lúa...............................................68 3.5.1. Kết quả theo dõi tiến độ xuống giống cây lúa vụ Hè Thu 2014 và vụ Đông xuân 2015...68 3.5.2. Kết quả theo dõi tiến độ thu hoạch cây lúa vụ Hè Thu 2014 và vụ Đông xuân 2015............71 3.6. Những ưu điểm và tồn tại của ứng dụng .....................................................................................................73 2.6.1. Ưu điểm ...........................................................................................................................................................73 3.6.2. Nhược điểm ....................................................................................................................................................74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................................................................75 Kết luận .......................................................................................................................................................................75 Kiến nghị.....................................................................................................................................................................75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................................77 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU – CÁC CHỮ VIẾT TẮT BDKH Biến đổi khí hậu CHDCND Cộng hòa dân chủ nhân dân DVI Difference Vegetation Index DN Doanh nghiệp DT Doanh thu ENVI Environment for Visualizing Imaged GIS Geographic Information System HTX Hợp tác xã IDL Interactive Data Language KH Kế hoạch LAI Leaf Area Index NDVI Normal Different Vegetation Index RVI Ratio Vegetation Index SAVI Soil Adjusted Vegetation Index TSAVI Transformed Soil Adjusted Vegetation Index VCI Vegetation condition index PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của vệ tinh MODIS ........................................................................................5 Bảng 1.2. Các ứng dụng của các band phổ của ảnh MODIS...........................................................................5 Bảng 1.3. Các phương pháp tính toán chỉ số thực vật [11] ............................................................................... 8 Bảng 2.1. Công thức tính chỉ số khác biệt thực vật [11] ..................................................................................33 Bảng 3.1. Hiện trạng sử dụng một số loại đất nông nghiệp năm 2010 ........................................................38 Bảng 3.2. Hiện trạng sử dụng một số loại đất phi nông nghiệp năm 2010 [6] ...........................................39 Bảng 3.3. Kết quả sản xuất lúa năm 2013 trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế............................................43 Bảng 3.4. Thời vụ gieo cấy các giống lúa vụ Hè thu 2014 [13].....................................................................47 Bảng 3.5. Thời vụ gieo cấy các giống lúa vụ Đông xuân 2014 – 2015 [14] ..............................................47 Bảng 3.6. Các kênh phổ của đầu đo MODIS được sử dụng trong việc tính toán chỉ số NDVI ............48 Bảng 3.7. Chỉ số NDVI của các ảnh trong hai vụ hè thu 2014 và đông xuân 2015 tỉnh Thừa Thiên Huế ...............................................................................................................................................................................62 Bảng 3.8. Kết quả khảo sát thực địa và giám sát chỉ số thực vật NDVI vụ Hè thu 2014 ........................63 Bảng 3.9. Kết quả khảo sát thực địa và giám sát chỉ số thực vật NDVI vụ Đông xuân 2015 ................64 Bảng 3.10. Tiêu chuẩn để phân loại sử dụng đất...............................................................................................66 Bảng 3.11. Chỉ số thực vật NDVI tương ứng với sự phát triển của cây lúa................................................67 Bảng 3.12. Kết quả giải đoán diện tích xuống giống lúa (ha) các huyện, thành phố thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế ngày 17/05/2014 ..................................................................................................................................70 Bảng 3.13. Kết quả giải đoán diện tích xuống giống lúa (ha) các huyện, thành phố thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế ngày 09/01/2015 ..................................................................................................................................70 Bảng 3.14. Kết quả giải đoán diện tích thu hoạch lúa (ha) các huyện, thành phố thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế ngày 21/08/2014 ..............................................................................................................................................73 Bảng 3.15. Kết quả giải đoán diện tích thu hoạch lúa (ha) các huyện, thành phố thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế ngày 17/05/2015 ..............................................................................................................................................73 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô phỏng chỉ số NDVI ......................................................................................9 Hình 1.3. Các kiểu sinh trưởng khác nhau của cây lúa ....................................................19 Hình 1.4. Sự tích lũy carbohydrate trong các bộ phận khác nhau qua các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa ...........................................................................................21 Hình 1.5. Sự phát triển của hạt lúa qua các giai đoạn sau khi trổ ....................................21 Hình 1.6. So sánh 3 giai đoạn sinh trưởng của cây lúa có thời gian sinh trưởng khác nhau ..........................................................................................................................22 Hình 1.7. Biến động chỉ số NDVI qua các năm đồng bằng sông Hồng...........................28 Hình 1.8. Biến động chỉ số NDVI qua các năm đồng bằng Sông Cửu Long...................29 Hình 3.1. Sơ đồ vị trí địa lý tỉnh Thừa Thiên Huế ...........................................................34 Hình 3.2. Biểu đồ cơ cấu sử dụng đất tỉnh thừa thiên Huế năm 2010 .............................38 Hình 3.3. Cách hiển thị ảnh MODIS bằng phần mềm ENVI và các thông tin ảnh .........49 Hình 3.4. Ảnh EVI trên phần mềm ENVI 4.7 ..................................................................49 Hình 3.5. Ảnh NDVI mở trên phần mềm ENVI 4.7 ........................................................50 Hình 3.6. Ảnh tổ hợp màu theo thứ tự các band NIR-Blue-Red mở trên phần mềm ENVI 4.7 .....................................................................................................................50 Hình 3.7. Ảnh MODIS khu vực Thừa Thiên Huế trước và sau khi cắt. ..........................51 Hình 3.8. Khu vực tỉnh Thừa Thiên Huế sau khi cắt ảnh.................................................52 Hình 3.9. Hộp thoại Convert Map Projection Parameter .................................................53 Hình 3.10. Ảnh Modis tỉnh Thừa Thiên Huế trước và sau khi chuyển đổi hệ tọa độ ........53 Hình 3.11. Phân loại chỉ số NDVI thành các lớp ...............................................................54 Hình 3.12. Bản đồ thể hiện chỉ số thực vật ngày 17/05/2014 ............................................54 Hình 3.13. Bản đồ thể hiện chỉ số thực vật ngày ngày 21/8/2014 .....................................55 Hình 3.14. Bản đồ thể hiện chỉ số thực vật ngày ngày 09/01/2015 ...................................55 Hình 3.15. Bản đồ thể hiện chỉ số thực vật ngày ngày 17/05/2015 ...................................56 Hình 3.16. Chuyển đổi dữ liệu từ định dạng raster sang vector .........................................57 Hình 3.17. Các hộp thoại trong bước chuyển đổi định dạng dữ liệu .................................57 Hình 3.18. Các lựa chọn trình bày bản đồ ..........................................................................58 Hình 3.19. Hộp thoại cài đặt hệ tọa độ ...............................................................................59 Hình 3.20. Cách tạo chuỗi ảnh NDVI đa thời gian ............................................................60 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
viii Hình 3.21. Kết quả tạo chuỗi ảnh NDVI ............................................................................61 Hình 3.22. Ảnh tổ hợp tháng 5 được cắt theo vùng đất trồng lúa và load theo thứ tự band 1, 2, 3 trong ENVI ............................................................................................61 Hình 3.23. Bản đồ các điểm khảo sát thực địa ...................................................................65 Hình 3.24. Chỉ số biến động NDIV qua từng ảnh của điểm khảo sát ................................66 Hình 3.25. Sự phát của cây lúa qua các tháng trong vụ Hè Thu năm 2014 và vụ Đông Xuân 2014 - 2015 .............................................................................................67 Hình 3.26. Bản đồ thể hiện diện tích xuống giống tỉnh Thừa Thiên Huế vụ lúa Hè Thu 2014 ngày 17/05/2015 ......................................................................................68 Hình 3.27. Bản đồ thể hiện diện tích xuống giống tỉnh Thừa Thiên Huế vụ lúa Đông Xuân 2014 – 2015 ngày 09/01/2015 ..........................................................................69 Hình 3.28. Bản đồ thể hiện diện tích thu hoạch tỉnh Thừa Thiên Huế vụ lúa Hè Thu 2014 ngày 21/08/2014 ...............................................................................................71 Hình 3.29. Bản đồ thể hiện diện tích thu hoạch tỉnh Thừa Thiên Huế vụ lúa Đông Xuân 2014 – 2015 ngày 17/05/2015 ..........................................................................72 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
1 MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam từ trước đến nay vẫn là một nước nông nghiệp. Nông nghiệp, nông thôn, nông dân Việt Nam đã, đang có một vị trí quan trọng trong nền kinh tế của đất nước. Từ một nền kinh tế nông nghiệp tập trung mang nặng tính bao cấp chuyển sang nền kinh tế thị trường, nước ta đang phải đối mặt với hàng loạt các vấn đề kinh tế, xã hội, cũng như môi trường. Để đạt được mục tiêu phát triển bền vững, Việt Nam cần phải nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp, trong đó có sản xuất lúa, từ cơ sở đó nâng cao thu nhập cho người dân. [16] Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và công nghệ viễn thám nói riêng đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành và nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt, ảnh viễn thám MODIS là ảnh được cung cấp từ cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ (NASA). Ảnh có độ phủ rộng và độ phân giải thời gian cao đã và đang được nghiên cứu ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Thừa Thiên Huế với tổng diện tích canh tác hơn 27000 ha [20], là một trong những tỉnh có vựa lúa lớn của miền Trung Việt Nam. Do đó việc sản xuất lúa của tỉnh có ảnh hưởng lớn đến việc sản xuất hàng hóa cũng như xuất khẩu của địa phương nói riêng và cả nước nói chung. Cho đến nay, công tác điều tra thống kê và thành lập bản đồ hiện trạng cũng như theo dõi tiến độ xuống giống và thu hoạch chủ yếu vẫn dựa trên công tác điều tra, khảo sát thực địa, báo cáo. Điều này không đảm bảo độ chính xác và đòi hỏi tốn nhiều thời gian, kinh phí, cũng như không đáp ứng kịp thời nhu cầu để đưa ra quyết định, hoạch định chính sách không đánh giá được hiện trạng thay đổi, cơ cấu mùa vụ và sản lượng lương thực được sản xuất. Xuất phát từ vấn đề trên, được sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS.TS Huỳnh Văn Chương, tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám MODIS TERRA/AQUA để theo dõi và quản lý mùa vụ trồng lúa tại tỉnh Thừa Thiên Huế.” II. Mục tiêu chung của đề tài Nghiên cứu sử ảnh Viễn thám MODIS TERRA/AQUA để theo dõi tiến độ xuống giống và thu hoạch lúa phục vụ cho quản lý điều hành mùa vụ của ngành nông nghiệp tỉnh Thừa Thiên Huế. III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1) Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần cung cấp cơ sở khoa học và lý luận về việc quản lý, sử dụng ảnh viễn thám trong quản lý theo dõi xuống giống và thu hoạch lúa. Từ đó là tài liệu tham khảo để đề ra các chủ trương, chính sách và các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả việc khai thác các công nghệ vệ tinh. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
2 2) Ý nghĩa thực tiễn: Tạo ra công cụ theo dõi, giám sát giúp cho các nhà quản lý có thể đưa ra các quyết định, kế hoạch tại tỉnh Thừa Thiên Huế. IV. Những điểm mới của đề tài Đề tài là nghiên cứu đầu tiên về ứng dụng viễn thám và GIS vào việc quản lý xuống giống, thu hoạch lúa trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
3 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Cơ sở lý luận của các vấn đề nghiên cứu 1.1.1. Tổng quan về viễn thám Kỹ thuật viễn thám, một trong những thành tựu kỹ thuật vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội, đặc biệt có hiệu quả cao trong ứng dụng đối với lĩnh vực nông lâm nghiệp ở nhiều nước trên thế giới, không những đối với các nước phát triển có trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến mà còn đối với các nước đang phát triển nền kinh tế hay còn lạc hậu. Bộ Tài nguyên và Môi trường đã lắp đặt trạm thu vệ tinh Quốc gia, áp dụng công nghệ viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ hiện trạng và theo dõi mùa vụ ở Việt Nam là công việc rất cần thiết. 1.1.1.1. Định nghĩa về viễn thám Theo Võ Quang Minh (2010), viễn thám (Remote Sensing) được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin về các đối tượng, sự thu thập và phân tích này được thực hiện từ một khoảng cách không gian không có sự tiếp xúc trực tiếp đến các vật thể. Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để điều tra và đo đạc đặc tính của đối tượng. Máy bay và vệ tinh là những vật mang chủ yếu cho quan trắc trong viễn thám. [11] 1.1.1.2. Ưu điểm của công nghệ viễn thám Công nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát triển nhưng đã nhanh chóng áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các nước phát triển. Công nghệ phát triển đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu. Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, và đây là lý do dẫn đến tính phổ cập của công nghệ này. Công nghệ viễn thám có những ưu việt cơ bản sau: Độ phủ trùm không gian của tư liệu bao gồm các thông tin tài nguyên, môi trường trên diện tích lớn của trái đất gồm cả những khu vực rất khó đến được như rừng nguyên sinh, đầm lầy và hải đảo. Có khả năng giám sát sự biến đổi của tài nguyên, môi trường trái đất do chu kỳ quan trắc lặp và liên tục trên cùng một đối tượng trái đất của các máy thu viễn thám. Khả năng này cho phép công nghệ viễn thám ghi lại được các biến đổi của tài nguyên, môi trường giúp công tác giám sát, kiểm kê tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng (ghi nhận đối tượng), nhờ khả năng này mà tư liệu viễn thám được ứng dụng cho nhiều mục đích, trong đó có nghiên cứu về khí hậu, nhiệt độ của Trái đất. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
4 Cung cấp nhanh các tư liệu ảnh số có độ phân giải cao và siêu cao, là dữ liệu cơ bản cho việc thành lập và hiệu chỉnh hệ thống bản đồ quốc gia và hệ thống cơ sở dữ liệu địa lý quốc gia. Với những ưu điểm trên, công nghệ viễn thám đã đang trở thành công nghệ chủ đạo cho quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường nước ta hiện nay. [11] 1.1.1.3. Giới thiệu khái quát về ảnh vệ tinh MODIS Bộ cảm MODIS (Moderate Resolution Spectroradiometer) đặt trên vệ tinh Terra và Aqua (gọi tắt là vệ tinh MODIS). Vệ tinh Terra được phóng vào quỹ đạo tháng 12 năm 1999 và vệ tinh Aqua được phóng vào tháng 5 năm 2002 với mục đích quan trắc, theo dõi các thông tin về mặt đất, đại dương và khí quyển trên phạm vi toàn cầu. Các ứng dụng tiêu biểu có thể kể đến là nghiên cứu khí quyển, mây, thời tiết, lớp phủ thực vật, biến động về nông nghiệp và lâm nghiệp…Trong khoảng thời gian một ngày đêm, các đầu đo của các vệ tinh này sẽ quét gần hết Trái đất trừ một số giải hẹp ở vùng xích đạo. Trong mỗi phiên thu ta sẽ thu được dữ liệu tại 36 băng phổ (nếu phiên thu được thực hiện vào ban ngày) hoặc tại các băng từ 20 đến 36 là các băng hồng ngoại nhiệt (nếu phiên thu được thực hiện vào ban đêm). Theo thiết kế, các dữ liệu MODIS được sử dụng để nghiên cứu các biến động toàn cầu cũng như các hiện tượng xảy ra trên mặt đất, trong lòng đại dương và ở tầng thấp của khí quyển. Các dữ liệu MODIS cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng các mô hình tương tác đúng đắn cho các hiện tượng xảy ra trên toàn bộ Trái đất. Các mô hình này có thể được sử dụng để dự báo trước những biến động môi trường. [24] Các thông số kỹ thuật của vệ tinh MODIS: MODIS là một đầu đo bức xạ có độ bay cao (12 bit) tại 36 kênh phổ, việc sử dụng dữ liệu sóng nằm trong khoảng từ 0,4 µm đến 14,4 µm là tùy thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Các kênh phổ này có độ phân giải không gian khác nhau: 2 kênh có độ phân giải 250 m, 5 kênh có độ phân giải 500 m, 29 kênh còn lại có độ phân giải 1000 m. Với góc chụp là 550 và độ cao quỹ đạo của Vệ tinh Terra là 705 km, độ rộng của dải quét là 2330 km. Chính điều này cho phép dữ liệu MODIS phủ kín toàn bộ Trái đất chỉ trong thời gian một đến hai ngày. Đầu đo MODIS giúp các nhà khoa học quan trắc Trái đất như một thể thống nhất. Các dữ liệu quan trắc này cho phép chúng ta dự báo những biến động trong tương lai và phân biệt các ảnh hưởng của các tác nhân tự nhiên và các tác nhân của các hoạt động của con người tới môi trường. Từ đó, chúng ta có thể xây dựng nên mô hình động lực học toàn cầu của Trái đất bao gồm các mô hình của khí quyển, đại dương, lục địa, đồng thời tiên đoán trước những sự thay đổi của các đối tượng này trước khi những thay đổi này xảy ra. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
5 Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của vệ tinh MODIS Độ cao vĩ đạo 705 km Vĩ đạo Đồng bộ mặt trời Thời gian qua xích đạo 10:30 a.m hoặc 1:30 p.m Tốc độ quét 20.3 rpm Độ phủ 2330 km Kích thước 1.0 x 1.6 x 1.0 m Trọng lượng 228.7 kg Độ phân giải bức xạ 12 bits Độ phân giải không gian 250 m (kênh 1 – 2) 500 m (kênh 3 – 7) 1000 m (kênh 8 – 6) Chu kỳ lặp 1 -2 ngày (Nguồn: MODIS web) Bảng 1.2. Các ứng dụng của các band phổ của ảnh MODIS Độ Kênh Khoảng phổ phân Các ứng dụng điển hình giải 1 0,620 – 0,670 0,25 km Các loại mây và các đối tượng bao phủ bề mặt Trái đất 2 0,841 – 0,876 0,25 km Các loại mây và các đối tượng bao phủ bề mặt Trái đất 3 0,459 – 0,479 0,5 km Các loại mây và các đối tượng bao phủ bề mặt Trái đất 4 0,545 – 0,565 0,5 km Các loại mây và các đối tượng bao phủ bề mặt Trái đất 5 1,230 – 1,250 0,5 km Các loại mây và các đối tượng bao phủ bề mặt Trái đất 6 1,628 – 1,652 0,5 km Các loại mây và các đối tượng bao phủ bề mặt Trái đất PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
6 7 2,105 – 2,155 0,5 km Các loại mây và các đối tượng bao phủ bề mặt Trái đất 8 0,405 – 0,402 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 9 0,438 – 0,448 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 10 0,483 – 0,493 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 11 0,526 – 0,536 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 12 0,546 – 0,556 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 13 0,662 – 0,672 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 14 0,673 – 0,683 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 15 0,743 – 0,753 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 16 0,863 – 0,877 1 km Màu sắc thực vật phù du và sinh địa hóa của đại dương 17 0,890 – 0,920 1 km Hơi nước trong khí quyển 18 0,931 – 0,941 1 km Hơi nước trong khí quyển 19 0,915 – 0,965 1 km Hơi nước trong khí quyển 20 3,66 – 3,84 1 km Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao phủ trái đất 21 3,929 – 3,989 1 km Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao phủ trái đất 22 3,929 – 3,989 1 km Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao phủ trái đất 23 4,02 – 4,08 1 km Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao phủ trái đất 24 4,433 – 4,498 1 km Nhiệt độ của khí quyển 25 4,482 – 4,549 1 km Nhiệt độ của khí quyển 26 1,36 – 1,39 1 km Mây ti (Cirrus cloud) 27 6,535 – 6,895 1 km Hơi nước 28 7,175 – 7,475 1 km Hơi nước PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
7 29 8,400 – 8,700 1 km Hơi nước 30 9,580 – 9,880 1 km Tầng Ozone 31 10,78 – 11,28 1 km Nhiệt độ của mây, đối tượng bao phủ trái đất 32 11,77 – 12,27 1 km Nhiệt độ của mây và các đối tượng bao phủ trái đất 33 13,18 – 13,48 1 km Nhiệt độ đỉnh của đám mây 34 13,48 – 13,78 1 km Nhiệt độ đỉnh của đám mây 35 13,78 – 14,08 1 km Nhiệt độ đỉnh của đám mây 36 14,08 – 14,38 1 km Nhiệt độ đỉnh của đám mây (Nguồn: Modis web) Chỉ số thực vật và phương pháp tính: Nguyễn Ngọc Thạch (2005), chỉ số thực vật là thông tin tiêu biểu cho việc nghiên cứu lượng chlorophyl (diệp lục tố). Tính chất phổ biến của thực vật có đặc điểm khác biệt với các đối tượng khác là có sự phản xạ mạnh ở dải Green (0,5 – 0,6 µm). Do đó, có sự khác biệt lớn về độ sáng giữa các band gần hồng ngoại và band Green. Đặc điểm đó được gọi là tính chất xanh lá cây (Greeness) của đối tượng. Như vật giữa độ sáng (Brightness) và độ xanh (Greeness) có sự khác biệt lớn nhất về giá trị DN. Thông thường tổng độ sáng của các band cao hay thấp liên quan đến các loại đất khác nhau. Để hình dung rõ được ý nghĩa sự khác biệt đó, người ta tạo ra chỉ số thực vật (Normal Different Vegetation Index). [15] Bất kỳ vật thể nào trên bề mặt đất và khí quyển đều có tác dụng điện từ. Đồng thời bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không tuyệt đối (k = -274,160) đều liên tục phát ra sóng điện từ (nhiệt bức xạ). Do thành phần cấu tạo của các vật thể trên bề mặt trái đất và các thành phần vật chất trong bầu khí quyển là khác nhau nên sự hấp thu hoặc phát xạ các sóng điện từ cũng khác nhau. Dựa trên tính chất vật lý này ta có thể xác định được các đặc trưng quang phổ khác nhau của bề mặt trái đất và khí quyển bằng các dữ liệu viễn thám. Một trong những đặc trưng quang phổ quan trọng nhất của viễn thám là quang phổ thực vật, quang phổ phát xạ và phản xạ Albedo. Từ những đặc trưng này ta có thể tính toán được các chỉ số thực vật, làm cơ sở cho việc phân loại, đánh giá trạng thái và biến động của lớp phủ về mặt. Theo Dương Văn Khảm (2007), các chỉ số thực vật được phân tách từ các băng nhìn thấy, cận hồng ngoại, hồng ngoại và dải đỏ là các tham số trung gian mà từ đó có PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
8 thể thấy được các đặc tính khác nhau của thảm thực vật như: Sinh khối, chỉ số diện tích lá, khả năng quang hợp các sản phẩm sinh khối theo mùa. Những đặc tính đó có liên quan và phụ thuộc rất nhiều vào thực vật bao phủ và thời tiết, đặc tính sinh lý, sinh hóa và sâu bệnh… [8] Bảng 1.3. Các phương pháp tính toán chỉ số thực vật [11] Chỉ số Công thức Người phát triển NDVI (The Normalized NIR − RED Diffrence Vegetation Index NDIV = NIR + RED Rouse và cộng sự (1973) – Chỉ số thực vật khác biệt) RVI (The Ratio Vegetation NIR RVI = Jordan (1969) Index – Chỉ số tỉ lệ thực vật) RED SAVI (The Soil Adjusted Vegetation Index – Chỉ số NIR − RED SAVI = (1 + L) Huete (1988) đất có điều chỉnh bởi thực NIR + RED+ L vật) TSAVI (Transformed Soil Adjusted Vegetation Index a(NIR – aRED − b) TSAVI = Baret và cộng sự (1989) – Chỉ số chuyển đổi có điều (aNIR + RED – ab) chỉnh bởi thực vật) SAVI (The Soil Adjustef Vegetation Index – Chỉ số NIR SAVI = Major và cộng sự (1990) đất có điều chỉnh bởi thực RED+ b⁄a vật) PVI (Perpendicular NIR – aRED – b + 2a Richarson và Wiegand Vegetation Index – Chỉ số PVI = √1 +a2 (1977) thực vật vuông góc) DVI (Difference Vegetation Index – Chỉ số DVI = NIR - RED Turker (1979) điều chỉnh thực vật) Chỉ số khác biệt thực vật (Normalized difference vegetation index NDVI): Có nhiều chỉ số thực vật khác nhau, nhưng chỉ số khác biệt thực vật (NDVI) được trung bình hóa một chuỗi số liệu theo thời gian sẽ là công cụ cơ bản để giám sát sự thay PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
9 đổi trạng thái lớp phủ thực vật, trên cơ sở đó biết được tác động của thời tiết, khí hậu đến sinh quyển. Trong đó IR, R là phổ phản xạ của kênh cận hồng ngoại và kênh đỏ. Từ các giá trị định lượng của NDVI ta có thể xác định được trạng thái sinh trưởng và phát triển của thực vật nói chung và cây trồng nói riêng. Ví dụ: Ở hình 1.1 là mô phổ chỉ số thực vật NDVI, rõ ràng nếu cây xanh tốt (NDVI = 0,72) lớn hơn rất nhiều so với cây bị úa vàng (NDVI = 0,14). Như vậy từ giá trị định lượng của NDVI có thể xác định trạng thái sinh trưởng và phát triển của thực vật nói chung và cây trồng nói riêng. [8] 0,5 − 0,8 0,4 − 0,3 = 0,72 = 0,14 0,5 + 0,8 0,4 + 0,3 Hình 1.1. Mô phỏng chỉ số NDVI [8] 1.1.1.4. Giới thiệu về phần mềm xử lý ảnh ENVI ENVI “The Environment for Visualizing Imaged” là một phần mềm chuyên nghiệp và có rất nhiều chức năng xử lý ảnh viễn thám, được viết bằng ngôn ngữ IDL (Interactive Data Language). IDL là ngôn ngữ lập trình cấu trúc mạnh được dùng cho việc xử lý ảnh tổng hợp để đáp ứng nhu cầu xử lý ảnh máy bay, ảnh vệ tinh và đáp ứng đầy đủ nhu cầu cho việc ứng dụng viễn thám trong môi trường thân thiện và sáng tạo. Hiện nay, ENVI được sử dụng phổ biến trong công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường vì ENVI là một phần mềm được thiết kế tốt để đáp ứng cho các nhu cầu xử lý ảnh và cung cấp các công cụ cho việc hiển thị dữ liệu và phân tích ảnh ở các kích thước và các loại ảnh khác nhau trong một môi trường thân thiện với người sử dụng. Các ưu điểm của ENVI được thể hiện ở cách tiếp cận trong công tác xử lý ảnh, đó là việc kết hợp các kỹ thuật dựa trên kênh phổ và kỹ thuật dựa trên tập tin. Khi dữ liệu được mở, các kênh phổ được lưu vào danh sách chờ xử lý của chương trình, hoặc khi các tập tin được PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
10 mở, các kênh phổ của các tập tin được xử lý như một nhóm. ENVI có tất cả các chức năng xử lý ảnh cơ bản, trong chế độ tương tác với người sử dụng về đồ họa. Đặc biệt trong khi xử lý, ENVI không có giới hạn về kênh phổ được xử lý đồng thời do vậy các dữ liệu ảnh siêu phổ cũng có thể được xử lý và phân tích bằng ENVI. Hiện nay, ENVI phiên bản mới có nhiều cải tiến hơn so với những phiên bản trước, có thêm nhiều chức năng và đặc biệt là tốc độ đọc và xử lý dữ liệu nhanh hơn nhiều so với phiên bản trước. [15] 1.1.1.5. Tổng quan về phần mềm ENVI Phần mềm ENVI là một phần mềm xử lý giải đoán ảnh viễn thám rất mạnh, với các đặc điểm chính như sau: Hiển thị, phân tích ảnh với nhiều kiểu dữ liệu và kích cỡ ảnh khác nhau. Môi trường giao diện thân thiện. Cho phép làm việc với từng kênh phổ riêng lẻ hoặc toàn bộ ảnh. Khi một file ảnh được mở, mỗi kênh phổ của ảnh đó có thể được thao tác với tất cả các chức năng hiện có của hệ thống. Với nhiều file ảnh được mở, ta có thể dễ dàng lựa chọn các kênh từ các file ảnh để xử lý cùng nhau. ENVI có các công cụ chiết tách phổ, sử dụng thư viện phổ, và các chức năng chuyên cho phân tích ảnh phân giải phổ cao. Phần mềm ENVI được viết trên ngôn ngữ IDL (Interactive Data Language). Đây là ngôn ngữ lập trình cấu trúc, cung cấp khả năng tích hợp giữa xử lý ảnh và khả năng hiển thị với giao diện đồ họa dễ sử dụng. ENVI có nhiều phiên bản như 3.2, 3.5, 3.6, 4.0, 4.2, 4.3, 4.5, 4.7. Mỗi phiên bản được cải tiến và nâng cấp cho một hoặc một số modul. Dễ dàng mở rộng và tùy biến các ứng dụng. Ngoài ra, người dùng có thể sử dụng ENVI trên các môi trường khác nhau như Windows, Macintosh, Linux hay Unix. Sản phẩm ảnh sau khi xử lý có thể xuất ra nhiều phần mềm biên tập bản đồ khác nhau như Mapinfo, Autocad, Microstation, Acrview… 1.1.1.6. Các chức năng cơ bản của phần mềm ENVI ENVI được phát triển bởi các chuyên gia hàng đầu về hiển thị và xử lý ảnh. Đồng thời, ENVI cũng được xây dựng trên nền tảng mở nên cho phép người dùng trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác. ENVI 4.5 có 12 modul với các chức năng cơ bản của từng modul như sau: PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
11 a. Modul File Mở ảnh Thông tin về ảnh Tạo ảnh kiểm tra, xem cấu trúc dữ liệu ảnh Lưu ảnh ở nhiều định dạng Làm việc với ngôn ngữ IDL Kiểm tra, xác lập thư mục chứa dữ liệu ENVI Chọn lựa các thay đổi và thoát khỏi chương trình PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
12 b. Modul Basic tool Thay đổi kích thước pixel Cắt ảnh Xoay ảnh Chép các kênh ảnh Chuyển đổi cách lưu trữ. Nới rộng dữ liệu Xoay ảnh Thống kê, phát hiện thay đổi của các lớp Đo khoảng cách, diện tích Tăng cường khả năng xử lý ảnh Tạo ảnh phân đoạn từ ảnh phân loại Các chức năng tự tạo vùng mẫu Khảm Cắt ảnh theo khu vực nghiên cứu Thông tin ảnh c. Modul Classification Phân loại có chọn mẫu Phân loại không chọn mẫu Phân loại theo cây quyết định Xử lý sau phân loại PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma