Luận văn Thạc sĩ Kiểm soát và Bảo vệ môi trường: Ứng dụng GIS và viễn thám để đánh giá biến động thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm - Hội An, tỉnh Quảng Nam giai đoạn năm 1995 đến năm 2015

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là ứng dụng được ảnh viễn thám để lập bản đồ thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An. Ứng dụng được phần mềm viễn thám và GIS để đánh giá biến động thảm thực vật ở khu vực nghiên cứu. Đề xuất được một số giải pháp bảo tồn thảm thực vật.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kiểm soát và Bảo vệ môi trường: Ứng dụng GIS và viễn thám để đánh giá biến động thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm - Hội An, tỉnh Quảng Nam giai đoạn năm 1995 đến năm 2015

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả Lê Thị Thu Thảo PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Nông lâm Huế, Phòng Đào tạo sau Đại học, các thầy cô giáo Khoa Tài nguyên đất và Môi trường Nông nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Phạm Hữu Tỵ, người thầy tâm huyết đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian và định hướng, chỉ bảo tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban quản lý Khu bảo tồn biển Cù Lao Chàm, Phòng Tài nguyên và Môi trường thành phố Hội An, UBND thành phố Hội An đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình triển khai điều tra thu thập số liệu thực tế phục vụ cho nghiên cứu luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn ân tình đến gia đình, bạn bè và người thân của tôi đã động viên, truyền những nhiệt huyết để tôi hoàn thành luận văn. Tác giả Lê Thị Thu Thảo PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iii TÓM TẮT 1. Lý do chọn đề tài Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An được UNESCO công nhận là Khu dự trữ sinh quyển thế giới vào tháng 5 năm 2009. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang gây ra nhiều tác động có hại đến nguồn tài nguyên của nước ta, Cù Lao Chàm là một trong nhiều điểm nóng bị ảnh hưởng mạnh mẽ, làm môi trường sống của thảm thực vật nơi đây bị thay đổi ít nhiều. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ viễn thám vào công tác quản lý các nguồn tài nguyên làm tiền đề trong xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho vùng là cần thiết. Xuất phát từ tình hình thực tiễn nêu trên đã thúc đẩy việc nghiên cứu vấn đề: “Ứng dụng GIS và viễn thám để đánh giá biến động thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm - Hội An, tỉnh Quảng Nam giai đoạn năm 1995 đến năm 2015”. 2. Đối tượng nghiên cứu Đề tài tiến hành nghiên cứu ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm. Nghiên cứu tập trung vào hai đối tượng là đất rừng và dừa nước. Ngoài ra, đề tài còn lựa chọn các hộ gia đình, cá nhân có đất trồng dừa nước bị chuyển đổi sang loại hình khác để điều tra. 3. Phương pháp nghiên cứu 3.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp Thu thập các số liệu thống kê đất đai, các văn bản pháp lý và các công trình nghiên cứu có liên quan hoặc có nội dung tương tự với đề tài. 3.2. Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp Trong phương pháp thu thập số liệu sơ cấp, đề tài đã sử dụng các phương pháp như phương pháp điều tra trực tiếp các cán bộ chuyên môn; phương pháp thu thập dữ liệu ảnh viễn thám năm 1995, 2009, 2015 để giải đoán; phương pháp thu thập các loại bản đồ của khu vực nghiên cứu và phương pháp điều tra thực địa để phục vụ cho công tác chọn mẫu giải đoán ảnh và tiến hành đối chiếu với thực địa đánh giá độ chính xác của bản đồ. 3.3. Phương pháp viễn thám và GIS - Phương pháp viễn thám: sử dụng phần mềm ENVI 4.7 để nắn ảnh, cắt ảnh theo ranh giới khu vực nghiên cứu, giải đoán, đánh giá độ chính xác kết quả giải đoán và xử lý ảnh sau khi giải đoán. - Phương pháp GIS: sử dụng phần mềm ArcGIS 10.2.2 để biên tập, chồng ghép bản đồ và thống kê diện tích biến động. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iv 3.4. Phương pháp xử lý số liệu Đề tài sử dụng phần mềm Excel và ArcGIS 10.2.2 để tính toán, lập bảng biểu, sơ đồ mô hình hóa số liệu. 4. Kết quả nghiên cứu Từ các ảnh viễn thám Landsat năm 1995, 2009 và 2015 ở Khu sinh quyển, xây dựng được bản đồ hiện trạng và chồng xếp chúng thành bản đồ biến động bằng phần mềm ArcGIS, sử dụng phương pháp phân tích biến động để thống kê được diện tích biến động và đưa ra nguyên nhân biến động. Sau đó đề xuất các giải pháp nhằm bảo tồn thảm thực vật ở Khu sinh quyển. Trên cơ sở đánh giá biến động đất rừng và dừa nước bằng phương pháp phân tích của GIS và viễn thám, đề tài đã xác định được diện tích và các nguyên nhân ảnh hưởng đến biến động thảm thực vật ở Khu sinh quyển: + Giai đoạn năm 1995 – 2009, diện tích dừa nước giảm 53,53 ha vì bị chuyển đổi sang các loại hình sử dụng đất khác, chủ yếu là đất mặt nước. Diện tích rừng giảm 87,47 ha hầu như là rừng phòng hộ khu vực ven biển thành phố Hội An. + Giai đoạn năm 2009 – 2015, diện tích dừa nước tăng 4,74 ha do nhận thức của người dân về tầm quan trọng của dừa nước và chính phủ có các chương trình, dự án khôi phục và bảo vệ dừa nước. Diện tích rừng trong giai đoạn này vẫn giảm 107,97 ha, do đến cuối năm 2014 ở xã Tân Hiệp triển khai dự án xây dựng đường quanh đảo phục vụ cho mục đích an ninh, quốc phòng. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii TÓM TẮT .................................................................................................................... iii MỤC LỤC ......................................................................................................................v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vii DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết ...............................................................................................................1 2. Mục đích của đề tài......................................................................................................2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................................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 hệ thống thông tin địa lý (GIS) .......................................................3 1.1.2. Tổng quan về công nghệ viễn thám .......................................................................6 1.1.3. Tích hợp GIS và viễn thám..................................................................................15 1.1.4. Giới thiệu phần mềm viễn thám ENVI ................................................................15 1.1.5. Giới thiệu phần mềm ArcGIS ..............................................................................17 1.1.6. Tổng quan về Khu dự trữ sinh quyển thế giới .....................................................20 1.2. CƠ SỞ THỰC TIỄN CỦA CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................21 1.2.1. Tình hình ứng dụng viễn thám và công nghệ GIS để đánh giá biến động đất đai trên thế giới ....................................................................................................................21 1.2.2. Các ứng dụng trong quản lý tài nguyên ở Việt Nam ...........................................22 1.3. NHỮNG CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN.................................23 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................................................................25 2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................25 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..........................................................................................25 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................25 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................25 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................................25 2.3.1. Phương pháp điều tra, thu thập số liệu ................................................................25 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vi 2.3.2. Phương pháp viễn thám và GIS ...........................................................................26 2.3.3. Phương pháp xử lý, phân tích số liệu ..................................................................28 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................29 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG KHU DỰ TRỮ SINH QUYỂN CÙ LAO CHÀM - HỘI AN 29 3.1.1. Vài nét về Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An ................................29 3.1.2. Điều kiện tự nhiên ...............................................................................................30 3.1.3. Đặc điểm kinh tế - xã hội ....................................................................................36 3.2. HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT ............................................................................42 3.2.1. Hiện trạng đất nông nghiệp ...............................................................................43 3.2.2. Hiện trạng đất phi nông nghiệp .........................................................................43 3.2.3. Hiện trạng đất chưa sử dụng ..............................................................................44 3.3. KẾT QUẢ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG VÀ BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG THẢM THỰC VẬT ......................................................................................................45 3.3.1. Hiện trạng nguồn dữ liệu và tổ hợp màu giải đoán .............................................45 3.3.2. Nắn ảnh ................................................................................................................45 3.3.3. Cắt ảnh .................................................................................................................46 3.3.4. Phân loại ảnh .......................................................................................................46 3.3.5. Ứng dụng GIS thành lập bản đồ hiện trạng thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An ......................................................................................53 3.4. ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG MỘT SỐ LOÀI THỰC VẬT TRONG VÙNG NGHIÊN CỨU ..............................................................................................................60 3.4.1. Thành lập bản đồ biến động thảm thực vật giai đoạn 1995 – 2009 và 2009 – 2015 ..60 3.4.2. Đánh giá biến động một số loài thực vật bằng công nghệ GIS ...........................63 3.5. CÁC GIẢI PHÁP BẢO TỒN THẢM THỰC VẬT Ở KHU DỰ TRỮ SINH QUYỂN CÙ LAO CHÀM - HỘI AN ...........................................................................67 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................69 4.1. Kết luận...................................................................................................................69 4.2. Kiến nghị ................................................................................................................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................71 PHỤ LỤC .....................................................................................................................73 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BQL : Ban quản lý ENVI : The ENVIronment for Visualizing Images ERTS : Earth Resources Technology Satellite GIS : Geographical Information Systems HRV : High Resolution Visible imaging system HTSDĐ : Hiện trạng sử dụng đất KDTSQ : Khu dự trữ sinh quyển OLI : Operational Land Imager TIRS : Thermal Infrared Sensor UBND : Ủy ban nhân dân UNESCO : United Nations Educational Scientific and Cultural Organization PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Đặc điểm của giải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám ..................9 Bảng 1.2. Các thế hệ vệ tinh Landsat ............................................................................10 Bảng 1.3. Đặc trưng chính các bộ cảm của vệ tinh Landsat .........................................11 Bảng 1.4. Các thông số của ảnh vệ tinh SPOT ..............................................................12 Bảng 1.5. Các thông số của ảnh vệ tinh IKONOS1 ......................................................13 Bảng 3.1. Hiện trạng và cơ cấu sử dụng đất TP. Hội An năm 2014 .............................42 Bảng 3.2. Hiện trạng nguồn dữ liệu, thông tin .............................................................45 Bảng 3.3. Khóa mẫu giải đoán ảnh Landsat ..................................................................47 Bảng 3.4. Thống kê diện tích giải đoán năm 1995 .......................................................57 Bảng 3.5. Thống kê diện tích giải đoán năm 2009 .......................................................57 Bảng 3.6. Thống kê diện tích giải đoán năm 2015 .......................................................58 Bảng 3.7. So sánh diện tích giải đoán năm 2015 và thống kê năm 2015 ......................58 Bảng 3.8. Ma trận biến động thảm thực vật giai đoạn 1995 - 2009 ..............................63 Bảng 3.9. Ma trận biến động thảm thực vật giai đoạn 2009 - 2015 ..............................65 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Mô hình công nghệ GIS ..................................................................................4 Hình 1.2. Các thành phần của GIS ..................................................................................5 Hình 1.3. Giao diện thanh Menu chính của phần mềm ENVI 4.7 ................................16 Hình 1.4. Các thành phần của ArcGIS Desktop ............................................................18 Hình 1.5. Các loại đối tượng trong Shape file ...............................................................18 Hình 1.6. Cấu trúc của Geodatabase .............................................................................19 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình xây dựng bản đồ hiện trạng thảm thực vật ..........................28 Hình 3.1. Sơ đồ phân vùng Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm ..............................30 Hình 3.2. Sơ đồ hành chính thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam.................................31 Hình 3.3. Biểu đồ cơ cấu sử dụng đất TP. Hội An năm 2014 .......................................43 Hình 3.4. Hộp thoại danh sách các điểm khống chế .....................................................46 Hình 3.5. Ảnh vệ tinh của Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An .................46 Hình 3.6. Bảng so sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại ảnh năm 2015 .............48 Hình 3.7. Bảng so sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại ảnh năm 2009 .............49 Hình 3.8. Bảng so sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại ảnh năm 1995 .............49 Hình 3.9. Kết quả ảnh năm 1995 sau khi phân loại và phân tích đa số .........................51 Hình 3.10. Kết quả ảnh năm 2009 sau khi phân loại và phân tích đa số .......................51 Hình 3.11. Kết quả ảnh năm 2015 sau khi phân loại và phân tích đa số.......................51 Hình 3.12. Ma trận sai số kết quả ảnh năm 2015 ..........................................................52 Hình 3.13. Ma trận sai số kết quả ảnh năm 2009 ..........................................................52 Hình 3.14. Ma trận sai số kết quả ảnh năm 1995 ..........................................................52 Hình 3.15. Sơ đồ hiện trạng thảm thực vật KDTSQ năm 1995 ....................................54 Hình 3.16. Sơ đồ hiện trạng thảm thực vật KDTSQ năm 2009 ....................................55 Hình 3.17. Sơ đồ hiện trạng thảm thực vật KDTSQ năm 2015 ....................................56 Hình 3.18. Sơ đồ biến động thảm thực vật KDTSQ giai đoạn 1995 – 2009.................61 Hình 3.19. Sơ đồ biến động thảm thực vật KDTSQ giai đoạn 2009 - 2015 .................62 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Với xu thế phát triển du lịch sinh thái trên thế giới, trong những năm gần đây du lịch sinh thái ở Việt Nam đã và đang phát triển với một số loại hình phù hợp. Hiện nay, Việt Nam có một số khu bảo tồn sinh thái đã được thế giới công nhận. Trong đó, vùng duyên hải miền trung có thành phố Hội An với khu bảo tồn Cù Lao Chàm được UNESCO công nhận là khu dự trữ sinh quyển thế giới. Năm 2009, Hội An đã chính thức công bố tầm nhìn phấn đấu trở thành thành phố sinh thái vào năm 2030. Để thực hiện chiến lược thành phố sinh thái, Hội An đã và đang triển khai hơn 40 dự án khác nhau. Một trong những chương trình hướng đến xây dựng tính thích ứng cho thành phố Hội An là xây dựng và phát triển Khu bảo tồn biển Cù Lao Chàm, cũng như Khu dự trữ sinh quyển thế giới Cù Lao Chàm – Hội An. Thành lập Khu bảo tồn biển Cù Lao Chàm và Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An với mục đích xây dựng khả năng thích ứng lâu dài với biến đổi khí hậu và hiện tượng thời tiết cực đoan, bảo tồn và quản lý bền vững tài nguyên thiên nhiên gia tăng khả năng chịu đựng của môi trường với những thảm họa thiên nhiên cũng như giảm thiểu những rủi ro của con người. Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển mạnh. Công nghệ viễn thám là một trong những thành tựu khoa học vũ trụ, tuy mới phát triển nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ biến rộng rãi ở các nước phát triển. Công nghệ viễn thám đã trở thành phương tiện chủ đạo cho công tác điều tra nghiên cứu, khai thác, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở từng cấp độ, trong nước, trong khu vực hay trong phạm vi toàn cầu. Kết hợp với tư liệu ảnh viễn thám với những ưu việt là tính cập nhật và đồng bộ về thông tin, tính khái quát hóa tự nhiên các đối tượng và khả năng phủ trùm rộng, cùng với sự phát triển mạnh về hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographical Information Systems) có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, thể hiện dữ liệu địa lý phục vụ các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất là công cụ hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý đất đai. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang gây ra nhiều tác động có hại đến nguồn tài nguyên của nước ta, Cù Lao Chàm là một trong nhiều điểm nóng bị ảnh hưởng bởi nước biển dâng đã làm môi trường sống của thảm thực vật nơi đây bị thay đổi ít nhiều. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ viễn thám vào công tác quản lý các nguồn tài nguyên làm tiền đề trong xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho vùng là cần thiết. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
2 Xuất phát từ tình hình thực tiễn nêu trên đã thúc đẩy việc nghiên cứu vấn đề: “Ứng dụng GIS và viễn thám để đánh giá biến động thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An, tỉnh Quảng Nam giai đoạn năm 1995 đến năm 2015”. 2. Mục đích của đề tài a. Mục đích chung Xây dựng được bản đồ biến động thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An. b. Mục tiêu cụ thể - Ứng dụng được ảnh viễn thám để lập bản đồ thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An. - Ứng dụng được phần mềm viễn thám và GIS để đánh giá biến động thảm thực vật ở khu vực nghiên cứu. - Đề xuất được một số giải pháp bảo tồn thảm thực vật. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học Góp phần bổ sung và phát triển phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong theo dõi và đánh giá sự biến động thảm thực vật ở Khu dự trữ sinh quyển Cù Lao Chàm – Hội An. b. Ý nghĩa thực tiễn Cung cấp cho các nhà quản lý Khu sinh quyển những công cụ quản lý và giám sát thảm thực vật ở đây, chăm sóc và bảo tồn chúng nhằm mục đích phát triển bền vững loại hình du lịch sinh thái và bảo vệ môi trường. 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 hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1.1.1.1. Định nghĩa về GIS Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống bao gồm phần cứng, các thiết bị ngoại vi, phần mềm với một cơ sở dữ liệu đủ lớn và một đội ngũ chuyên gia có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị, phân tích và biểu diễn về các đối tượng, hiện tượng, sự kiện theo không gian và thời gian phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất GIS giải quyết được các vấn đề thực tiễn nhằm trả lời các câu hỏi: - Cái gì đang tồn tại ở đâu? - Cái gì biến đổi như thế nào theo không gian và thời gian? - Ở đâu thực hiện được tốt nhất (phù hợp nhất) với mục đích đề ra? - Cái gì sẽ xảy ra nếu những hành động nào đó được thực hiện? [7] [5]. Xuất phát từ ứng dụng: GIS là một hộp công cụ mạnh được dùng để lưu trữ và truy vấn tùy ý, biến đổi và hiển thị không gian từ thế giới thực cho những mục tiêu đặc biệt (Burrough, 1986). Xuất phát từ quan điểm hệ thống thông tin: GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với dữ liệu có tham chiếu tọa độ địa lý. Nói cách khác, GIS là hệ thống gồm hệ cơ sở dữ liệu với những dữ liệu có tham chiếu không gian và một tập hợp những thuật toán để làm việc trên dữ liệu đó (Star and Estes, 1990). Một đặc điểm quan trọng của GIS là dữ liệu không gian (Spatial data) được lưu trữ dưới dạng một cấu trúc nhất định được gọi là cơ sở dữ liệu không gian. Cấu trúc dữ liệu sẽ quyết định cách thức lưu trữ, truy cập và thao tác xử lý thông tin. Một hệ thống GIS sử dụng hiệu quả các dữ liệu không gian bao gồm các quy trình sau đây: - Thu thập, quy nạp và hiệu chỉnh các dữ liệu không gian đầu vào. - Lưu trữ và truy xuất dữ liệu. - Thao tác và phân tích dữ liệu. - Đưa ra kết quả và xây dựng báo cáo [8]. * Quy trình công nghệ của một hệ thống GIS Công nghệ GIS là quá trình vào ra số liệu, được cụ thể hoá trong mô hình sau: PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
4 Quản Xử Phân tích Số Số lý số và mô liệu lý số liệu liệu hình hóa liệu ra vào Môi trường GIS CSDL GIS Hình 1.1. Mô hình công nghệ GIS [27] − Số liệu vào: Số liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi, số hoá, quét, viễn thám, ảnh, hệ thống định vị toàn cầu GPS (global position system) và toán điện tử (total station). − Quản lý số liệu: Sau khi số liệu được thu thập, tổng hợp, GIS cần cung cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu. Việc quản lý dữ liệu có hiệu quả phải đảm bảo: Bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì số liệu. - Xử lý số liệu: Các thao tác xử lý số liệu được thực hiện để tạo ra thông tin. Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm gì tiếp theo: xử lý số liệu, tạo ảnh, báo cáo, bản đồ. - Phân tích và mô hình hoá: Số liệu tổng hợp và chuyển đổi là một phần của GIS, những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định tính thông tin đã thu thập. Khả năng phân tích thông tin không gian để có được sự nhận thức có khả năng sử dụng những quan hệ đã biết để mô hình hoá đặc tính địa lý đầu ra của một tập hợp các điều kiện. - Số liệu ra: Thông tin có thể được biểu thị khi nó được xử lý bằng GIS, các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp bằng các bản đồ và ảnh ba chiều. Thông tin có thể quan sát trên màn hình máy tính, được vẽ ra như các giấy, nhận được như một ảnh địa hình, hoặc tạo ra file dữ liệu. Liên hệ trực quan là một trong những phương diện của công nghệ GIS được tăng cường bởi sự biến đổi ngược lại của các điều kiện đầu ra [27]. * Các thành phần của GIS: Hệ thống GIS có 5 thành phần chính bao gồm: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, phương pháp và con nguời. Năm thành phần này phải cân bằng, hoàn chỉnh dể GIS hoạt dộng có hiệu quả. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
5 Phần mềm CSDL Phần cứng GIS Chuyên viên Phương pháp Hình 1.2. Các thành phần của GIS [27] 1.1.1.2. Cơ sở dữ liệu của GIS Có 2 dạng cơ sở dữ liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS a. Cơ sở dữ liệu không gian (Spatial database) Cơ sở dữ liệu không gian là loại dữ liệu mô tả tính chất địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất hay trong lòng đất như: Kích thước, vị trí, hình dạng, diện tích của đối tượng…hay một không gian nhất định. Dữ liệu không gian bao gồm: dạng Vectơ, Raster và TIN. Chủ yếu sử dụng ở 2 dạng chính là Vectơ và Raster. + Dữ liệu Vectơ trình bày ở 3 dạng: Dạng điểm (point), dạng đường (line) và dạng vùng (polygon) có liên quan đến số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. + Dữ liệu Raster trình bày lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị thuộc tính. Ví dụ: ảnh vệ tinh và bản đồ được quét (scanned map) [2]. b. Cơ sở dữ liệu thuộc tính (Attribute database) Cơ sở dữ liệu thuộc tính là cơ sở dữ liệu được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc số, hoặc ký hiệu để mô tả, phản ánh các tính chất thuộc tính mà không nhất thiết phải mang nặng về tính địa lý. Ví dụ: Các thông tin về địa điểm, người sở hữu [2]. c. Quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính Đây là một ưu điểm nổi trội khác của công nghệ GIS mà các phần mềm đồ hoạ khác không có đó là sự liên kết chặt chẽ giữa dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
6 Các đối tượng trên bản đồ luôn có các thông tin thuộc tính đi kèm chúng không thể tách rời nhau được. Dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính được liên kết xử lý đồng thời thông qua các chỉ số ID ( yếu tố để nhận dạng ra các đối tượng) được lưu giữ và quản lý chung cho các loại bản ghi nói trên. Các thông tin thuộc tính mang thông tin chứa đựng bên trong của các đối tượng bản đồ, bạn có thể truy cập, tìm kiếm thông tin cần thiết thông qua hai loại dữ liệu này [2]. 1.1.2. Tổng quan về công nghệ viễn thám 1.1.2.1. Công nghệ viễn thám a. Khái niệm Viễn thám (Remote sensing) được hiểu là một khoa học và nghê thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thiện hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám – hay hiểu đơn giản: Viễn thám là tham dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó [13]. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất". Dưới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau: Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó. Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm... (D. A. Land Grete, 1978). Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher, 1976). Viễn thám là quan sát về một đối tuợng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976). b. Các thành phần trong hệ thống viễn thám - Nguồn năng lượng Dùng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
7 - Những tia phát xạ và khí quyển Năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng sẽ phải tương tác với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó khi năng lượng đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm. - Sự tương tác với đối tượng Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển. - Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng. - Sự truyền tải thu nhận và xử lý Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận - xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này chính là dữ liệu thô. - Giải đoán và phân tích ảnh Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng được. Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào. Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh. - Ứng dụng Đây là thành phần cuối cùng của quá trình viễn thám. Sử dụng các sản phẩm thu được từ ảnh để tìm hiểu, khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có... nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể [3]. c. Nguyên lý cơ bản của viễn thám Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phương tiện mang các bộ cảm biến được gọi là vật mang (máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh…). PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
8 Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận. Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường… [13]. Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lí ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần cơ bản như sau: - Nguồn cung cấp năng lượng. - Sự tương tác của năng lượng với khí quyển. - Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất. - Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh. - Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lí. Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể. Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận được. Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là tương tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có buớc sóng khác nhau. Ðối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do mặt trời và sự có mặt cũng như thay đổi các phân tử nước và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sự biến đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như ôxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơi nước… và các phân tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưởng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ trong quá trình lan truyền. Ðể hiểu rõ cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, Bảng 1.1 thể hiện đặc điểm của dải phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám [13]. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
9 Bảng 1.1. Đặc điểm của giải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám [13] Dải phổ Bước sóng Đặc điểm điện từ Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao (tầng ôzôn), không thể thu nhận năng lượng do dải sóng Tia cực tím 0,3 ÷ 0,4μm này cung cấp nhưng hiện tượng này lại bảo vệ con người tránh tác động của tia cực tím. Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng lượng phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5μm trong khí Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,76μm quyển. Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò trong viễn thám. Cận hồng Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng ngoại 0,77÷1,34μm cận hồng ngoại từ 0,77 ÷ 0,9μm. Sử dụng trong chụp Hồng ngoại 1,55 ÷ 2,4μm ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55 trung ÷ 2,4μm Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh,dải sóng này Hồng ngoại giữ vai trò trong phát hiện cháy rừng và hoạt động 3 ÷ 22μm nhiệt núi lửa. Bức xạ nhiệt của trái đất của năng lượng cao nhất tại bước sóng 10μm Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các bước Vô tuyến sóng lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận năng lượng cả 1mm ÷ 30cm (rada) ngày lẫn đêm, không bị ảnh hưởng của mây, sương mù hay mưa. d. Nguyên tắc xử lý ảnh viễn thám. Viễn thám nghiên cứu vật thể bằng giải đoán, tách lọc thông tin từ ảnh hàng không hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh. Ảnh vệ tinh thực chất là sản phẩm phản ảnh năng lượng bức xạ, còn ảnh Radar là sóng phản hồi phát ra từ vật thể khi khảo sát. Năng lượng phổ dưới sóng điện từ nằm trên các giải phổ khác nhau cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán vật thể một cách chính xác hơn. Nếu biết trước được phổ phát xạ hay bức xạ của vật thể trong phòng thí nghiệm bằng các máy đo phổ ghi nhận các đường cong thể hiện cường độ của ánh sáng bức xạ hoặc phản xạ bởi vật thể, ta có thể giải đoán vật thể bằng cách phân tích đường cong phổ thu được từ ảnh vệ tinh. Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý ảnh số được thực hiện. Có thể kể ra đây các phần mềm như: ENVI, Erdas, Pci, Mutispecw32, Ermaper, Dragon,.... Việc giải đoán về các vật thể trên trái đất cần phải xem xét trên khía cạnh viễm thám, cần phải được thực hiện trên các quan niệm của các cách tiếp cận khác nhau là: PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
10 - Đa phổ. - Đa nguồn. - Đa thời gian. - Đa phổ phân giải. - Đa phương pháp. + Xử lý ảnh bằng mắt. + Xử lý ảnh bằng số [3]. 1.1.2.2. Giới thiệu một số loại ảnh viễn thám * Ảnh vệ tinh Landsat Là vệ tinh được phóng để phục vụ chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên trái đất ERTS (ERTS - Earth Resources Technology Satellite: Vệ tinh kỹ thuật thăm dò tài nguyên trái đất) do tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia Mỹ (NASA) tiến hành. Vệ tinh ERTS-1 được phóng vào ngày 23/6/1972. Sau đó NASA đổi tên ERTS- 1 thành Landsat 1. Vệ tinh Landsat bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng. Từ đó đến nay, NASA đã phóng được 8 vệ tinh trong hệ thống Landsat [13]. Bảng 1.2. Các thế hệ vệ tinh Landsat [13] Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Bộ cảm Landsat1 23/6/1972 6/1/1978 MSS Landsat2 22/1/1975 25/2/1982 MSS Landsat3 05/3/1978 31/3/1983 MSS Landsat4 16/7/1982 15/6/2001 TM, MSS Landsat5 01/3/1984 Đang hoạt động TM, MSS Landsat6 05/3/1993 Bị hỏng ngay khi phóng ETM Landsat7 15/4/1999 Đang hoạt động ETM+ Landsat8 12/2/2013 Đang hoạt động OLI&TIRs Trên vệ tinh Landsat bộ cảm có ý nghĩa quan trọng nhất và được sử dụng nhiều nhất là TM. Vệ tinh Landsat TM, ETM bay ở độ cao 705 km, mỗi cảnh TM có độ phủ là 185x170 (km), chu kỳ lặp là 16 ngày. Với vệ tinh Landsat 8 mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI - Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
11 ngoại nhiệt (TIRS - Thermal Infrared Sensor). Những bộ cảm này được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cao hơn so với các bộ cảm Landsat trước. So với Landsat7, vệ tinh Landsat8 có cùng độ rộng dải chụp, cùng độ phân giải ảnh và chu kỳ lặp lại. Tuy nhiên, bộ cảm OLI thu nhận thêm dữ liệu ở 2 dải phổ mới nhằm phục vụ quan sát mây ti và quan sát chất lượng nước ở các hồ và đại dương nước nông ven biển. Bộ cảm TIRs thu nhận dữ liệu ở 2 dải phổ hồng ngoại nhiệt, phục vụ theo dõi tiêu thụ nước, đặc biệt ở những vùng khô cằn thuộc miền tây nước Mỹ [13]. Bảng 1.3. Đặc trưng chính các bộ cảm của vệ tinh Landsat [13] Bước sóng Độ phân giải Loại bộ cảm Kênh Loại (μm) không gian TM Kênh 1 0,45 ÷ 0,52 Chàm 30 m Thematic Kênh 2 0,52 ÷ 0,60 Lục đỏ 30 m Mapper Kênh 3 0,63 ÷ 0,69 Đỏ 30 m (Landsat-1-5) Kênh 4 0,76 ÷ 0,90 Cận hồng ngoại 30 m Kênh 5 1,55 ÷ 1,75 Hồng ngoại trung 30 m Kênh 6 10,4 ÷ 12,5 Hồng ngoại nhiệt 120 m Kênh 7 2,08 ÷ 2,35 Hồng ngoại trung 30 m MSS Kênh 4 0,5 ÷ 0,6 Lục 80 m Multi Spectral Kênh 5 0,6 ÷ 0,7 Đỏ 80 m Scanner Kênh 6 0,7 ÷ 0,8 Cận hồng ngoại 80 m (Landsat-1-5) Kênh 7 0,8 ÷ 1,1 Cận hồng ngoại 80 m ETM+ Kênh 1 0,45 ÷ 0,52 Chàm 30 m Kênh 2 0,53 ÷ 0,61 Lục đỏ 30 m Kênh 3 0,63 ÷ 0,69 Đỏ 30 m Kênh 4 0,75 ÷ 0,90 Cận hồng ngoại 30 m Kênh 5 1,55 ÷ 1,75 Hồng ngoại trung 30 m Kênh 6 10,4 ÷ 12,5 Hồng ngoại nhiệt 60 m Kênh 7 2,09 ÷ 2,35 Hồng ngoại trung 30 m Kênh8 0,52 ÷ 0,9 Lục đến cận hồng ngoại 15 m (Pan) OLI&TIRs Kênh 1 0.433 - 0,453 Coastal aerosol Kênh 2 0,450 - 0,515 Chàm Kênh 3 0,525 - 0,600 Lục Kênh 4 0,630 - 0,680 Đỏ Kênh 5 0,845 - 0,885 Near Infrared (NIR) Kênh 6 1,560 - 1,660 SWIR 1 Kênh 7 2,100 - 2,300 SWIR 2 Kênh 8 0,500 - 0,680 Panchromatic Kệnh 9 1,360 - 1,390 Cirrus Kênh 10 10,3 - 11,3 Thermal Infrared (TIR) 1 Kênh 11 11,5 - 12,5 Thermal Infrared (TIR) 2 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma