Luận văn thạc sĩ Nông nghiệp: Ứng dụng công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2004-2009 trên địa bàn huyện Buôn Đôn tỉnh Đắk Lắk

Chia sẻ: Trang Lê | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

250
lượt xem 88
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu đề tài: thành lập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2004 và năm 2009 bằng công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám và GIS, xây dựng được bản đồ biến động đồng thời xác định được số liệu biến động sử dụng đất giai đoạn 2004-2009 ở huyện Buôn Đôn trên cở sở bản đồ hiện trạng sử dụng đất xây dựng được.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ Nông nghiệp: Ứng dụng công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2004-2009 trên địa bàn huyện Buôn Đôn tỉnh Đắk Lắk

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI -------------------o0o------------------ ®ç tiÕn thuÊn ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT GIAI ĐOẠN 2004-2009 TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN BUÔN ĐÔN, TỈNH ĐẮK LẮK LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI -------------------o0o------------------ ®ç tiÕn thuÊn ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT GIAI ĐOẠN 2004-2009 TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN BUÔN ĐÔN, TỈNH ĐẮK LẮK LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Mã số : 60.62.16 Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. NguyÔn kh¾c Thêi HÀ NỘI - 2010
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam ñoan ñây là kết quả nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ trong quá trình thực hiện luận văn ñã ñược cám ơn, các thông tin trích dẫn ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2010 Tác giả luận văn Đỗ Tiến Thuấn i
LỜI CẢM ƠN §Ó hoµn thµnh ®−îc b¶n luËn v¨n nµy, t«i ®· nhËn ®−îc sù gióp ®ì tËn t×nh cña PGS.TS. NguyÔn Kh¾c Thêi – Phã chñ nhiÖm khoa Tµi nguyªn vµ M«i tr−êng, sù quan t©m t¹o ®iÒu kiÖn cña Phßng Tµi nguyªn vµ M«i tr−êng huyÖn Bu«n §«n, ViÖn ®µo t¹o sau ®¹i häc, Ban chñ nhiÖm Khoa Tµi nguyªn vµ M«i tr−êng, tr−êng §¹i häc N«ng nghiÖp Hµ Néi ®· t¹o ®iÒu kiÖn cho t«i häc tËp vµ gióp ®ì t«i trong suèt thêi gian thùc hiÖn ®Ò tµi. T«i xin göi tíi gia ®×nh, b¹n bÌ, nh÷ng ng−êi th©n vµ ®ång nghiÖp n¬i t«i ®ang c«ng t¸c ®· gióp ®ì, ®éng viªn t«i trong suèt qu¸ tr×nh häc tËp vµ thùc hiÖn ®Ò tµi. Tù ®¸y lßng m×nh, t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù gióp ®ì tËn t×nh vµ quý b¸u ®ã! Hµ Néi, ngµy 12 th¸ng 12 n¨m 2010 T¸c gi¶ §ç TiÕn ThuÊn ii
MỤC LỤC Trang PHẦN 1. MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................... 1 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2 1.3 YÊU CẦU .......................................................................................................... 3 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................................................................. 3 1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN........................................................... 3 PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.......................................................... 4 2.1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM ........................................................................ 4 2.1.1 Khái niệm về viễn thám ................................................................................ 4 2.1.2 Vệ tinh sử dụng trong viễn thám................................................................... 6 2.1.3 Tư liệu sử dụng trong viễn thám................................................................... 8 2.1.4 Đặc trưng phản xạ phổ của các ñối tượng tự nhiên...................................... 9 2.1.5 Giải ñoán ảnh viễn thám ............................................................................ 13 2.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ..................................... 17 2.2.1 Định nghĩa về hệ thống thông tin ñịa lý...................................................... 17 2.2.2 Các thành phần chính của hệ thống thông tin ñịa lý.................................. 18 2.2.3 Ứng dụng của GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ................ 19 2.3 TÍCH HỢP TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS .................................................... 20 2.3.1 Khái niệm .................................................................................................. 20 2.3.2 Tại sao phải tích hợp ................................................................................. 20 2.3.3 Khả năng ứng dụng công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám và GIS .............. 24 2.3.4 Một số ứng dụng của viễn thám và GIS ở Việt Nam ................................... 25 2.4 KHÁI QUÁT VỀ BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT .............................. 26 2.4.1 Bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất và các phương pháp thành lập.................... 26 2.4.2 Tình hình thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất..................................... 37 2.4.3 Tình hình sử dụng ñất Việt Nam trong những năm gần ñây........................ 41 PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, ĐỊA ĐIỂM, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...42 3.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU .................................................. 42 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................ 42 3.1.2 Địa ñiểm nghiên cứu .................................................................................. 42 3.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 42 3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................... 42 3.3.1 Phương pháp ñiều tra, khảo sát, thu thập tài liệu, số liệu........................... 42 3.2.2 Phương pháp xây dựng bản ñồ từ ảnh viễn thám ....................................... 43 3.2.3 Phương pháp chồng ghép bản ñồ ............................................................... 43 PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN..................................................... 44 4.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ-XÃ HỘI ................................................... 44 4.1.1 Điều kiện tự nhiên ...................................................................................... 44 4.1.2 Thực trạng phát triển kinh tế-xã hội ........................................................... 49 4.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG ĐẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU................................ 51 iii
4.2.1 Hiện trạng sử dụng ñất .............................................................................. 51 4.2.2 Biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2004-2009 .............................................. 53 4.3 GIẢI ĐOÁN ẢNH VỆ TINH, THÀNH LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT NĂM 2004 VÀ NĂM 2009 ................................................................ 55 4.3.1 Thu thập tư liệu.......................................................................................... 56 4.3.2 Nhập ảnh ................................................................................................... 57 4.3.3 Tăng cường chất lượng ảnh ....................................................................... 57 4.3.4 Nắn chỉnh tư liệu ảnh, cắt ảnh ................................................................... 57 4.3.5 Phân loại ảnh ............................................................................................ 63 4.3.6 Thành lập bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất năm 2004 và 2009 ..................... 74 4.4 THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT GIAI ĐOẠN 2004-2009 ........ 78 4.5 NHẬN XÉT VỀ KẾT QUẢ .............................................................................. 81 PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................. 83 5.1 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 83 5.2 KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 85 iv
DANH MỤC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 2.1 Kênh phổ của MSS......................................................................................................... 6 Bảng 2.2 Kênh phổ của TM............................................................................................................ 6 Bảng 2.3. Các thông số ảnh của vệ tinh SPOT-3 ........................................................................... 7 Bảng 2.4 Biến ñộng sử dụng ñất Việt Nam giai ñoạn 2005-2007............................................... 41 Bảng 4.1 Tổng GTSX và cơ cấu kinh tế thời kỳ 2000-2009 huyện Buôn Đôn.......................... 49 Bảng 4.2 Hiện trạng sử dụng ñất nông nghiệp huyện Buôn Đôn................................................ 52 Bảng 4.3 Hiện trạng sử dụng ñất phi nông nghiệp huyện Buôn Đôn.......................................... 53 Bảng 4.4 Biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2004-2009 huyện Buôn Đôn................................... 54 Bảng 4.5 Mô tả các loại ñất ........................................................................................................... 64 Bảng 4.6 Mẫu giải ñoán ảnh vệ tinh ............................................................................................. 65 Bảng 4.7 Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2004......................................................................... 70 Bảng 4.8 Bảng ñánh giá ñộ chính xác phân loại ảnh năm 2004 .................................................. 70 Bảng 4.9 Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2009......................................................................... 71 Bảng 4.10 Bảng ñánh giá kết quả phân loại năm 2009................................................................ 71 Bảng 4.11 Thống kê diện tích ñất giải ñoán năm 2004................................................................ 76 Bảng 4.12 Thống kê diện tích ñất giải ñoán năm 2009................................................................ 76 Bảng 4.13 So sánh giữa diện tích giải ñoán và thống kê năm 2009 ............................................ 77 Bảng 4.14 Biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2004-2009 huyện Buôn Đôn ................................ 79 Bảng 4.15 Diện tích biến ñộng từng loại ñất giai ñoạn 2004 - 2009 ........................................... 79 Bảng 4.16 So sánh sự thay ñổi diện tích các loại ñất từ 2004-2009 ............................................ 80 v
DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 2.1 Các kênh sử dụng trong viễn thám .................................................................................. 5 Hình 2.2 Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám ............................................................... 5 Hình 2.3 Đặc ñiểm phản xạ phổ trên các kênh ảnh SPOT............................................................ 9 Hình 2.4 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước......................................................................... 11 Hình 2.5 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng .......................................................................... 12 Hình 2.6 Một bản ñồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau ....................... 18 Hình 2.7 Các thành phần chính của GIS ..................................................................................... 18 Hình 2.8 Vai trò của viễn thám trong việc xây dựng và cập nhật.............................................. 21 Hình 2.9 Độ chính xác của ảnh vệ tinh và yêu cầu cập nhật dữ liệu .......................................... 22 Hình 2.10 Vai trò của GIS và viễn thám trong việc hỗ trợ ra quyết ñịnh .................................. 23 Hình 2.11 Thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất bằng phương pháp..................................... 29 Hình 2.12 Thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất bằng phương pháp..................................... 29 phân loại trực tiếp ảnh ña thời gian ............................................................................................... 29 Hình 2.13 Vector thay ñổi phổ ...................................................................................................... 30 Hình 2.14 Thuật toán phân tích thay ñổi phổ ............................................................................... 31 Hình 2.15 Thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất bằng phương pháp..................................... 34 Hình 2.16 Thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất bằng phương pháp..................................... 35 Hình 4.1 Sơ ñồ vị trí huyện Buôn Đôn ......................................................................................... 44 Hình 4.2 Trình tự giải ñoán ảnh vệ tinh, thành lập bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất và bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất............................................................................................................................ 55 Hình 4.3 Ảnh SPOT5 của huyện Buôn Đôn năm 2004 .............................................................. 56 Hình 4.4 Ảnh SPOT5 của huyện Buôn Đôn năm 2009 .............................................................. 56 Hình 4.5 Thực hiện nắn ảnh theo các ñiểm GPS trên ENVI ....................................................... 59 Hình 4.6 Lựa chọn thông số ñể nắn ảnh trên ENVI..................................................................... 59 Hình 4.7 Bảng nhập toạ ñộ các ñiểm khống chế ñể nắn ảnh ....................................................... 59 Hình 4.8 Tọa ñộ và sai số của ñiểm khống chế nắn ảnh năm 2004............................................. 60 Hình 4.9 Lựa chọn phương pháp tái chia mẫu ............................................................................. 60 Hình 4.10 Toạ ñộ và sai số các ñiểm khống chế ñể nắn ảnh 2009 .............................................. 61 Hình 4.11 Ảnh 2004 ñã ñược cắt theo ranh giới huyện Buôn Đôn ............................................. 62 Hình 4.12 Ảnh 2009 ñã ñược cắt theo ranh giới huyện Buôn Đôn ............................................. 62 Hình 4.13 Lấy mẫu cho các loại hình sử dụng ñất năm 2004...................................................... 66 Hình 4.14 Lấy mẫu cho các loại hình sử dụng ñất năm 2009...................................................... 66 vi
Hình 4.15 Sự khác biệt giữa các mẫu giải ñoán ảnh 2004 ......................................................... 67 Hình 4.16 Sự khác biệt giữa các mẫu giải ñoán ảnh 2009 ......................................................... 67 Hình 4.17 Kết quả phân loại ảnh 2004 ñã ñược lọc nhiễu ........................................................... 68 Hình 4.18 Kết quả phân loại ảnh 2009 ñã ñược lọc nhiễu ........................................................... 68 Hình 4.19 Kết quả phân loại ảnh 2004 ñược xuất sang dạng Vector ......................................... 73 Hình 4.20 Kết quả phân loại ảnh 2009 ñược xuất sang dạng Vector ......................................... 73 Hình 4.21 Sơ ñồ hiện trạng sử dụng ñất năm 2004 thành lập trên ArcView .............................. 74 Hình 4.22 Sơ ñồ hiện trạng sử dụng ñất năm 2009 thành lập trên ArcView .............................. 75 Hình 4.23 Sơ ñồ biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2004-2009 ñược thành lập trên ArcView ...78 Hình 4.24 Sự biến ñộng các loại ñất giai ñoạn 2004 -2009 ......................................................... 81 vii
PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đất ñai là tư liệu sản xuất ñặc biệt, không thể thay thế trong nông nghiệp, là thành phần quan trọng hàng ñầu của môi trường sống, là ñịa bàn phân bố các khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn hóa, xã hội, an ninh và quốc phòng. Sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện ñại hóa ñất nước của Đảng và Nhà nước ta trong những năm qua ñã ñưa nền kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ, ñời sống nhân dân ñã và ñang từng bước ñược cải thiện, hạ tầng xã hội cũng như hạ tầng kỹ thuật ñược thay ñổi tạo ra bộ mặt mới cho ñất nước và thu hẹp dần khoảng cách ñối với các nước phát triển. Song hành với sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện ñại hóa là sự gia tăng mạnh của nhu cầu sử dụng ñất, ñặc biệt là ñất phi nông nghiệp trong khi quỹ ñất lại có hạn. Điều này làm cho diện tích ñất nông nghiệp liên tục giảm xuống do vậy cần phải quản lý chặt chẽ toàn bộ quỹ ñất, ñảm bảo ñất ñai ñược sử dụng tiết kiệm, hiệu quả và bền vững. Để quản lý chặt chẽ quỹ ñất ñang ngày càng hạn chế này ngoài việc nắm chắc ñược các số liệu biến ñộng về ñất ñai giữa các thời kỳ thông qua số liệu thống kê, kiểm kê ñất ñai thì việc xây dựng bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất cũng rất cần thiết. Bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất có thể ñược thành lập từ bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất hiện có song bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất chỉ ñược thành lập 5 năm một lần vào năm kiểm kê ñất ñai nên khó có thể thành lập ñược bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất cho một giai ñoạn bất kỳ, thêm vào ñó chất lượng của bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất ñược thành lập trong các kỳ kiểm kê ñất ñai hiện nay là chưa cao. Hiện nay ảnh vệ tinh ñang ñược sử dụng khá rộng rãi ở nước ta trong các nghiên cứu tài nguyên-môi trường. Ảnh vệ tinh là nguồn thông tin có tính thời sự rất cao và nếu có ảnh vệ tinh ở các thời ñiểm khác nhau thì chúng ta còn có thể thành lập ñược bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất và xác ñịnh một cách khách quan ñược tình hình biến ñộng sử dụng ñất cho bất cứ giai ñoạn nào. Nhưng việc nghiên cứu biến ñộng sử dụng ñất cũng như thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất thông qua ảnh vệ tinh còn ñặt ra một số vấn ñề: 1
- Mức ñộ chi tiết của việc thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất từ ảnh vệ tinh? - Nếu chỉ sử dụng ảnh vệ tinh kết hợp với ñiều tra thực ñịa mà không kết hợp với Hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) thì có thể thành lập ñược bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất không? - Qui trình công nghệ lập nào là tối ưu cho việc lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất từ tư liệu viễn thám?... Huyện Buôn Đôn cách thành phố Buôn Ma Thuột 27 km về phía Tây Bắc, là huyện có diện tích ñất lâm nghiệp có rừng lớn nhất tỉnh Đắk Lắk. Trong một vài năm gần ñây ñất ñai trên ñịa bàn huyện Buôn Đôn có sự biến ñộng rất mạnh, ñất sản xuất nông nghiệp, ñất ở, ñất chuyên dùng tăng nhanh trong khi rừng bị tàn phá mạnh. Song trên số liệu thống kê thì ñất ñai không có sự biến ñộng ñáng kể. Do vậy cần thiết phải xây dựng bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất trên ñịa bàn huyện ñể có cái nhìn ñúng ñắn về sự biến ñộng này từ ñó có các biện pháp kiên quyết giữ diện tích rừng còn sót lại của huyện Buôn Đôn nói riêng, của tỉnh Đắk Lắk nói chung. Xuất phát từ những vấn ñề trên, tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: “Ứng dụng công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám và GIS thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2004-2009 trên ñịa bàn huyện Buôn Đôn, tỉnh Đắk Lắk”. 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Thành lập ñược bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất năm 2004 và năm 2009 bằng công nghệ tích hợp tư liệu viễn thám và GIS; - Xây dựng ñược bản ñồ biến ñộng ñồng thời xác ñịnh ñược số liệu biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2004-2009 ở huyện Buôn Đôn trên cở sở bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất xây dựng ñược; - Giúp các cơ quan có liên quan ở huyện Buôn Đôn có cái nhìn xác thực nhất về biến ñộng sử dụng ñất trên ñịa bàn Huyện từ ñó ñưa ra các chính sách thích hợp về sử dụng ñất ở huyện Buôn Đôn. 2
1.3 YÊU CẦU - Nắm vững công nghệ giải ñoán ảnh viễn thám, tích hợp tư liệu viễn thám và GIS; - Nắm ñược tình hình sử dụng và biến ñộng ñất ñai trên ñịa bàn Huyện giai ñoạn 2004-2009; - Diễn giải ñược sự biến ñộng sử dụng ñất trên ñịa bàn huyện; - Các số liệu ñiều tra phải ñược thu thập chính xác, ñầy ñủ và phải phản ánh ñược một cách trung thực, khách quan. 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu toàn bộ quỹ ñất trên ñịa bàn huyện Buôn Đôn bằng ảnh vệ tinh SPOT 5 ở hai thời ñiểm năm 2004 và 2009. 1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Kết quả nghiên cứu góp phần khẳng tính ưu việt của phương pháp tích hợp tư liệu viễn thám và GIS trong công tác thành lập bản ñồ hiện trạng sử dụng ñất; thành lập bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất. Đánh giá biến ñộng một cách nhanh chóng, thuận tiện nhưng vẫn ñảm bảo ñộ chính xác cần thiết trên một phạm vi rộng lớn. Kết quả nghiên cứu của luận văn ñưa ra số liệu về biến ñộng sử dụng ñất và bản ñồ biến ñộng sử dụng ñất giai ñoạn 2004-2009 góp phần chỉ ra chiều hướng, diện tích và vị trí không gian biến ñộng sử dụng ñất của huyện Buôn Đôn vì vậy ñây sẽ là một tài liệu hữu ích cho công tác quy hoạch sử dụng ñất của Buôn Đôn giai ñoạn 2011-2020, góp phần ñưa ñất ñai ngày càng ñược sử dụng hợp lý, tiết kiệm, hiệu quả, bền vững và bảo vệ môi trường. 3
PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM 2.1.1 Khái niệm về viễn thám Viễn thám ñược ñịnh nghĩa như là một khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát ñược xác ñịnh, ño ñạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Sóng ñiện từ hoặc ñược phản xạ hoặc ñược bức xạ từ vật thể thường là nguồn tài liệu chủ yếu trong viễn thám. Những năng lượng từ trường, trọng trường cũng có thể ñược sử dụng. Thiết bị dùng ñể cảm nhận sóng ñiện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể ñược gọi là bộ cảm. Phương tiện dùng ñể mang các bộ cảm ñược gọi là vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ. Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của phương pháp chụp ảnh và thu nhận thông tin các ñối tượng trên mặt ñất. Từ năm 1858 người ta ñã bắt ñầu sử dụng khinh khí cầu ñể chụp ảnh nhằm mục ñích thành lập bản ñồ ñịa hình. Những bức ảnh hàng không ñầu tiên chụp từ máy bay ñược Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli, Italia. Từ ñó ñến nay, phương pháp sử dụng ảnh hàng không là phương pháp ñược sử dụng rộng rãi nhất. Trên thế giới, việc phân tích ảnh hàng không ñã góp phần ñáng kể trong việc phát hiện nhiều mỏ dầu và khoáng sản trầm tích. Vào giữa những năm 1930, người ta ñã có thể chụp ảnh mầu và ñồng thời thực hiện nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảm quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng tán xạ và mù của khí quyển. Từ năm 1960, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật cho phép thu ñược hình ảnh ở các dải sóng khác nhau bao gồm cả dải sóng hồng ngoại và sóng cực ngắn. Sau ñó sự thành công trong việc chế tạo các bộ cảm biến và các tàu vũ trụ, các vệ tinh nhân tạo ñã cung cấp khả năng thu nhận hình ảnh của trái ñất từ trên quỹ ñạo góp phần hữu ích cho việc nghiên cứu lớp phủ thực vật, biến ñộng sử dụng ñất, cấu trúc ñịa mạo, nhiệt ñộ, gió trên bề mặt ñại dương… Viễn thám có thể phân loại làm 3 loại cơ bản theo bước sóng sử dụng: 4
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. - Viễn thám hồng ngoại nhiệt - Viễn thám siêu cao tần Hình 2.1 Các kênh sử dụng trong viễn thám Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm thứ nhất là bức xạ mặt trời. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế 500µm. Tư liệu viễn thám thu ñược trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái ñất. Vì vậy, các thông tin về vật thể có thể ñược xác ñịnh từ các phổ phản xạ. Tuy nhiên, radar sử dụng tia laser là trường hợp ngoại lệ không sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm thứ hai là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt ñộ bình thường ñều phát ra một bức xạ có ñỉnh tại bước sóng 10.000µm. Mặt trời Vệ tinh Bức xạ mặt trời Hấp thụ mặt trời Khí quyển Rừng Cỏ Đất Đường Nhà Nước Hình 2.2 Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám 5
Trong viễn thám siêu cao tần người ta thường sử dụng hai loại kỹ thuật chủ ñộng và bị ñộng. Trong viễn thám siêu cao tần bị ñộng thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát ra ñược ghi lại, còn trong viễn thám siêu cao tần chủ ñộng lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể [2]. 2.1.2 Vệ tinh sử dụng trong viễn thám 2.1.2.1 Vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat là vệ tinh tài nguyên của Hoa Kỳ ñược phóng lên quỹ ñạo lần ñầu tiên vào năm 1972, cho ñến nay ñã có 7 thế hệ vệ tinh Landsat ñược phóng lên quỹ ñạo. Độ cao bay 705 km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ ñạo 980, quỹ ñạo ñồng bộ mặt trời, chu kỳ lặp 18 ngày, bề rộng tuyến chụp 185km. Hai bộ cảm của vệ tinh Landsat ñều là máy quét quang cơ: MSS (Multispectral scanner) và TM (Thematic mapper). Bộ cảm MSS hoạt ñộng ở dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại. Đặc ñiểm của MSS là sử dụng 4 băng phổ, mỗi băng phổ có trang bị 6 bộ thu sử dụng sợi quang học. Độ phân giải mặt ñất từ 40m ñến 80m, ñộ rộng ñường quét 185km. Bộ cảm TM sử dụng vùng phổ nhìn thấy, hồng ngoại gần và hồng ngoại nhiệt. Đặc ñiểm của TM là có ñộ rộng ñường quét 185km và có ñộ phân giải mặt ñất 30m. Bảng 2.1 Kênh phổ của MSS Kênh phổ Dạng phản xạ phổ Chiều dài sóng (µm) 1 Nhìn thấy-xanh 0,5-0,6 2 Nhìn thấy-ñỏ 0,6-0,7 3 Hồng ngoại 0,7-0,8 4 Hồng ngoại 0,8-1,1 Bảng 2.2 Kênh phổ của TM Kênh phổ Bước sóng (µm) 1 0,45-0,52 2 0,52-0,60 3 0,63-0,69 4 0,76-0,90 5 1,55-1,75 6 10,4-12,5 7 2,08-2,35 6
2.1.2.2 Vệ tinh SPOT Vệ tinh SPOT ñược Pháp phóng lên quỹ ñạo năm 1986. Mỗi vệ tinh ñược trang bị một máy quét ña phổ HRV. Vệ tinh SPOT bay ở ñộ cao 830km, góc nghiêng mặt phẳng quỹ ñạo 9807, chu kỳ lặp 26 ngày. Bộ cảm HRV là máy quét ñiện tử CCD-HRV có thể thay ñổi góc quan sát nhờ một gương ñịnh hướng. Gương này cho phép thay ñổi hướng quan sát ±270 so với trục thẳng ñứng nên dễ dàng thu ñược ảnh lập thể. Bảng 2.3. Các thông số ảnh của vệ tinh SPOT-3 Các ñặc trưng của HRV Dạng ña phổ Dạng toàn sắc 0,50-0,59 µm Kênh 0,61-0,68 µm 0,51-0,73 µm 0,79-0,89 µm Trường nhìn 4013 4013 Độ phân giải 20m x 20m 10m x 10m Số pixel trên một hàng 3000 6000 Độ rộng ñường quét 60km 60km 2.1.2.3 Vệ tinh Cosmos Ảnh vệ tinh Cosmos của Nga có hai loại: ảnh có ñộ phân giải cao và ảnh có ñộ phân giải trung bình. Ảnh vệ tinh ñộ phân giải cao có kích thước ảnh 30x30cm, ñộ phân giải mặt ñất 6-7m, ñộ phủ dọc >60%. Ảnh Cosmos ñộ phân giải trung bình có kích thước ảnh 18x18cm, ñộ phân giải mặt ñất 30m, ñộ phủ dọc >60%. Hiện nay tư liệu ảnh vệ tinh Landsat, SPOT, Cosmos ñược sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt nam. 2.1.2.4 Vệ tinh Quickbird Quickbird ñánh dấu một bước quan trọng của dạng tư liệu viễn thám phân giải cao ñược thương mại hoá. Lần ñầu tiên phóng vào năm 2000 và bị thất bại, lần thứ hai ñược phóng lên với ñộ phân giải cao (ảnh PAN-0,6m và ảnh ña phổ 2,4m) vào 18/10/2001. Vệ tinh ñược phóng lên quỹ ñạo ñồng bộ mặt trời, ñộ cao 450km, ñộ nghiêng mặt phẳng quỹ ñạo 980. Các kênh phổ của vệ tinh là xanh chàm 450-520µm, xanh lục 520-600µm, ñỏ 630-690µm và hồng ngoại gần 760-900µm [2]. 7
2.1.3 Tư liệu sử dụng trong viễn thám 2.1.3.1 Ảnh tương tự Ảnh tương tự là ảnh chụp trên cơ sở của lớp cảm quang halogen bạc, ảnh tương tự thu ñược từ các bộ cảm tương tự dùng phim chứ không sử dụng các hệ thống quang ñiện tử. Những tư liệu này có ñộ phân giải không gian cao nhưng kém về ñộ phân giải phổ. Vệ tinh Cosmos của Nga thường sử dụng bộ cảm tương tự. 2.1.3.2 Ảnh số Ảnh số là dạng tư liệu ảnh không lưu trữ trên giấy ảnh hoặc phim. Ảnh số ñược chia thành nhiều phần tử nhỏ gọi là pixel. Mỗi pixel tương ứng với một ñơn vị không gian. Quá trình chia mỗi ảnh tương tự thành các pixel ñược gọi là chia mẫu và quá trình chia các ñộ xám liên tục thành một số nguyên hữu hạn gọi là lượng tử hóa. Ảnh số ñược ñặc trưng bởi một số thông số cơ bản về hình học, bức xạ như trường nhìn không ñổi, góc nhìn tối ña, ñộ phân giải mặt ñất. 2.1.3.3 Số liệu mặt ñất Số liệu mặt ñất là tập hợp các quan sát mô tả, ño ñạc về các ñiều kiện thực tế trên mặt ñất của các ñịa vật cần nghiên cứu nhằm xác ñịnh mối tương quan giữa tín hiệu thu ñược và bản thân các ñối tượng. Các số liệu ñó bao gồm thông tin tổng quan về ñối tượng nghiên cứu như chủng loại, trạng thái, tính chất phản xạ, hấp thụ phổ, nhiệt ñộ… và thông tin về môi trường xung quanh như góc chiếu, ñộ cao mặt trời, cường ñộ chiếu sáng, trạng thái khí quyển, nhiệt ñộ, ñộ ẩm không khí, hướng và tốc ñộ gió… Để phục vụ mục ñích thiết kế các bộ cảm, kiểm ñịnh các thông số kỹ thuật của bộ cảm, thu thập thông tin bổ trợ cho quá trình phân tích và hiệu chỉnh số liệu, các số liệu mặt ñất phải ñược thu thập ñồng thời với số liệu vệ tinh hoặc trong một khoảng thời gian sao cho sự thay ñổi của các ñối tượng nghiên cứu trong thời gian ñó không ảnh hưởng tới việc xác ñịnh mối quan hệ cần tìm. 2.1.3.4 Số liệu ñịnh vị mặt ñất Để thu thập số liệu ñịnh vị mặt ñất hiện nay chúng ta thường sử dụng Hệ thống ñịnh vị toàn cầu (GPS). Những ñiểm ñịnh vị mặt ñất phục vụ quá 8
trình hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh thường ñược bố trí tại những nơi mà vị trí của nó có thể thấy ñược dễ dàng trên ảnh vệ tinh và bản ñồ. 2.1.3.5 Bản ñồ và số liệu ñịa hình Để phục vụ cho mục ñích nghiên cứu của viễn thám ngoài những tư liệu trên cần phải có các tài liệu ñịa hình và chuyên ñề như bản ñồ ñịa hình, bản ñồ chuyên ñề sử dụng ñất, rừng, ñịa chất, bản ñồ kinh tế xã hội, mô hình số ñịa hình…[2] 2.1.4 Đặc trưng phản xạ phổ của các ñối tượng tự nhiên Đặc trưng phản xạ phổ của các ñối tượng trên bề mặt trái ñất là thông số quan trọng nhất trong viễn thám. Do các thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp ñến năng lượng phản xạ từ các ñối tượng nên việc nghiên cứu các ñặc trưng phản xạ phổ của các ñối tượng tự nhiên ñóng vai trò hết sức quan trọng ñối với việc ứng dụng hiệu quả phương pháp viễn thám. Trong lĩnh vực viễn thám, kết quả giải ñoán các thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết mối tương quan giữa các ñặc trưng phản xạ phổ với bản chất và trạng thái các ñối tượng tự nhiên. Đồng thời ñó cũng là cơ sở dữ liệu ñể phân tích các tính chất của ñối tượng tiến tới phân loại ñối tượng ñó. Đặc trưng phản xạ phổ của các ñối tượng tự nhiên là hàm của nhiều yếu tố. Các ñặc tính này phụ thuộc vào ñiều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển, bề mặt ñối tượng cũng như bản thân ñối tượng. Tuyết Thực vật Cát Nước µm Hình 2.3 Đặc ñiểm phản xạ phổ trên các kênh ảnh SPOT 9
Khả năng phản xạ phổ của các ñối tượng phụ thuộc vào bản chất vật chất của các ñối tượng, phụ thuộc vào trạng thái và ñộ nhẵn bề mặt của các ñối tượng, phụ thuộc vào màu sắc của ñối tượng, phụ thuộc vào ñộ cao mặt trời trên ñường chân trời và hướng chiếu sáng. Khả năng phản xạ phổ của các ñối tượng ñược chụp ảnh còn phụ thuộc vào trạng thái khí quyển và các mùa trong năm [7]. 2.1.4.1 Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố phản xạ rất mạnh ánh sáng có bước sóng từ 0,45-0,67µm (tương ứng với dải sóng màu lục) vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm ñi thực vật chuyển sang có khả năng phản xạ ánh sáng màu ñỏ trội hơn dẫn ñến lá cây có màu vàng ñỏ (do tổ hợp màu lục và ñỏ) hoặc màu ñỏ. Ở vùng hồng ngoại, thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh. Khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng một số ñiểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của nước trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm ñi rõ rệt và ngược lại khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật khác nhau không như nhau và ñặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là: - Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ khác biệt rõ rệt. - Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn năng lượng hấp thụ bởi diệp lục tố trong lá cây, một phần nhỏ thấu qua lá còn lại phản xạ. - Ở vùng cận hồng ngoại cấu trúc lá ảnh hưởng lớn ñến khả năng phản xạ phổ của lá, ở ñây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt. - Ở vùng hồng ngoại nhân tố ảnh hưởng lớn ñến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước. Khi ñộ ẩm trong lá cao thì năng lượng hấp thụ là cực ñại. Thực vật nói chung khả năng phản xạ của chúng phụ thuộc vào giống loại, giai ñoạn sinh trưởng và trạng thái phát triển của cây [7]. 2.1.4.2 Đặc trưng phản xạ phổ của nước Đặc tính chung nhất của nước là khả năng phản xạ phổ của nước giảm dần theo chiều dài bước sóng. Trên hình 2.4 dẫn ra hai ñường cong thể hiện 10
khả năng phản xạ phổ của nước giảm dần theo chiều dài bước sóng. Khả năng phản xạ phổ của nước thay ñổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước. Khả năng phản xạ phổ còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước. Trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại ñường bờ nước ñược phát hiện ra rất dễ dàng, còn một số ñặc tính của nước cần phải sử dụng dải sóng nhìn thấy ñể nhận biết. Trong ñiều kiện tự nhiên mặt nước sẽ hấp thụ rất mạnh năng lượng ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại, do vậy năng lượng phản xạ sẽ rất ít. Vì khả năng phản xạ phổ của nước ở dải sóng dài khá nhỏ, nên việc sử dụng các kênh sóng dài ñể chụp cho ta khả năng ñoán ñọc thủy văn, ao hồ… r% 50 40 1 1. HÊp thô 30 2. Ph¶n x¹ 20 10 2 λ(µm) 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 2.4 Khả năng phản xạ và hấp thụ của nước Ở dải sóng nhìn thấy, khả năng phản xạ phổ của nước tương ñối phức tạp. Tuy nhiên, nước trong ñiều kiện tự nhiên không phải lúc nào cũng lý tưởng như nước cất. Thông thường nước chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ, vì vậy khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước. Các nghiên cứu cho thấy nước ñục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là những dải sóng dài. Với ñộ sâu tối thiểu là 30m, nồng ñộ tạp chất gây ñục là 10mg/l thì khả năng phản xạ phổ lúc ñó là hàm số của thành phần nước chứ không còn là ảnh hưởng của chất ñáy. Người ta ñã chứng minh ñược rằng khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc rất nhiều vào ñộ ñục của nước, ở dải sóng 0,6-0,7µm thì ñộ ñục của nước 11