Tài liệu đề tài ứng dụng gis và viễn thám để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện triệu sơn tỉnh thanh hóa

LỜI NÓI ĐẦU Để hoàn thành học phần Cơ sở viễn thám, được sự cho phép của Ban lãnh đạo Khoa Địa lý-QLTN cùng với sự ủng hộ hướng dẫn nhiệt tình của cô giáo Ths. Trần Thị Tuyến, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng GIS và Viễn thám để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Triệu Sơn tỉnh Thanh Hóa” Trong quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài, cùng với sự cố gắng của các thành viên trong nhóm, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ của cô giáo Ths. Trần Thị Tuyến, các cán bộ phòng Tài nguyên và môi trường huyện Triệu Sơn tỉnh Thanh Hoá, cùng anh chị khoá trên và bạn bè trong khoa Địa lý – QLTN. Nhân dịp này, chúng tôi xin tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến cô giáo hướng dẫn, xin cảm ơn các cán bộ,các anh chị cùng bạn bè đã tận tình giúp đỡ và động viên chúng tôi hoàn thành đề tài này. Chúng tôi xin nhận và chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp, bổ sung cho đề tài được hoàn thiện hơn. Vinh: Ngày tháng 5 năm 2015 PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bản đồ hiện trạng là tài liệu quan trọng và cần thiết trong công tác thiết kế quy hoạch và quản lý đất đai. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất được sử dụng như một loại bản đồ thường trực làm căn cứ để giải quyết các bài toán tổng thể cần đến thông tin hiện thời về tình hình sử dụng đất và luôn giữ vai trò nhất định trong nguồn dữ liệu về hạ tầng cơ sở. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất là nguồn tài liệu làm cơ sở để thành lập bản đồ địa chính và hổ trợ đắc lực cho công tác thống kê, kiểm kê đất đai; lập quy hoạch và kế hoạch sử dụng đất. Trước đây, một số cấp đơn vị hành chính đã sử dụng phương pháp thủ công để đo vẽ và thành lập bản đồ do đó độ chính xác không cao nên đã làm ảnh hưởng đến công tác quản lý đất đai. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ số để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất là điều cần thiết trong giai đoạn này. Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội 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 với nền kinh tế còn lạc hậu. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng trong phạm vi toàn Quốc gia và Quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám và GIS giúp cho các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách đưa ra các phương án lựa chọn có tính chiến lược về quản lý sử dụng tài nguyên thiên nhiên và môi trường.Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất đã được ứng dụng rộng rãi trong thời gian gần đây và đem lại hiệu quả cao, giúp các nhà địa lý nghiên cứu, điều tra tài nguyên nắm bắt thông tin nhanh chóng và đồng bộ trên diện rộng. Triệu Sơn là huyện địa hình bán sơn địa, có đồng bằng và miền núi, có tiềm năng đất đai đa dạng, nguồn khoáng sản lớn, nằm gần các khu kinh tế động lực, các vùng miền giàu tiềm năng của tỉnh, do đó những năm gần đây, sử dụng đất có nhiều thay đổi và biến động. Để có thể quản lý tốt thì ứng dụng viễn thám và GIS để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho huyện là nhiệm vụ cấp thiết, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng GIS và Viễn thám để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Triệu Sơn tỉnh Thanh Hoá” 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài - Mục đích: Xây dựng được bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Triệu Sơn tỉnh Thanh Hoá bằng phương pháp ứng dụng GIS và viễn thám. - Nhiệm vụ + Tìm hiểu đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hoá + Khảo sát hiện trạng sử dụng đất trên địa bàn huyện Triệu Sơn để phục vụ cho giải đoán ảnh vệ tinh +Nghiên cứu khả năng khai thác và sử dụng tư liệu ảnh viễn thám trong thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất. + Nghiên cứu quy trình thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng phương pháp viễn thám + Thu thập, tổng hợp tư liệu ảnh viễn thám, bản đồ và các tài liệu khác của huyện Triệu Sơn. + Biết sử dụng phần mềm ENVI và ARCGIS để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất. 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là huyện Triệu Sơn tỉnh Thanh Hoá. 4. Giới hạn của đề tài Về không gian: Phạm vi mà đề tài thực hiện là địa bàn huyện Triệu Sơn tỉnh Thanh Hoá. Về thời gian: Các ảnh Landsat 8, độ phân giải 30 m được dùng làm dữ liệu giải đoán được thu nhận vào ngày 7/2/2013 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp viễn thám và GIS: phương pháp này sử dụng phần mềm phân tích và giải đoán ảnh viễn thám ENVI 4.5 và phần mềm Arcgis được sử dụng để biên tập và lưu trữ bản đồ. - Phương pháp tổng hợp và xử lý thông tin: phương pháp này được vận dụng để phân tích,tổng hợp và xử lý các tài liệu thu thập được để thấy được hiện trạng sử dụng các loại đất trên địa bàn huyện. 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Đề tài nghiên cứu đã cho thấy sự đa dạng trong việc kết hợp giữa Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý để nghiên cứ thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cũng như các bản đồ chuyên đề khác. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài tiến hành thành lập bản đồhiện trạng sử dụng đất, đây chính là tư liệu hữu ích phục vụ cho công tác quản lý và quy hoạch đất. Giúp các nhà quản lý dễ dàng kiểm soát, đề ra các biện pháp sửu dụng đất hợp lý, tránh lãng phí tài nguyên, giúp bảo vệ môi trường và phát triển triển bền vững. Việc xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất sẽ giúp cho quy hoạch sử dụng đất dễ dàng, đạt hiệu quả cao. Cấu trúc đề tài gồm có 3 chương như sau: CHƯƠNG 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu CHƯƠNG 2: Đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hoá CHƯƠNG 3: Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Triệu Sơn bằng phương pháp viễn thám PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 1.1.1. Khái niệm Bản đồ hiện trạng sử dụng đất là bản đồ chuyên đề được thành lập theo đơn vị hành chính các cấp, thể hiện hiện trạng sử dụng đất các loại đất trong thực tế với đầy đủ các thông tin về hiện trạng như ranh giới, vị trí, số lượng, các loại đất… trong phạm vi một đơn vị hành chính ở một thời điểm nhất định. Bản đồ hiện trạng là tài liệu quan trọng và cần thiết trong công tác thiết kế quy hoạch và quản lý đất đai. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất là một loại bản đồ thường trực làm căn cứ để giải quyết các bài toán tổng thể cần đến thông tin hiện thời về tình hình sử dụng đất và luôn giữ vai trò nhất định trong nguồn dữ liệu về hạ tầng cơ sở để thành lập bản đồ hành chính và hỗ trợ đắc lực cho công tác thống kê, kiểm kê đất đai; lập quy hoạch và kế hoạch sử dụng đất... 1.1.2. Nội dung bản đồ hiện trạng sử dụng đất Các yếu tố hành chính xã hội: Thủy hệ và các đối tượng liên quan; đượng bờ biển và mạng lưới thủy văn, thủy lợi chính. Mạng lưới giao thông; đường sắt, đường bộ, các công trình giao thông. Dáng đất; điểm độ cao đối với vùng đồng bằng và đường bình độ đối với vùng đồi núi. Ranh giới; ranh giới hành chính, ranh giới sử dụng các loại đất, ranh giới lãnh thổ sử dụng đất. Đối với khu vực đang có tranh chấp về địa giới hành chính thì trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất phải thể hiện rõ vị trí, ranh giới của khu vực đó. Các loại đất sử dụng. Mức độ chi tiết của các nhóm đất được thể hiện trên bản đồ phụ thuộc tỷ lệ của bản đồ cần thành lập. 1.1.3. Các yếu tố nội dung hiện trang sử dụng đất - Khoanh đất theo mục đích sử dụng; - Khoanh đất theo thực trạng bề mặt; - Ranh giới các khu vực đất theo chức năng làm khu dân cư nông thôn, khu đô thị, khu công nghệ cao, khu kinh tế, khu dịch vụ và các công trình, dự án, ranh giới các nông trường, lâm nghiệp. - Biểu đồ cơ cấu diện tích các loại đất. - Bảng chú giải. Đơn vị thành lập Tỷ lệ bản đồ bản đồ Quy mô diện tích tự nhiên (ha) Cấp xã 1:1.000 Dưới 120 1:2.000 Từ 120 đến 500 1:5.000 Trên 500 đến 3.000 1:10.000 Trên 3.000 1:5.000 Dưới 3.000 1:10.000 Từ 3.000 đến 12.000 1:25.000 Trên 12.000 1:25.000 Dưới 100.000 1:50.000 Từ 100.000 đến 350.000 1:100.000 Trên 350.000 Cấp huyện Cấp tỉnh Cấp vùng 1:250.000 Cả nước 1:1.000.000 1.1.4. Quy định tỷ lệ bản đồ hiện trạng sử dụng đất cho các cấp - Cấp xã, phường, thị trấn: tỷ lệ 1:1000 – 1: 10000. Cấp huyện, thị xã, thành phố trực thuộc tỉnh: tỷ lệ 1: 5000 – 1: 25000. Cấp tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương: tỷ lê 1: 25000 – 1: 100000. Vùng lãnh thổ: tỷ lệ 1: 250000. Cả nước: tỷ lệ 1:250000 – 1000000. Tỷ lệ bản đồ nền được lựa chọn dựa vào: kích thước, diện tích, hình dạng của đơn vị hành chính, đặc điểm, kích thước của các yếu tố nội dung hiện trạng sử dụng đất. 1.2. Các phương pháp thành lập bản đồ 1.2.1. Phương pháp đo vẽ trực tiếp Phương pháp này được áp dụng chủ yếu để xây dựng bản đồ tỷ lệ lớn và những vùng địa hình tương đối bắng phẳng, địa hình không quá phức tạp và những nơi có tài liệu bản đồ hoặc có bản đồ đã đo vẽ trước nhưng không đảm bảo chất lượng để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Phương pháp cho kết quả chính xác và chất lượng cao,các yếu tố trên bản đồ hoàn toàn phù hợp với giá trị thực đo ở ngoài thực địa. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi giá thành sản phẩm cao và tốn nhiều công sức, thời gian đo vẽ. 1.2.2. Phương pháp sử dụng ảnh hàng không và ảnh vệ tinh Phương pháp này được áp dụng để điều tra thành lập bản đồ chuyên ngành, trong đó có bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Phạm vi ứng dụng chủ yếu để thành lập bản đồ ở cấp cao có quy mô lãnh thổ lớn, có tỷ lệ bản đồ nhỏ như cấp huyện, cấp tỉnh. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép thể hiện đầy đủ và chi tiết các nội dung của bản đồ, giảm chi phí và thời gian đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa.Tuy nhiên, việc đầu tư công nghệ ảnh đòi hỏi kinh phí khá cao do đó phương pháp này không đáp ứng được yêu cầu thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp xã. 1.2.3. Phương pháp đo vẽ chỉnh lý từ các loại bản đồ, tài liệu đã có Đây là phương pháp có hiệu quả nhất, cho phép kế thừa các thành quả đã có, tiết kiệm chi phí, vật tư, không đòi hỏi nhiều về trang thiết bị đo đạc, tốn ít công sức. Thường thì người ta dùng bản đồ địa chính để biên tập thành bản đồ hiện trạng vì bản đồ địa chính được đo vẽ có độ chính xác cao đến từng thửa đất, với cách này người ta chỉ cần khoanh vùng các loại đất giống nhau rồi đổ màu theo quy định là được. Phương pháp này có nhược điểm là chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào chất lượng tài liệu bản đồ được lựa chọn và phương pháp xử lý, tổng hợp tài liệu. 1.2.4. Phương pháp sử dụng công nghệ bản đồ số Phương pháp này cho phép tự động hóa toàn bộ hoặc từng phần của một quá trình xây dựng bản đồ, đồng thời giúp tận dụng dễ dàng các nguồn tài liệu về bản đồ hiện có. 1.2.5. Phương pháp xử lý ảnh số. Là phương pháp mới, có nhiều triển vọng và đang được quan tâm nghiên cứu. Các phương pháp thành lập bản đồ hiện trạng Phương pháp bàn đạc Phương pháp Phương pháp đo vẽ thực địa chụp ảnh Phương pháp toàn đạc Phương pháp đo GPS động Phương pháp đo vẽ ảnh lập thể trên các trạm ảnh số Phương pháp ảnh lậcp thể Phương pháp đo vẽ trên máy toàn năng Phương pháp biên tập từ các bản đồ có tỷ lệ lớn Phương pháp đo ảnh phối hợp Phương pháp đo ảnh vi phân Sơ đồ các phương pháp thành lập bản đồ hiện trạng 1.3. Tổng quan về viễn thám 1.3.1. Khái niệm viễn thám và ảnh viễn thám Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư 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.Sau đó là thực hiện phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đấthay các hành tinhmà nó còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh. Người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Ảnh viễn thám (ảnh vệ tinh) là ảnh số thể hiện các vật thể trên bề mặt trái đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh. Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới vài nghìn km. 1.3.2. Đặc điểm của ảnh viễn thám Ảnh viễn thám đặc trưng bởi dữ liệu không gian với hai dạng cấu trúc là dạng raster và dạng vector: Cấu trúc dạng raster: Mô tả bề mặt Trái Đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới gồm các hàng và cột. Những phần tử nhỏ này được gọi là pixel. Giá trị của pixel chính là thuộc tính của đối tượng, nghĩa là trên cùng một đơn vị diện tích mà số ô pixel càng nhiều thì đối tượng nhìn càng rõ càng chính xác và ngược lại. Một mặt phẳng chứa đầy các pixel thì tạo thành một raster. Cấu trúc dạng này thường được dùng để mô tả các đối tượng hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu dữ thông tin dạng ảnh. Thông thường có một số mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), Tin (Triangulated Irregular Network) cũng thuộc dạng raster. Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý và phân tích. Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép tính bản đồ dễ dàng. Tuy nhiên nó lại kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng. Khi độ phân giải càng thấp tức là kích thước ô pixel lớn thì sự sai lệch càng lớn. Cấu trúc vector: Mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng. Về mặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng dạng điểm (point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region hay polygon). Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y. Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục. Vùng là khoảng không gian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau. Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao. Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao). Cấu trúc này giúp cho người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn. Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ. Ảnh viễn thám có một số đặc điểm nổi bật như sau: Tỷ lệ: Là tỷ số khoảng cách giữa hai điểm của một ảnh tương ứng với khoảng cách trên mặt đất của hai điểm đó. Tỷ lệ hình ảnh được xác định bởi các yếu tố như: Độ dài tiêu cự hiệu dụng của thiết bị viễn thám; độ cao mà từ đó hình ảnh được thu nhận; yếu tố phóng đại được sử dụng trong in phóng ảnh. Độ sáng và tone ảnh: Sự khác nhau về cường độ của bức xạ điện từ phát ra từ địa hình tạo nên sự khác nhau về độ sáng của hình ảnh, độ sáng của hình ảnh tỷ lệ với cường độ bức xạ phát ra từ các đối tượng. Độ sáng: Đó là lượng ánh sáng tác động vào mắt của chủ thể mà có thể xác định được một cách tương đối. Để đo cường độ ánh sáng người ta thường dùng quang kế (photometro). Khi phân tích ảnh, để phân biệt độ sáng của ảnh có thể hiệu chỉnh bằng thang cấp độ xám, ảnh được phân ra các vùng có tông sáng, trung bình hay tối dựa vào thang độ xám. Tone ảnh: là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ về mặt đối tượng, là dấu hiệu quan trọng để xác định đối tượng. Độ phân giải không gian và năng lực phân giải: Độ phân giải được hiểu như là khả năng để phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trong một bức ảnh, nói chính xác hơn là khoảng cách tối thiểu giữa các đối tượng mà có thể nhận biết và phân biệt được trên ảnh. Năng lực phân giải và độ phân giải không gian là hai khái niệm có sự liên hệ rất chặt chẽ. Khái niệm phân giải được áp dụng cho một hệ thống tạo ảnh hay một thành phần của hệ thống, trong khi đó độ phân giải không gian được áp dụng cho một ảnh được tạo ra bởi hệ thống đó. Độ phân giải: Đây là đặc điểm quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lượng ảnh, độ phân giải chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc điểm khu vực bay chụp, hệ thống chụp ảnh, độ cao bay chụp, tốc độ bay chụp, điều kiện khí quyển tại thời điểm chụp.. 1.3.3. Phân loại ảnh viễn thám Ảnh quang học: Nguồn năng lượng chính là bức xạ Mặt Trời. Ảnh quang học là ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng sóng điện từ có bước sóng nằm trong dải tần từ ánh sáng nhìn thấy đến hồng ngoại phản xạ (từ 0,3m đến 3m). Ảnh nhiệt: Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệtdo chính vật thể sản sinh ra. Ảnh nhiệt là loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng hồng ngoại phát ra từ vật thể (bước sóng 8 - 14m). Ảnh radar:Nguồn năng lượng chính là sóng radar phản xạ từ các vật thể do vệ tinh phát xuống theo những bước sóng đã được xác định.Ảnh radarlà loại ảnh được tạo ra bởi việc thu nhận các bước sóng được sử nằm trong dải tần sóng vô tuyến cao tần (1 cm - 1 m). Ảnh thu nhận bằng sóng địa chấn: cũng là một loại ảnh viễn thám Ảnh viễn thám có thể được lưu theo các kênh ảnh đơn (trắng đen) ở dạng số trong máy tính hoặc các kênh ảnh được tổ hợp (ảnh màu) hoặc có thể in ra giấy, tùy theo mục đích người sử dụng. 1.3.4. Lịch sử phát triển của khoa học viễn thám Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thế kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Năm 1858 G.F.Toumachon người Pháp đã sử dụng kinh khí cầu bay ở độ cao 80 m để chụp ảnh từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi là năm khai sinh của ngành khoa học viễn thám. Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự. Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar, đã được sử dụng rộng rãi trong quân sự. Bức ảnh đầu tiên, chụp về trái đất từ vũ trụ, được cung cấp từ tàu xplorer -6 vào năm 1959. Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, được chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TR0S1), được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng. Ngày 23-7-1972 Mỹ đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo Landsat 1 mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu về các hành tinh trong đó có Trái Đất và môi trường xung quanh. Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất Landsat 1, là các vệ tinh thế hệ mới hơn như Landsat 2, Landsat 3, Landsat 4 và Landsat 5. Ngay từ đầu, RTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau. Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM -4 và Landsat TM -5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat -7 đã được phổ biến với giá rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM -5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh. Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế hệ SPOT 1, SPOT 2, SPOT 3, SPOT 4 và SPOT 5, đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, và đa kênh SPOT - XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20 x 20m. Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS -1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite). Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của Ấn Độ RS 1A, tạo ra các ảnh vệ tinh như LSS thuộc nhiều hệ khác nhau. Riêng ở Việt Nam kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1976 tại Viện Quy hoạch rừng, mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ Quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô – Việt tháng 7 năm 1980. Vào ngày 9/7/2009 Bộ TN&MT đã khánh thành trạm thu nhận ảnh viễn thám hiện đại đầu tiên của Việt Nam có địa điểm đặt tại cánh đồng Bun, thôn Vân Trì, xã Minh Khai, Từ Liêm, Hà Nội. Tháng 4 năm 2008 Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh VINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh lần đầu tiên. 1.3.5. Các phương pháp xử lý ảnh viễn thám Để xử lý ảnh viễn thám người ta sử dụng hai phương pháp là phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt thường và phương pháp xử lý số trên máy tính. Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt thường: Giải đoán ảnh bằng mắt là sử dụng mắt người cùng với trí tuệ để tách chiết các thông tin từ tư liệu viễn thám dạng hình ảnh. Giải đoán bằng mắt (visual interpretaion) là công việc đầu tiên, phổ biến nhất và có thể áp dụng trong mọi điều kiện có trang thiết bị từ đơn giản đến phức tạp. Việc phân tích ảnh bằng mắt có thể được trợ giúp bằng một số thiết bị quang học: kính lúp, kính lập thể, kính phóng đại, máy tổng hợp màu,... nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt người. Cơ sở để giải đoán bằng mắt là đưa vào các dấu hiệu giải đoán trực tiếp hoặc gián tiếp và chìa khóa giải đoán. Các yếu tố giải đoán (kích thước, hình dạng, bóng, tone, màu, cấu trúc, mẫu và tổ hợp mối quan hệ) cũng như thời gian chụp ảnh, mùa, kiểu phim, tỷ lệ ảnh,... sẽ được xem xét kỹ để thiết lập nên chìa khóa giải đoán. Tư liệu ảnh viễn thám dùng để đoán đọc điều vẽ ảnh bằng mắt tốt nhất là ảnh tổ hợp màu, vì màu sắc là một chuẩn tương đối ổn định, hơn nữa nó có tính trực quan sinh động hơn ảnh đen trắng. Kết quả của giải đoán ảnh bằng mắt sẽ được chuyển thông tin lên bản đồ nền theo các phương pháp là can vẽ, chiếu quang học, chuyển theo hệ thống lưới, sử dụng máy đo vẽ ảnh. Phương pháp xử lý ảnh số: xử lý ảnh số là sự điều khiển và phân tích các thông tin ảnh dạng số với sự trợ giúp của máy tính. Các dữ liệu ảnh vệ tinh thu được trong ký thuật viễn thám thường dưới dạng số và được xử lý bởi máy tính để tạo ảnh đã được giải đoán ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc xử lý ảnh số trong viễn thám giữ vai trò quan trọng trong việc tách thông tin hữu ích phục vụ rất nhiều chuyên ngành khác nhau. Quy trình xử lý ảnh số: Nhập dữ liệu Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh Biến đổi ảnh Phân loại ảnh Xuất kết quả Nhập dữ liệu: Để xử lý ảnh số, trước hết ta phải tiến hành bước nhập tư liệu gốc vào máy. Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy chụp cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp. Trong trường hợp ảnh tương tự sẽ được chuyển về dạng số thông qua các máy quét. Trường hợp tư liệu là ảnh số thì nó sẽ được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao. Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống, bức xạ hoặc hình học nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được. Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các trung tâm thu số liệu vệ tinh. Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến đổi tuyến tính... là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính trong khuôn khổ một phòng thí nghiệm, hay phòng công tác nội nghiệp. Phân loại: Phân loại đa phổ với mục đích tách các thông tin cần thiết phục vụ việc theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác tư liệu viễn thám. Xuất kết quả: Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả. Kết quả có thể dưới dạng phim ảnh, số hay các bản đồ đường nét. Trong đó kết quả dạng số ngày càng được khai thác sử dụng nhiều vì nó là đầu vào rất tốt cho một công nghệ mới là GIS - hệ thống thông tin địa lý. Trên cơ sở ứng dụng hệ thống thông tin địa lý nhiều chủng loại thông tin khác nhau cùng được đưa vào xử lý tạo ra một kết quả chính xác và phong phú hơn nhiều so với trường hợp chỉ sử dụng tư liệu viễn thám. 1.4. Tổng quan về GIS 1.4.1. Định nghĩa GIS là một công nghệ mới, phát triển nhanh và có nhiều ứng dụng rộng rãi cho đời sống con người, bởi vậy có nhiều định nghĩa khác nhau về GIS. GIS là một hệ thống máy tính có khả năng giữ và sử dụng thông tin liên quan đến các vị trí trên Trái đất. GIS là một hệ thống dựa trên máy tính cung cấp bốn chức năng để xử lý dữ liệu địa quy chiếu: nhập dữ liệu, quản lý dữ liệu (lưu trữ và truy cập số liệu), vận dụng và phân tích dữ liệu, xuất dữ liệu (Aronoff 1993). GIS là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý (Dueker & Kjerne ESRI 1990 - 1997). GIS là phần mềm bản đồ dùng để kết nối thông tin về vị trí địa lý của các đối tượng với tất cả các dạng thông tin khác có liên quan đến tất cả các dạng thông tin đó. 1.4.2. Chức năng của GIS GIS có 4 chức năng cơ bản: • Nhập dữ liệu: Là một chức năng của GIS mà qua đó dữ liệu dưới các dạng khác nhau được biến đổi sang dạng số. Việc nhập dữ liệu phụ thuộc vào bàn số hoá. Nhập các dữ liệu không gian, sửa chữa dữ liệu, đưa về một hệ quy chiếu nào đó gắn với toạ độ thực. Chuyển hoá từ Racter sang Vector và ngược lại. Sau đó xây dựng cơ sở dữ liệu. Đây là bước rất quan trọng nhập các dữ liệu bằng bàn phím, máy quét… • Quản lý dữ liệu: Bao gồm việc tổ chức, lưu trữ, truy cập dữ liệu sao cho hiệu quả nhất • Phân tích dữ liệu: Là chức năng quan trọng nhất của GIS. GIS cung cấp các công cụ cần thiết để phân tích dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và tổng hợp cả hai loại dữ liệu đó ở trong cơ sở dữ liệu để tạo ra thông tin mới. • Xuất dữ liệu (báo cáo của GIS): Cho phép hiển thị và trình bày các kết quả phân tích và mô hình hoá không gian dưới dạng bản đồ, bảng tính, văn bản trên màn hình hay trên các vật liệu truyền thống khác. 1.5. Phần mềm giải đoán ảnh viễn thám ENVI (ENVIronment for Visualyzing Images) 1.5.1. Tổng quan về phần mềm ENVI Phần mềm ENVI (The Environment for Visualyzing Images) là phần mềm của hãng Research Systems Inc (Mỹ) chuyên về hiến thị ảnh có khả năng phân tích đa phổ cho hình ảnh quét của SPOT, TM, RADAR. 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, 5.0. 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: Arcgis, Mapinfo, Autocad, Microstation… 1.5.2. 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: Hình 1: Thanh công cụ của phần mềm ENVI 4.5 + Menu File File menu có chức năng cơ bản sau: - Mở ảnh, xem thông tin về ảnh. - Xuất, nhập ảnh các định dạng khác nhau. - Tạo ảnh kiểm tra, xem cấu trúc dữ liệu ảnh. - Chọn lựa các thay đổi và thoát khỏi chương trình. + Menu Basic Tools Menu này có các chức năng cơ bản như sau: - Thực hiện một số thay đổi về hình học của ảnh như độ phân giải, xoay ảnh, cách ghi nhận dữ liệu… - Thực hiện các phép tính thống kê trên ảnh. - Thực hiện cắt ghép ảnh. - Thực hiện các phép toán kiểm định cơ bản của phổ. - Đo khoảng cách, diện tích, tăng cường khả năng xử lý ảnh. - Thống kê, phát hiện thay đổi của các lớp . + Menu Classification Menu này có chức năng như sau: - Thực hiện các thuật toán phân loại ảnh cơ bản như: - Phân loại ảnh có kiểm định. - Phân loại ảnh phi kiểm định. - Phân loại ảnh thông qua thiết lập cây. - Xử lý ảnh sau phân loại. + Menu Tranform Menu này có chức năng như sau: - Tăng cường độ phân giải của ảnh (image shrapening); - Thực hiện một số thuật toán với phổ. - Tạo tỷ số ảnh - Phân tích thành phần chính + Menu Filter Menu này cho phép thực hiên: - Lọc theo cấu trúc của ảnh. - Một số các phép lọc đối với ảnh RADAR để làm giảm nhiễu của ảnh. + Menu Spectral Menu này cung cấp một số các công cụ đặc biệt cho phép phân tích ảnh đa phổ và siêu phổ. Menu có chức năng như sau - Xây dựng và hiển thị các thư viện phổ - Thực hiện các phép toán về phổ. - Xác định các enmember. - Xem ảnh trong trường đa chiều. - Phân tích ảnh. + Menu MapMenu này cho phép thực hiện: - Đưa ảnh về hệ quy chiếu xác định. - Nắn ảnh trực giao. - Ghép ảnh. - Menu này cũng có thể cho phép chuyển hệ quy chiếu của ảnh, bản đồ cũng như xây dựng các hệ quy chiếu mới. + Menu vector Menu này cho phép: - Tạo và quản lý các tệp tin vector. - Chuyển tệp tin ảnh thành vector. - Chuyển các tệp tin vector thành định dạng DXF.