Tài liệu Luận văn ứng dụng công nghệ viễn thám và gis giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than na dương, huyện lộc bình, tỉnh lạng sơn

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS GIÁM SÁT ĐỘ CHE PHỦ THỰC VẬT TẠI KHU VỰC MỎ THAN NA DƢƠNG, HUYỆN LỘC BÌNH, TỈNH LẠNG SƠN CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG NGUYỄN DUY ANH HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS GIÁM SÁT ĐỘ CHE PHỦ THỰC VẬT TẠI KHU VỰC MỎ THAN NA DƢƠNG, HUYỆN LỘC BÌNH, TỈNH LẠNG SƠN NGUYỄN DUY ANH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HOÀNG ANH HUY TS. NGUYỄN TIẾN THÀNH HÀ NỘI, NĂM 2019 Hà Nội - Năm 20.. CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán bộ hƣớng dẫn chính: PGS.TS. Hoàng Anh Huy TS. Nguyễn Tiến Thành Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Phạm Thị Mai Thảo Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Phạm Thị Việt Anh Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Ngày tháng năm 2019 THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ và tên học viên: NGUYỄN DUY ANH Lớp: CH2B.MT Khóa: 2016-2018 Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. Hoàng Anh Huy TS. Nguyễn Tiến Thành Tên đề tài: Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn. Tóm tắt luận văn: Độ che phủ thực vật là một trong nhiều yếu tố quan trọng đƣợc sử dụng để đánh giá các quá trình tự nhiên nhƣ xói lở, trƣợt lở, lũ lụt cũng nhƣ tốc độ phá hủy môi trƣờng tự nhiên do các hoạt động nhân sinh. Mục tiêu của nghiên cứu là giám sát đƣợc biến động độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn từ tƣ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT TM VÀ OLI. Trên cơ sở chỉ số NDVI, phƣơng pháp phân loại ảnh, ứng dụng mô hình phân giải pixel hỗn hợp tuyến tính xác định độ che phủ thực vật (FVC), sau đó tiến hành đánh giá biến động độ che phủ tực vật. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, diện tích có độ che phủ thực vật (FVC) thƣa thớt từ dƣới 10% giảm rất mạnh từ 26,78 xuống 13,37 mạnh từ 19,49 , diện tích có độ che phủ thực vật từ dƣới 20% giảm xuống 13,38 do ảnh hƣởng của hoạt động khai thác tại mỏ than trong giai đoạn 1986 – 2015. Từ kết quả nghiên cứu có thể kết luận: Ứng dụng phƣơng pháp viễn thám, sử dụng tƣ liệu ảnh vệ tinh LANDSAT giúp việc đánh giá, giám sát biến động độ che phủ thực vật một cách hiệu quả, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Kết quả nghiên cứu của luận văn là những đóng góp tiêng dựa trên số liệu thu thập, những kết quả nghiên cứu kế thừa các công trình khoa học khác đều đƣợc trích dẫn theo đúng quy định. Nếu luận văn có sự sao chép từ các công trình khoa học khác, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên Nguyễn Duy Anh ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự quan tâm, giúp đỡ của rất nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị. Nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới: Tôi xin đƣợc bày tỏ sử cảm ơn trân trọng tới PGS.TS. Hoàng Anh Huy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp. TS. Nguyễn Tiến Thành, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội... đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, cán bộ, đồng nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh nhất, song do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận đƣợc sự đóng ghóp ý kiến của các Thầy, Cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Duy Anh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................v DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................................3 1.1. Tổng quan về viễn thám .......................................................................................3 1.1.1. Khái niệm viễn thám ........................................................................................3 1.1.2 Các thành phần chính của hệ thống viễn thám...................................................4 1.1.4. Ứng dụng của công nghệ viễn thám..................................................................7 1.1.5. Tìm hiểu về vệ tinh viễn thám Landsat ...........................................................10 1.2. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (GIS) ...................................................18 1.2.1. Định nghĩa về hệ thống thông tin địa lý .........................................................18 1.2.2. Chức năng của GIS ........................................................................................18 1.3. Tổng quan về độ che phủ thực vật .....................................................................19 1.3.1. Khái niệm độ che phủ thực vật .......................................................................19 1.3.2. Các phƣơng pháp xác định độ che phủ thực vật. ............................................20 1.4. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .....................................................................20 1.4.1. Điều kiện tự nhiên kinh tế - xã hội huyện Lộc Bình .......................................20 1.4.2. Khái quát chung về Mỏ than Na Dƣơng .........................................................33 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....39 2.1. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu .........................................................................39 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................39 2.2.1 Tiền xử lý ảnh vệ tinh ......................................................................................39 2.2.2. Hiệu chỉnh bức xạ ...........................................................................................39 2.2.3. Hiệu chỉnh hình học ........................................................................................41 2.2.4. Phân loại ảnh ...................................................................................................43 2.2.5. Xác định độ che phủ thực vật ..........................................................................47 iv 2.2.6. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật .........................................................49 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................51 3.1. Tƣ liệu, tài liệu và phần mềm sử dụng ...............................................................51 3.1.1. Tƣ liệu, tài liệu sử dụng ..................................................................................51 3.1.2. Phần mềm sử dụng ..........................................................................................52 3.2. Xử lý ảnh vệ tinh trên phần mềm .......................................................................53 3.2.1. Sử dụng phần mềm Envi xử lý ảnh vệ tinh Landsat .......................................53 3.2.2. Sử dụng phần mềm ArcMap để đánh giá biến động và biên tập bản đồ ........69 3.3. Kết quả xác định độ che phủ thực vật qua hai thời kỳ .......................................73 3.3.1. Độ che phủ phủ thực vật huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn năm 1986 .............73 3.3.2. Độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 1986..........................74 3.3.3. Độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn năm 2015 ....................76 3.3.4. Độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 2015..........................77 3.4. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật qua hai thời kỳ ...................................79 3.4.1. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật tại huyện Lộc Bình qua hai thời kỳ 79 3.4.1. Đánh giá biến động độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng qua hai thời kỳ..................................................................................................................81 3.5. Đề xuất quy trình giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực nghiên cứu ...........83 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................................85 KẾT LUẬN ...............................................................................................................85 KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................86 v DANH MỤC VIẾT TẮT FVC Độ che phủ thực vật (Fractional Vegetation Cover) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) LSMM Mô hình hỗn hợp tuyến tính (Linear spectral mixture model) NDVI Chỉ số thực vật (Normalized Difference Vegetation Index) kỹ thuật vệ tinh thăm dò Trái đất (Earth Resource Technology ERTS Sattellite) OLI Bộ thu nhận ảnh mặt đất (Operational Land Imager) LDCM Vệ tinh Landsat 8 (Landsat Data Continuity Mission) TIRS Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (Thermal Infrared Sensor) ETM+ Bộ cảm biến của Landsat 7 (Enhanced Thematic Mapper Plus) MSS Bộ quét đa phổ (Multispectral Scanner) Chỉ số thực vật nhỏ nhất Chỉ số thực vật lớn nhất vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các thế hệ vệ tinh Landsat ........................................................................10 Bảng 1.2 : Một số thông tin kênh phổ của ảnh Landsat TM .....................................11 Bảng 1.3 : Thông tin kênh phổ của ảnh Landsat ETM+ ...........................................12 Bảng 1.4 : Một số thông tin kênh phổ của ảnh Landsat 8 .........................................13 Bảng 1.5 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat TM .........................14 Bảng 1.6 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+ .....................15 Bảng 1.7 : Khả năng ứng dụng các kênh phổ của ảnh Landsat 8 .............................15 Bảng 2.1: Hệ thống phân loại thực phủ của khu vực nghiên cứu .............................44 Bảng 3.1: Bảng thành lập khóa giải đoán ảnh vệ tinh năm 1986 và năm 2015 ........61 Bảng 3.2 : Bảng thống kê chỉ số thực vật NDVI của các lớp phủ ............................65 Bảng 3.3 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực huyện Lộc Bình năm 1986 73 Bảng 3.4 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 1986.. 75 Bảng 3.5 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực huyện Lộc Bình năm 201576 Bảng 3.6 : Bảng thống kê độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 2015.. 78 Bảng 3.7 : Diện tích biến động độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình ................79 năm 1986 và 2015 ....................................................................................................79 Bảng 3.8 : Diện tích biến động độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 1986 và 2015 ....................................................................................................82 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 : Các thành phần của hệ thống viễn thám ....................................................4 Hình 1.2 : Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám .......................................................5 Hình 1.3 : Viễn thám chủ động và viễn thám bị động ................................................6 Hình 1.4 : Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) ..........................6 Hình 1.5 : Vệ tinh Landsat 7(trái) và Vệ tinh Landsat 8(phải) .................................11 Hình 1.6 : độ che phủ của ảnh vệ tinh Landsat trên quy mô toàn cầu ......................17 Hình 1.7: Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau.....18 Hình 1.8: Ranh giới huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn ...............................................21 Hình 2.1 : Các nguồn nhiễu bức xạ ...........................................................................40 Hình 2.2 : Các bƣớc hiệu chỉnh hình học ..................................................................42 Hình 2.3: Phƣơng pháp phân loại xác suất cực đại (Trần Hùng, 2008) ...................45 Hình 2.4 : Giá trị chỉ số NDVI đối với thực vật tƣơi tốt (trái) và héo úa (phải) .......48 Hình 3.1: a,b là hình ảnh Landsat 8 và Landsat 5 quét khu vực nghiên cứu ............51 Hình 3.2 : Thanh công cụ Envi .................................................................................53 Hình 3.3 : Đã mở và load ảnh lên .............................................................................53 Hình 3.4 : Bảng File Selection ..................................................................................54 Hình 3.5 : Bảng Radiometric Cailbration .................................................................54 Hình 3.6 : Hiệu chỉnh khí quyển bằng FLAASH ......................................................55 Hình 3.7 : Sau khi đã hiệu chỉnh khí quyển xong .....................................................56 Hình 3.8 : Bảng Band Math ......................................................................................56 Hình 3.9 : Khu vực huyện Lộc Bình trên ảnh Landsat .............................................57 Hình 3.10: Bảng Spatial Subset via ROI Parameters ................................................58 Hình 3.11 : Khu vực huyện Lộc Bình sau khi cắt .....................................................58 Hình 3.12 : bảng NDVI Calculation Input File .........................................................59 Hình 3.13 : bảng NDVI Calculation Parameters 1986(trái) và 2015(phải) ..............59 Hình 3.14 : NDVI_LỘCBÌNH1986 ..........................................................................60 Hình 3.15 : NDVI_LỘCBÌNH2015 ..........................................................................60 Hình 3.16: Chọn mẫu phân loại ................................................................................62 Hình 3.17: Kết quả phân loại ....................................................................................63 Hình 3.18: Kết quả xử lý sau phân loại .....................................................................63 viii Hình 3.19: Bảng Mask Definition .............................................................................64 Hình 3.20: Bảng thống kê chỉ số thực vật NDVI đối với lớp phủ Đất rừng .............65 Hình 3.21 : Nhập công thức năm 1986 và năm 2015 ...............................................66 Hình 3.22 : Độ che phủ thực vật năm 1986 ..............................................................67 Hình 3.23 : Độ che phủ thực vật năm 2015 ..............................................................68 Hình 3.24 : Bảng hộp thoại Add Data .......................................................................69 Hình 3.25 : Bảng hộp thoại Union ............................................................................70 Hình 3.26 : Bảng hộp thoại Raster Calculator ..........................................................70 Hình 3.27 : Bảng Calculate Geometry ......................................................................71 Hình 3.28 : Bảng thuộc tính ......................................................................................71 Hình 3.29 : Tạo khung bản đồ ...................................................................................72 Hình 3.30 : Bản đồ độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình năm 1986 ........................73 Hình 3.31: Bản đồ độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 1986 ......74 Hình 3.32 : Bản đồ độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình năm 2015 ........................76 Hình 3.33: Bản đồ độ che phủ thực vật khu vực mỏ than Na Dƣơng năm 2015 ......77 Hình 3.34 : Bản đồ biến động độ che phủ thực vật huyện Lộc Bình giai đoạn 1986 – 2015 ..............................................................................................................79 Hình 3.35 : Bản đồ biến động độ che phủ thực vật khu vực mỏ than .................81 Na Dƣơng giai đoạn 1986 – 2015 ..........................................................................81 Hình 3.36 : Quy trình giám sát độ che phủ thực vật.............................................83 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Độ che phủ thực vật là một trong nhiều yếu tố quan trọng đƣợc sử dụng để đánh giá các quá trình tự nhiên nhƣ xói lở, trƣợt lở, lũ lụt cũng nhƣ tốc độ phá hủy môi trƣờng tự nhiên do các hoạt động nhân sinh. Đối với những khu vực miền núi hiểm trở, thành lập bản đồ thảm phủ gặp nhiều khó khăn do không thể tiến hành lấy mẫu phân tích đều khắp vùng. Thành lập sơ đồ thảm phủ thực vật từ phân tích ảnh viễn thám đã rút gọn thời gian và làm tăng độ chính xác của bản đồ. Công nghệ viễn thám ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực từ khí tƣợng – thủy văn, địa chất, môi trƣờng cho đến nông – lâm – ngƣ nghiệp,… trong đó có theo dõi biến động các loại lớp phủ mặt đất đất với độ chính xác khá cao, từ đó có thể giúp các nhà quản lý có thêm nguồn tƣ liệu để giám sát biến động sử dụng đất. Trƣớc yêu cầu đòi hỏi phải cập nhật thông tin một cách đầy đủ, nhanh chóng và chính xác nhất về các loại thảm che phủ thực vật, việc sử dụng tƣ liệu viễn thám kết hợp với công nghệ GIS để xử lý ảnh và thành lập bản đồ đã trở thành một phƣơng pháp có ý nghĩa thực tiễn và mang tính khoa học cao. Hơn nữa; ảnh viễn thám Landsat với những ƣu điểm nhƣ: chi phí rẻ, khả năng cập nhập thông tin dễ dàng, nhanh chóng, chính xác, diện tích vùng phủ rộng, tính chất đa thời kỳ của tƣ liệu, tính chất phong phú của thông tin đa phổ, có thể chụp ảnh những khu vực mà việc đi lại rất khó khăn nhƣ đầm lầy đã giúp việc nghiên cứu biến động thảm che phủ đạt hiệu quả cao hơn. Ở Việt Nam, hoạt động khai thác than có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nƣớc, song việc khai thác thiếu quy hoạch tổng thể không quan tâm đến cảnh quan môi trƣờng đã và đang làm biến động nguồn tài nguyên thiên nhiên nhƣ mất dần đất canh tác, giảm diện tích rừng gây ô nhiễm nguồn nƣớc bao gồm nƣớc mặt, nƣớc ngầm và cả ô nhiễm biển, ảnh hƣởng tới tài nguyên sinh vật và sức khoẻ cộng đồng. Cùng với quá trình phát triển của đất nƣớc, sự phát triển mạnh mẽ của ngành than. Cũng nhƣ ở một số địa 2 phƣơng khác, Mỏ than Na Dƣơng là một trong những khu vực khai thác chính của tỉnh Lạng Sơn nằm trên địa bàn thị trấn Na Dƣơng, huyện Lộc Bình. Trong những năm qua Mỏ than đã có đóng góp đáng kể cho sự phát triển kinh tế - xã hội của huyện. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động khai thác không thể tránh khỏi việc phát sinh những tác động gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng môi trƣờng xung quanh và đặc biệt là thảm thực vật tại khu vực khai thác. Vì vậy, để quản lý và bảo tồn thảm thực vật tại khu vực khai thác đƣợc hiệu quả thì công tác giám sát là một nhiệm vụ tối quan trọng đặt ra cho các nhà nghiên cứu và quản lý. Xuất phát từ yêu cầu nêu trên, tôi tiến hành thực hiện đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dương, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Giám sát đƣợc biến động độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn. 3. Nội dung nghiên cứu - Thu thập các tài liệu, số liệu, dữ liệu vệ tinh và bản đồ tại khu vực nghiên cứu và vấn đề nghiên cứu. - Xử lý và giải đoán ảnh vệ tinh phục vụ thành lập bản đồ độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn. - Chiết tách độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn qua các thời kì từ ảnh vệ tinh Landsat. - Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS thành lập bản đồ độ che phủ thực vật và biến động tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn. - Đề xuất quy trình giám sát độ che phủ thực vật tại khu vực mỏ than Na Dƣơng, huyện Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về viễn thám 1.1.1. Khái niệm viễn thám Viễn thám (Remote sensing – tiếng Anh) đƣợc hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tƣợng, một khu vực hoặc một hiện tƣợng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận bằng các phƣơng tiện. Những phƣơng tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng, khu vực hoặc hiện tƣợng nghiên cứu. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhƣng mọi định nghĩa đều có nét chung nhấn mạnh “viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tƣợng, hiện tƣợng trên trái đất”. Thuật ngữ viễn thám đƣợc sử dụng đầu tiên ở Mỹ vào năm 1960, bao gồm tất cả các lĩnh vực nhƣ không gian ảnh, giải đoán ảnh, địa chất ảnh. Về bản chất, do các tính chất của vật thể có thể đƣợc xác định thông qua năng lƣợng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám còn là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tƣợng hoặc các điều kiện môi trƣờng thông qua những đặc trƣng riêng về sự phản xạ và bức xạ. Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện tử hoặc đƣợc phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ vật thể đƣợc gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu đƣợc ảnh số (digtal number). Phƣơng tiện dùng để mang bộ cảm biến đƣợc gọi là vật mang. Hiện nay, vật mang rất đa dạng có thể là kinh khí cầu, máy bay, vệ tinh, tàu vũ trụ… 4 1.1.2 Các thành phần chính của hệ thống viễn thám Hình 1.1 : Các thành phần của hệ thống viễn thám Sóng điện tử đƣợc phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tƣợng. Ảnh viễn thám cung cấp các thông tin về các vật thể tƣơng ứng với năng lƣợng bức xạ ứng với từng bƣớc sóng xác định. Đo lƣờng và phân tích năng lƣợng phản xạ phổ ghi nhận bở ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tƣơng tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Nguồn năng lƣợng chính thƣờng đƣợc sử dụng trong viễn thám là nguồn năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ đƣợc bộ cảm biến đặt trên vật mang thu nhận. Thông tin về năng lƣợng phản xạ của các vật thể đƣợc ảnh viễn thám thu nhận và xử lý tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng dữ liệu, thông tin liên quan đến các vật thể, hiện tƣợng trên mặt đất sẽ đƣợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ lâm nghiệp, địa chất, khí tƣợng. 5 \ Hình 1.2 : Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám Năng lƣợng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trƣờng khí quyển sẽ bị các phần tử khí hấp thụ dƣới các hình thức khác nhau tùy thuộc từng bƣớc sóng cụ thể. Trong viễn thám ngƣời ta thƣờng quan tâm đến khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển vì các hiện tƣợng và cơ chế tƣơng tác giữa sóng điên từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận. 1.1.3. Phân loại viễn thám Sự phân biệt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố: - Hình dáng quỹ đạo vệ tinh - Độ bay cao của vệ tinh, thời gian còn lại của một quỹ đạo - Dải phổ của các thiết bị thu - Loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận a. Phân loại theo nguồn tín hiệu Căn cứ vào nguồn của tia tới mà viễn thám đƣợc chia làm hai loại: viễn thám chủ động và viễn thám bị động 6 Hình 1.3 : Viễn thám chủ động và viễn thám bị động - Viễn thám chủ động (active): nguồn tia tới là ánh sáng phát ra từ các thiết bị nhân tạo thƣờng là các thiết bị máy phát đặt trên các thiết bị bay. - Viễn thám bị động (passive): nguồn bức xạ là mặt trời hoặc các vật chất tự nhiên. Hiện nay, việc ứng dụng phối hợp giữa viến thám và các công nghệ vũ trụ đã trở lên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Các nƣớc có nền công nghệ vũ trụ phát triển đã phóng nhiều vệ tinh lên quỹ đạo, trên đó mang nhiều thiết bị viễn thám khác nhau. Các trạm thu mặt đất phân bố đều trên phạm vi toàn cầu có khả năng thu nhận nhiều loại tƣ liệu viễn thám do vệ tinh truyền xuống. b. Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo Có hai loại chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực). Hình 1.4 : Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) 7 Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ quay bằng tốc độ quay của trái đất, nghĩa là vị trí tƣơng đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên. Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của trái đất và đƣợc thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phƣơng và thời gian thu là lặp lại đối với một vệ tinh. Ví dụ Landsat là 18 ngày, SPOT là 26 ngày. c. Phân loại theo dải sóng thu nhận Theo bƣớc sóng sử dụng có thể chia viễn thám thành ba loại cơ bản: - Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại - Viễn thám hồng ngoại nhiệt - Viễn thám siêu cao tần Mặt trời là nguồn năng lƣợng chủ yếu đối với nhóm viễn thám trong dải sóng nhìn thầy và hồng ngoại. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bƣớc sóng ƣu thế 0,5 m. Tƣ liệu viễn thám thu đƣợc trong dải sóng nhìn thầy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Các thông tin từ vật thể đƣợc xác định từ các phổ phản xạ. Viễn thám siêu cao tần sử dụng bức xạ siêu cao tần có bƣớc sóng từ 1 đến vài chục centimet. Nguồn năng lƣợng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần chủ động đƣợc chủ động phát ra từ máy phát. Kỹ thuật rada thuộc viễn thám siêu cao tần chủ động. Rada chủ động phát ra nguồn năng lƣợng tới các vật thể sau đó thu lại đƣợc những bức xạ, tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Nguồn năng lƣợng sử dụng đối với viễn thám siêu cao tần bị động do chính vật thể phát xạ. Bức xạ kế siêu cao tần là bộ cảm thu nhận và phân tích bức xạ siêu cao tần của vật thể. 1.1.4. Ứng dụng của công nghệ viễn thám a. Sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để thành lập bản đồ Khi con ngƣời phóng các vệ tinh và các con tàu vũ trụ vào không gian, các nhà khảo sát và bản đồ học đã mong một ngày nào có thể sử dụng các tấm ảnh chụp từ 8 vũ trụ vào mục đích đo vẽ bản đồ. Các kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng : có thể sử dụng tƣ liệu ảnh thu nhận bề mặt trái đất từ các con tàu vũ trụ để thành lập bản đồ tỷ lệ 1: 250.000 và nhỏ hơn. Tuy nhiên độ phân giải của chúng không thỏa mãn một số yêu cầu của nội dung bản đồ cần thiết nhƣ thể hiện chính xác các con đƣờng, các tuyến đƣờng sắt, các khu đô thị, và vẽ các cấu trúc nhân tạo trong đó.  Đối với tƣ liệu ảnh Landsat MSS, TM, ETM+ Ảnh Landsat MSS đƣợc sử dụng để tạo ra các sản phẩm bản đồ ảnh, một số loại bản đồ chuyên đề, cập nhật và hiện chỉnh các loại bản đồ cảnh quan, bản đồ bay, bản đồ địa hình và đồng thời biên vẽ lƣợc đồ nông sâu của biển. Ảnh Landsat TM có độ phân giải cao có thể đáp ứng công tác thành lập hoặc hiệu chỉnh bản đồ tỷ lệ 1: 250.000 đến 1: 50.000  Đối với ảnh SPOT, MAPSAT Ở nhiều nƣớc, ngƣời ta tiến hành nhiều thực nghiệm về công tác tăng dày và đo vẽ bản đồ trên ảnh SPOT. Nhìn chung đều có kết luận ảnh SPOT có thể sử dụng vẽ các loại bản đồ tỷ lệ 1: 250.000 với khoảng cao đều từ 20 đến 25m. Ảnh đa phổ MAPSAT dùng để vẽ bản đồ tỷ lệ 1: 50.000 với khoảng cao đều 20m. Độ phân giải mặt đất là 10m đối với ảnh toàn sắc và 30m đối với ảnh đa phổ.  Đối với tƣ liệu ảnh thu từ máy chụp ảnh vũ trụ quang học Khi sử dụng ảnh vũ trụ đƣợc chụp từ các máy chụp ảnh quang học có thể đo vẽ bản đồ tỷ lệ trung bình và nhỏ. b. Ứng dụng trong điều tra và quản lý tài nguyên môi trường  Phân loại bề mặt lớp phủ Lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt là một trong những ứng dụng quan trọng nhất và tiêu biểu của viễn thám. Lớp phủ bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt trái đất, ví dụ : đất rừng, tràng cỏ, sa mạc,… Trong khi đó sử dụng đất phản ánh các hoạt động của con ngƣời trong việc sử dụng đất nhƣ các vùng công nghiệp, đất thổ cƣ, đất trồng các loại hoa màu canh tác.