Tài liệu Phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô viên chăn – lào, sử dụng ảnh composite landsat 8

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------- BẾ HUY DƢỠNG PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ CHO THỦ ĐÔ VIÊN CHĂN - LÀO, SỬ DỤNG ẢNH COMPOSITE LANDSAT-8 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------- BẾ HUY DƢỠNG PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ CHO THỦ ĐÔ VIÊN CHĂN - LÀO SỬ DỤNG ẢNH COMPOSITE LANDSAT-8 KHOA: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 8480104.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI QUANG HƢNG Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn: “Phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào, sử dụng ảnh Composite Landsat 8” là nghiên cứu của tôi đã thực hiện dƣới sự định hƣớng của Tiến sĩ Bùi Quang Hƣng và sự hƣớng dẫn trực tiếp của NCS. Phạm Tuấn Dũng. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những gì đƣợc trình bày là những gì tôi đã học hỏi đƣợc và phát triển từ các nghiên cứu trƣớc đây. Tất cả tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn rõ ràng và hợp pháp. Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Hà nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Bế Huy Dƣỡng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép tôi đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Bùi Quang Hƣng là ngƣời đã định hƣớng, hƣớng dẫn và nhiệt tình giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt và giúp tôi nâng cao kiến thức về chuyên ngành trong thời gian học tập tại khoa Công nghệ Thông tin, trƣờng Đại học Công Nghệ, ĐHQG Hà Nội, đặc biệt là sự đào tạo, giúp đỡ của các thầy cô tại chuyên ngành Hệ thống thông tin. Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS. TS. Nguyễn Thị Nhật Thanh, NCS. Phạm Tuấn Dũng, NCS. Mẫn Đức Chức, ThS. Phan Anh, các anh chị và các nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Công nghệ tích hợp liên ngành Giám sát hiện trƣờng đã luôn ủng hộ, chia sẻ kiến thức và hết sức tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, quan tâm và chia sẻ mọi khó khăn với tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Dù nhận đƣợc những sự giúp đỡ nhiệt tình nhƣng do trình độ còn hạn chế nên luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Bế Huy Dƣỡng MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU................................................................ 3 1. Khái quát về bài toán nghiên cứu ...............................................................3 2. Khái quát về viễn thám và phân loại lớp phủ mặt đất ................................4 3. Viễn thám ...................................................................................................8 3.1 Khái niệm viễn thám ...........................................................................8 3.2 Phân loại hệ thống viễn thám ............................................................10 3.3 Các quang phổ thƣờng đƣợc sử dụng trong hệ thống thống viễn thám 12 4. Ảnh vệ tinh ...............................................................................................13 4.1 Nhận thức chung về ảnh vệ tinh ........................................................13 4.2 Ảnh Landsat 8 ...................................................................................16 5. Google Earth Engine ................................................................................21 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ĐÔ THỊ SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT 8............................................................................................ 23 1. Các phƣơng pháp kết hợp ảnh ..................................................................23 2. Các thuật toán thƣờng đƣợc sử dụng trong phân loại lớp phủ .................25 2.1 Support Vector Machine ...................................................................26 2.2 XGBoost ............................................................................................28 3. Phƣơng pháp đánh giá kết quả phân lớp ..................................................30 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM PHÂN LOẠI LỚP PHỦ ........................................... 34 CHƢƠNG 4. CHO THỦ ĐÔ VIÊNG CHĂN - LÀO VÀ KẾT QUẢ ........................ 34 1. Khu vực nghiên cứu: ................................................................................34 2. Tập dữ liệu ảnh Landsat 8 ........................................................................36 3. Tạo ảnh Composite ..................................................................................38 4. Dữ liệu huấn luyện và dữ liệu kiểm thử ...................................................41 5. Phân loại lớp phủ đô thị ...........................................................................42 6. Kết quả .....................................................................................................43 6.1 Kết quả của quá trình kết hợp ảnh .....................................................43 6.2 Kết quả của quá trình phân lớp..........................................................46 6.3 Đánh giá kết quả ................................................................................46 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 53 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng thông tin bƣớc sóng tƣơng ứng với màu sắc ............................................. 13 Bảng 1.2 Bảng so sánh một số đặc tính của các ảnh vệ tinh .............................................. 15 Bảng 1.3 Đặc điểm ảnh vệ tinh LDCM (Landsat 8) .......................................................... 18 Bảng 2.1 Các phƣơng pháp kết hợp ảnh ............................................................................ 25 Bảng 2.2 Ví dụ về Ma trận nhầm lẫn ................................................................................. 31 Bảng 2.3 Ví dụ về Hệ số Kappa ......................................................................................... 33 Bảng 3.1 Danh sách các quận trực thuộc thủ đô Viêng Chăn - Lào .................................. 35 Bảng 3.2 Tập dữ liệu ảnh Landsat 8 .................................................................................. 37 Bảng 3.3 Tổng hợp về các chỉ số Year score, DOY score, Opacity score, Distance to cloud/cloud shadow trong quá trình kết hợp ảnh L8SR. .................................................... 39 Bảng 3.4 Tập điểm mẫu để xây dựng tập dữ liệu huấn luyện và dữ liệu kiểm thử ........... 41 Bảng 3.5 Kết quả phân loại lớp phủ đô thị Viêng Chăn năm 2018. .................................. 47 Bảng 3.6 Bảng tổng hợp so sánh kết quả phân loại lớp phủ đô thị Viêng Chăn. .............. 48 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Thủ đô Viêng Chăn - Lào............................................................................. 3 Hình 1.2 Quá trình thu nhận dữ liệu trong viễn thám. ................................................ 8 Hình 1.3 Giới thiệu về hệ thống viễn thám điển hình. ................................................ 9 Hình 1.4 Hệ thống cảm biến bị động (trái) và cảm biến chủ động (phải). ............... 10 Hình 1.5 Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo cực (phải) ................................. 11 Hình 1.6 Các bƣớc sóng thƣờng đƣợc sử dụng trong viễn thám .............................. 12 Hình 1.7 Ví dụ hiển thị ảnh trong viễn thám ............................................................ 14 Hình 1.8 Ví dụ hiển thị ảnh Landsat 8 kết hợp 7 kênh ảnh....................................... 15 Hình 1.9 Các thế hệ vệ tinh Landsat. ........................................................................ 16 Hình 1.10 Hình ảnh của vệ tinh Landsat 8 ................................................................ 17 Hình 1.11 Minh họa góc nhìn tạo bởi vệ tinh (Viewing Zenith Angle) và góc nhìn tạo bởi mặt trời với phƣơng thẳng đứng (Solar Zenith Angle) ................................. 20 Hình 1.12 Ví dụ kết hợp màu tự nhiên của dữ liệu ảnh Level 1 (trái) và ảnh Surface Reflectance (phải) ..................................................................................................... 20 Hình 1.13 Kiến trúc tổng thể của Google Earth Engine ........................................... 21 Hình 2.1 Ý tƣởng cơ bản của SVM........................................................................... 27 Hình 2.2 Ý tƣởng cơ bản của XGBoost. ................................................................... 28 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan cho quá trình thực nghiệm. ............................................. 34 Hình 3.2 Địa lý và thủy văn Thủ đô Viêng Chăn - Lào ............................................ 35 Hình 3.3 Hình ảnh ghép cho khu vực thủ đô Viêng Chăn - Lào .............................. 37 Hình 3.4 Sơ đồ tính NDVI Score. ............................................................................. 40 Hình 3.5 Ảnh đại diện cho DOY 15 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) .......... 43 Hình 3.6 Ảnh đại diện cho DOY 75 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) .......... 43 Hình 3.7 Ảnh đại diện cho DOY 135 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ........ 44 Hình 3.8 Ảnh đại diện cho DOY 195 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ........ 44 Hình 3.9 Ảnh đại diện cho DOY 255 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ........ 45 Hình 3.10 Ảnh đại diện cho DOY 315 với tổ hợp màu giả đô thị (Kênh 7-6-4) ...... 45 Hình 3.11 Bản đồ lớp phủ đô thị Viêng Chăn, năm 2018. ........................................ 46 Hình 3.12 Bản đồ lớp phủ Viêng Chăn 1995 ............................................................ 49 Hình 3.13 Bản đồ lớp phủ Viêng Chăn 2005 ............................................................ 50 DANH SÁCH THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Thuật ngữ Viết tắt Land use and land cover classification Phân lớp che phủ đất và sử dụng đất LULCC Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý GIS Geostationary satellite Vệ tinh địa tĩnh Polar orbital satellite Vệ tinh quỹ đạo cực Visible Light Ánh sáng nhìn thấy đƣợc Near Infrared Cận hồng ngoại Middle Infrared Hồng ngoại trung bình Thermal Infrared Hồng ngoại nhiệt Microwave Siêu cao tần Pixel Điểm ảnh Band Kênh ảnh United States Geological Survey Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ USGS National Aeronautics and Space Administration Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa NASA Kỳ Landsat Data Continuity Mission Vệ tinh Landsat thứ 8 LDCM Operational Land Imager Bộ thu nhận ảnh mặt OLI Thermal Infrared Sensor Bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt TIRS Digital Number Dạng số nguyên DN Landsat Surface Reflectance LaSRC Code Viewing zenith angle Góc nhìn tạo bởi vệ tinh và phƣơng thẳng đứng Solar zenith angle Góc mặt trời và phƣơng thẳng đứng Google Earth Engine GEE Best-Available-Pixel Phƣơng pháp lựa chọn điểm ảnh tốt BAP nhất Normalized Difference Chỉ số khác biệt thực vật Vegetation Index NDVI 1 MỞ ĐẦU Thủ đô Viêng Chăn (hay Viên Chăn, Vientiane), là thành phố thủ đô của nƣớc Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, có tiềm năng phát triển kinh tế và dân số lớn. Do đó, nhiều khả năng cao khu vực đô thị của thành phố này sẽ mở rộng nhanh chóng ra các vùng ngoại ô dọc theo tuyến đƣờng huyết mạch với cơ sở hạ tầng không đầy đủ. Điều này tạo ra một thành phố với nhiều vấn đề ngổn ngang, điều kiện sống tồi tệ, các dịch vụ xã hội không phù hợp, đồng thời phá hỏng những gì thiên nhiên ban tặng cho nơi đây. Trƣớc thực trạng này, chính quyền thủ đô Viêng Chăn đã kêu gọi các chuyên gia, các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu cùng giúp đỡ và đóng góp vào kế hoạch phát triển thủ đô Viêng Chăn. Để đối phó với vấn đề này, các biện pháp tính toán hợp lý cần đƣợc thực hiện dựa trên kế hoạch phát triển đô thị toàn diện. Chính quyền thủ đô Viêng Chăn cũng nhƣ ngƣời dân thành phố cần xem xét cẩn thận các vấn đề này và lựa chọn đƣờng lối phát triển hợp lý nhất cho thủ đô Viêng Chăn nhằm mục đích vừa phát triển thành phố về kinh tế, dân số, cũng nhƣ vẫn giữ gìn đƣợc những nét bản sắc vốn có để Viêng Chăn trở thành thành phố thu hút với nhân dân Lào cũng nhƣ với khách du lịch nƣớc ngoài. Mục tiêu của đề tài là phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn, đồng thời xây dựng đƣợc bản đồ lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn năm 2018. Để xây dựng đƣợc bản đồ lớp phủ đô thị, luận văn đã áp dụng phƣơng pháp xử lý kết hợp ảnh Landsat8 và sử dụng thuật toán phân lớp để phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào. Việc xây dựng đƣợc bản đồ lớp phủ đô thị, đồng thời giám sát sự thay đổi của lớp phủ đô thị qua nhiều năm sẽ giúp chính quyền địa phƣơng và ngƣời dân nơi đây có thêm đƣợc dữ liệu và căn cứ để lựa chọn phƣơng hƣớng phát triển toàn diện cho thủ đô Viêng Chăn trong tƣơng lai. Luận văn này đƣợc chia làm 05 phần chính. - Phần Mở đầu: Giới thiệu về thực trạng phát triển tại Viêng Chăn và sự cần thiết của việc nghiên cứu phân loại lớp phủ đô thị cho Viêng Chăn. 2 - Chƣơng 1: Tổng quan về nghiên cứu. Chƣơng này, giới thiệu khái quát về viễn thám và bài toán phân loại lớp phủ mặt đất. - Chƣơng 2: Phƣơng pháp phân loại lớp phủ đô thị sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 - Chƣơng 3: Thực nghiệm phân loại lớp phủ cho thủ đô Viêng Chăn - Lào và kết quả. - Phần Kết luận: Tổng kết về các kết quả đạt đƣợc của luận văn, những khó khăn gặp phải và định hƣớng nghiên cứu tiếp theo để cải thiện kết quả cuối cùng. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về bài toán nghiên cứu Hình Error! No text of specified style in document..1 Thủ đô Viêng Chăn - Lào Nguồn ảnh: Vientiane Capital Urban Development Master Plan Viêng Chăn là thủ đô của nƣớc Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, là thành phố trung ƣơng duy nhất và lớn nhất ở Lào, là trung tâm văn hóa, chính trị, kinh tế, xã hội của cả nƣớc, thủ đô Viêng Chăn hứa hẹn sẽ có tiềm năng tăng trƣởng kinh tế và nhân khẩu cao. Sau khi mở cửa đất nƣớc vào năm 1986, nhằm thúc đẩy sự phát triển của đất nƣớc, chính phủ Lào đã cho phép ngƣời dân cũng nhƣ các nhà đầu tƣ nƣớc ngoài có quyền sở hữu đất hoặc thuê đất phục vụ cho các mục đích sản xuất kinh tế, đồng thời cũng ban hành các Luật và quy định liên quan cho vấn đề này. Các nhà đầu tƣ đã sử dụng đất để trồng trọt, khai khoáng, sản xuất thủy điện v.v…, quá trình này góp phần giúp ngƣời dân bản địa có thêm thu nhập, góp phần phát triển kinh tế đất nƣớc. 4 Tuy nhiên, mặt trái của nó cũng phát sinh nhiều các vấn đề. Để tập hợp đất cho các mục đích kinh tế khác nhau, các nhà đầu tƣ cũng nhƣ chính quyền sẽ buộc phải di chuyển một phần hoặc toàn bộ dân cƣ trong khu vực đó. Việc di chuyển dân cƣ này sẽ làm phát sinh ra những khu vực dân cƣ mới, bao gồm các cơ sở hạ tầng nhƣ: chợ, trƣờng học, nhà ở, đƣờng giao thông, vệ sinh, v.v… hoặc dân cƣ sẽ dồn tập trung vào một số khu vực nhất định. Điều này góp phần tạo nên sự phát triển mở rộng của các đô thị. Trong nhiều năm tới, tại thành phố Viêng Chăn, nhiều khả năng khu vực đô thị sẽ nhanh chóng mở rộng về phía ngoại ô dọc theo các tuyến đƣờng huyết mạch. Theo đó với cơ sở hạ tầng không đầy đủ sẽ tạo ra nhiều vấn đề với đô thị ngổn ngang, điều kiện sống tồi tệ và dịch vụ xã hội không phù hợp. Sự phát triển cơ sở hạ tầng ồ ạt, không xác định đúng hƣớng phát triển, sẽ làm mất đi sự quyến rũ, dịu dàng vốn có của thành phố đồng thời kéo chậm sự phát triển kinh tế và xã hội của thành phố này. Để đối phó với vấn đề đó, kế hoạch phát triển đô thị toàn diện cùng với các biện pháp thích hợp cần phải đƣợc các nhà hoạch định chính sách đƣa ra và thực hiện kịp thời. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về cách áp dụng phƣơng pháp xử lý kết hợp ảnh landsat 8 (composite) sau đó sử dụng các thuật toán phân lớp để phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào năm 2018. Việc phân loại đƣợc lớp phủ đô thị và giám sát sự thay đổi của lớp phủ qua nhiều năm sẽ phần nào đó giúp chính quyền địa phƣơng cùng toàn thể ngƣời dân Thủ đô Viêng Chăn xem xét và kiểm tra cẩn thận phƣơng hƣớng phát triển cho thủ đô Viêng Chăn trong tƣơng lai. 1.2. Khái quát về viễn thám và phân loại lớp phủ mặt đất Công nghệ viễn thám đã trở thành một trong những thành tựu khoa học vũ trụ phát triển đến trình độ cao và ngày càng trở thành một kỹ thuật phổ biến đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nƣớc trên toàn thế giới. Công nghệ viễn thám đã đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ nhƣ: nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, thủy văn, băng biển, lập bản đồ che phủ đất, đại dƣơng và ven biển…[1] và nhu cầu này ngày càng gia tăng. Những kết quả thu đƣợc từ 5 công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học, các nhà hoạch định chính sách có các phƣơng án, kế hoạch có tính chiến lƣợc về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trƣờng. Việc nghiên cứu sử dụng đất và phân lớp che phủ đất (LULCC - Land use and land cover classification) đã đƣợc xem xét nhƣ một trong những ứng dụng truyền thống và quan trọng nhất trong viễn thám vì các sản phẩm LULCC rất cần thiết cho một loạt các ứng dụng liên quan đến môi trƣờng [2]. Lớp phủ đề cập đến lớp phủ trên bề mặt trái đất, có thể là thực vật, hạ tầng đô thị, nƣớc, đất trồng hay các loại khác. Xác định, phân định và lập bản đồ lớp phủ là rất quan trọng cho việc nghiên cứu giám sát toàn cầu, quản lý tài nguyên và các hoạt động lập kế hoạch. Xác định lớp phủ chính là cơ sở cho các hoạt động giám sát (phát hiện thay đổi) có thể đƣợc thực hiện, và cung cấp thông tin bao phủ mặt đất cho các bản đồ chuyên đề cơ sở. Các thuật ngữ “Land use” và “Land cover” thƣờng đƣợc sử dụng thay thế cho nhau, nhƣng chúng có những ý nghĩa riêng biệt. Lớp phủ (Land cover) đề cập đến lớp phủ trên bề mặt trái đất, có thể là thực vật, hạ tầng đô thị, nƣớc, đất trồng hay các loại khác. Xác định, phân định và lập bản đồ lớp phủ là rất quan trọng cho việc nghiên cứu giám sát toàn cầu, quản lý tài nguyên và các hoạt động lập kế hoạch. Xác định lớp phủ chính là cơ sở cho các hoạt động giám sát (phát hiện thay đổi) có thể đƣợc thực hiện, và cung cấp thông tin bao phủ mặt đất cho các bản đồ chuyên đề cơ sở. Việc sử dụng đất (Land use) đề cập đế mục đích mà đất phục vụ, chẳng hạn nhƣ: giải trí, môi trƣờng hoang dã hoặc nông nghiệp. Khi sử dụng cùng nhau, cụm từ Land Use/ Land Cover đề cập đến việc phân loại hoặc phân lớp các hoạt động của con ngƣời và các thành phần tự nhiên trong một khung cảnh hoặc khu vực nhất định trong khoảng thời gian dựa trên các phân tích khoa học và thống kê nguồn dữ liệu phù hợp. Các ứng dụng của LULCC trong viễn thám[1] - Quản lý tài nguyên thiên nhiên - Bảo vệ môi trƣờng sống hoang dã 6 - Đầu vào cơ sở cho việc lập bản đồ thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) - Sự mở rộng lấn chiếm của đô thị - Định tuyến và lên kế hoạch cho các hoạt động xác định địa chấn/ thăm dò/ khai thác tài nguyên - Phác họa thiệt hại (động đất, lũ lụt, núi lửa, lốc xoáy, hỏa hoạn) - Ranh giới pháp lý cho việc ƣớc tính thuế và tài sản - Phát hiện mục tiêu: xác định dải hạ cánh, đƣờng, cầu, bề mặt đất/ nƣớc. Một trong những thách thức cấp bách nhất ở hiện tại và cả tƣơng lai là sự đô thị hóa trên toàn cầu. Đô thị hóa là quá trình phát triển kinh tế, xã hội, song song với sự mở rộng không gian đô thị. Ở khía cạnh xã hội học, tùy thuộc vào từng quốc gia khác nhau, định nghĩa đô thị đƣợc sử dụng khác nhau, tuy nhiên hầu hết các quốc gia đều định nghĩa đô thị là khu vực tập trung dân cƣ với mật đột cao và phần lớn dân cƣ hoạt động trong lĩnh vực kinh tế phi nông nghiệp. Đô thị là trung tâm chính trị, hành chính, kinh tế, văn hóa hoặc chuyên ngành, có vai trò thúc đẩy sự phtá triển kinh tế - xã hội của quốc gia hoặc vùng lãnh thổ, một địa phƣơng, bao gồm nội thành, ngoại thành của thành phố; nội thị, ngoại thị của thị xã; thị trấn. [3] Khi dân số trên toàn cầu tăng lên và nền kinh tế của các quốc gia tiếp tục phát triển mà không còn dựa vào các hệ thống nông nghiệp, các thành phố sẽ tăng lên và mở rộng hơn. Sự phát triển đô thị thƣờng xâm phạm đến đất trồng rừng hoặc đất nông nghiệp. Sự tăng trƣởng thành phố là một chỉ số của công nghiệp hóa (phát triển) và nhìn chung đều có ảnh hƣởng tiêu cực đến sức khỏe môi trƣờng của một vùng. Việc định lƣợng cho hiện tƣợng này vẫn chƣa hoàn toàn có thể nắm đƣợc hết. Đặc biệt, thông tin chính xác trên thế giới về vị trí và sự phân bố dân cƣ ở các vùng đô thị và nông thôn là vẫn còn thiếu. Tỉ lệ mặt đất đƣợc bao phủ bởi diện tích xây dựng là bao nhiêu? Tỉ lệ giữa các vùng đô thị và nông thôn là thế nào? Có bao nhiêu thành phố trên Thế giới? [4] Việc thay đổi mục đích sử dụng đất từ nông nghiệp sang đô thị cần đƣợc giám sát để ƣớc tính dân số, dự đoán và hoạch định hƣớng phát triển của đô thị cho các nhà phát triển đồng thời giám sát các mối gây hại và nguy hiểm cho môi trƣờng 7 lân cận [5]. Các khu tị nạn hoặc các thành phố tạm cƣ cũng cần đƣợc giám sát và ƣớc tính số lƣợng dân cƣ và mật độ dân cƣ. Việc phân tích đất sử dụng cho nông nghiệp và đô thị là rất quan trọng để đảm bảo hƣớng phát triển không xâm lấn vào đất nông nghiệp có giá trị, và để đảm bảo nông nghiệp phát triển trên vùng đất thích hợp và sẽ không bị ảnh hƣởng bởi hạ tầng liền kề. Có đƣợc thông tin lớp phủ đô thị sẽ giúp những nhà hoạch định chính sách xây dựng đƣợc chiến lƣợc phát triển hợp lý và bền vững mà vẫn có thể bảo vệ đƣợc môi trƣờng. Với các phân tích đa thời gian, viễn thám mang đến góc nhìn riêng biệt về cách các thành phố phát triển. Yếu tố chính để lập bản đồ thay đổi sử dụng đất từ nông thôn sang đô thị là khả năng phân biệt giữa việc sử dụng đất ở nông thôn (nhƣ việc sử dụng cho canh tác, các đồng cỏ cho gia súc v.v…) và sử dụng đất ở đô thị (dân cƣ, thƣơng mại, giải trí). Phƣơng pháp viễn thám có thể đƣợc sử dụng để phân loại các lớp phủ một cách kinh tế và lặp đi lặp lại trên các khu vực rộng lớn. Đất đô thị là đất thuộc khu vực nội thành, nội thị xã, thị trấn đƣợc quy hoạch sử dụng làm nhà ở, trụ sở các cơ quan tổ chức, các cơ sở sản xuất kinh doanh, các cơ sở hạ tầng phục vụ lợi ích công cộng, quốc phòng an ninh và các mục đích khác của xã hội. Ngoài ra theo quy định các loại đất ngoại thành, ngoại thị xã đã có quy hoạch của cơ quan Nhà nƣớc có thẩm quyền phê duyệt để phát triển đô thị cũng đƣợc tính vào đất đô thị.[3] Trong viễn thám, lớp phủ đô thị sẽ đƣợc đặc trƣng bởi hỗn hợp các kiểu vật liệu khác nhau và là các tổ hợp của các lớp phủ khác biệt nhau về phổ phản xạ. Do tính chất không đồng nhất này, nên việc phân loại các kiểu lớp phủ đô thị thƣờng gặp rất nhiều khó khăn. Do đó, nơi nào có xây dựng, có sự bê tông hóa bề mặt sẽ đƣợc nhận dạng và phát hiện lớp phủ đô thị, dựa theo các đặc tính của mặt không thấm nƣớc [4][6][7][8]. Đƣờng giao thông, các công trình nhà ở, bãi đỗ xe đƣợc phủ bởi vật liệu không thấm nƣớc nhƣ nhựa đƣờng, đá, vật liệu xây dựng v.v… là các mặt không thấm, dù chúng có tính chất vật lý riêng nhƣng sẽ đƣợc ghi nhận là đối tƣợng thuộc lớp phủ đô thị. Và cũng nhƣ nhiều nghiên cứu khác, trong nghiên cứu này, đối tƣợng mặt không thấm đƣợc xem nhƣ là đặc trƣng của đô thị và đƣợc dùng để xác định và phân loại lớp phủ đô thị cho thủ đô Viêng Chăn - Lào. 8 1.3. Viễn thám 1.3.1. Khái niệm viễn thám Hình Error! No text of specified style in document..2 Quá trình thu nhận dữ liệu trong viễn thám. Nguồn ảnh: Nelson Mandela University Viễn thám đƣợc định nghĩa là khoa học và công nghệ thu nhận thông tin về một đối tƣợng, một vùng hoặc một hiện tƣợng thông qua việc phân tích các tài liệu thu đƣợc bởi các thiết bị chuyên dụng. Các thiết bị này không tiếp xúc trực tiếp với các đối tƣợng, khu vực hoặc hiện tƣợng nghiên cứu [9] Sóng điện từ đƣợc phản xạ hoặc bức xạ từ một đối tƣợng là nguồn dữ liệu chính trong viễn thám. Một bức ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các đối tƣợng dƣới dạng năng lƣợng bức xạ trong các bƣớc sóng đƣợc ghi lại. Việc đo đạc và 9 phân tích quang phổ cho phép trích xuất các thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tƣơng tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Các thiết bị đƣợc sử dụng để cảm nhận sóng điện từ đƣợc gọi là cảm biến. Các cảm biến có thể là các máy ảnh hoặc máy quét đƣợc gắn trên các vật mang khác nhau. Các vật mang này có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh... Hình 1.1 thể hiện một sơ đồ điển hình cho việc thu nhận ảnh viễn thám. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lƣợng chính đƣợc sử dụng trong viễn thám. Các bƣớc sóng điện từ đƣợc chuyển đến cảm biến nằm trên các vật mang. Thông tin từ năng lƣợng phản xạ có thể đƣợc xử lý và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ Nông nghiệp, Lâm nghiệp, địa chất, khí tƣợng, môi trƣờng… Một hệ thống viễn thám làm việc theo mô hình sau: đầu tiên tia sáng, có thể phát ra từ mặt trời hoặc chính bản thân vệ tinh, gặp bề mặt Trái đất. Sau đó nó đƣợc hấp thụ một phần, phản xạ và bức xạ trở lại bầu khí quyển. Trong bầu khí quyển tia sáng có thể cũng bị hấp thụ, phản xạ hoặc bức xạ thêm nữa. Trên bầu trời, cảm biến vệ tinh sẽ thu nhận tia phản xạ đến nó. Sau đó là quá trình truyền, nhận, xử lý và chuyển đổi năng lƣợng bức xạ thành dữ liệu ảnh. Cuối cùng, công việc giải thích và phân tích hình ành đƣợc áp dụng để có thể ứng dụng trong đời sống thực tế. Hình 1.3 mô tả các thành phần cơ bản của hệ thống viễn thám. [1] 10 Hình Error! No text of specified style in document..3 Giới thiệu về hệ thống viễn thám điển hình. Nguồn ảnh: Natural Resources Canada (https://www.nrcan.gc.ca) Trong đó: - A: Nguồn năng lƣợng hoặc ánh sáng - B: Truyền năng lƣợng qua khí quyển - C: Các vật thể đƣợc tƣơng tác - D: Vệ tinh - E: Hệ thống thu nhận - F: Hệ thống phân tích hình ảnh - G: Hệ thống ứng dụng. 1.3.2. Phân loại hệ thống viễn thám Các hệ thống viễn thám có thể đƣợc phân loại theo các tiêu chí sau: nguồn năng lƣợng, quỹ đạo của vệ tinh, quang phổ thu nhận, v.v… [1] Phân loại dựa trên nguồn năng lƣợng: có hệ thống viễn thám gián tiếp và trực tiếp, nhƣ hình 1.4. - Hệ thống cảm biến chủ động (active): Cảm biến phát ra bức xạ hƣớng về phía vật thể đƣợc nghiên cứu. Bức xạ phản xạ lại từ vật thể đƣợc phát hiện và đọ đạc bởi bộ cảm biến [1]. Ví dụ nhƣ: radar. - Hệ thống cảm biến bị động (passive): Mặt trời cung cấp nguồn năng lƣợng rất thuận tiện cho viễn thám. Bộ cảm biến bị động chỉ có thể đƣợc sử dụng để phát hiện ra năng lƣợng khi nguồn năng lƣợng tự nhiên có sẵn. Đối với tất cả năng lƣợng phản xạ, cảm biến này chỉ đo đƣợc trong khoảng thời gian mặt trời chiếu sáng vào bề mặt Trái đất.[1] 11 Hình Error! No text of specified style in document..4 Hệ thống cảm biến bị động (trái) và cảm biến chủ động (phải). Nguồn ảnh: Grind GIS (https://grindgis.com) Phân loại dựa vào quỹ đạo vệ tinh: (nhƣ hình 1.5) - Vệ tinh địa tĩnh (Geostationary satellite): Các vệ tinh có hƣớng nhìn tới cùng một khu vực của bề mặt trái đất vào tất cả các khoảng thời gian đƣợc gọi là vệ tinh địa tĩnh[1], các vệ tinh này có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của trái đất, nghĩa là vị trí tƣơng đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên. Các vệ tinh thời tiết và truyền thông là những vệ tinh thuộc loại này. - Vệ tinh quỹ đạo cực (Polar orbital satellite): các vệ tinh với mặt phẳng quỹ đạo bay vuông góc hoặc gần nhƣ vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất, nên chúng có thể lấy ảnh của mọi vùng trên trái đất vào các giờ cố định.