Tài liệu Tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá biến động đất đai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ------------------------ ------------------------ HOÀNG MẠNH LINH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI GIAI ĐOẠN 2005 - 2015 HUYỆN THIỆU HÓA TỈNH THANH HOÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ------------------------ ------------------------ HOÀNG MẠNH LINH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI GIAI ĐOẠN 2005 - 2015 HUYỆN THIỆU HÓA TỈNH THANH HOÁ CHUYÊN NGÀNH : QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI MÃ SỐ : 60.85.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUỐC VINH HÀ NỘI – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: - Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử dụng để thực hiện đề tài nào. - Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chú thích nguồn gốc là sự thật. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận văn Hoàng Mạnh Linh Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Quốc Vinh - Bộ môn Hệ thống thông tin đất đai, khoa Quản lý đất đai, Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, người đã hướng dẫn, giúp đỡ em rất tận tình trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học. Để hoàn thành được bản luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm tạo điều kiện từ Khoa Quản lý đất đai, Học viện nông nghiệp Việt Nam, phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Thiệu Hóa, các cán bộ địa chính cấp xã đã tạo điều kiện cho em học tập và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài này. Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người thân và đồng nghiệp nơi em đang sống và làm việc đã động viên, giúp đỡ, ủng hộ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để đạt được kết quả như ngày hôm nay. Em xin cảm ơn rất nhiều! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận văn Hoàng Mạnh Linh Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page ii MỤC LỤC Lời cam đoan....................................................................................................... i Lời cảm ơn ......................................................................................................... ii Mục lục ............................................................................................................. iii Danh mục các từ viết tắt .................................................................................... vi Danh mục bảng ................................................................................................ vii Danh mục hình ảnh.......................................................................................... viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................2 3. Yêu cầu của đề tài............................................................................................2 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................3 1.1. Công nghệ viễn thám ....................................................................................3 1.1.1. Khái quát chung về công nghệ viễn thám .............................................3 1.1.2. Phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên. .........................................6 1.1.3. Các loại vệ tinh và ảnh vệ tinh ..............................................................8 1.1.4. Các phương pháp giải đoán ảnh viễn thám ......................................... 17 1.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS)................................................................... 22 1.2.1. Khái niệm chung về GIS .................................................................... 22 1.2.2. Các bộ phận cấu thành GIS................................................................. 22 1.3. Khái niệm chung về sử dụng đất, bản đồ sử dụng đất và biến động sử dụng đất ..................................................................................................................... 24 1.3.1. Khái niệm sử dụng đất ........................................................................ 24 1.3.2 . Khái niệm biến động sử dụng đất ...................................................... 25 1.3.3. Khái niệm bản đồ sử dụng đất và bản đồ biến động sử dụng đất ......... 25 1.4. Tình hình ứng dụng viễn thám và GIS trên thế giới và ở Việt Nam ............. 25 1.4.1. Tích hợp viễn thám và GIS ................................................................. 25 1.4.2. Trên Thế giới...................................................................................... 26 1.4.3. Tại Việt Nam ...................................................................................... 27 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iii 1.4.4. Tích hợp viễn thám và GIS trong đánh giá biến động sử dụng đất ...... 31 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................................................. 35 2.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 35 2.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 35 2.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 35 2.3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội và tình hình quản lý, sử dụng đất của huyện ........................................................................................................... 35 2.3.2. Xây dựng bản đồ sử dụng đất huyện Thiệu Hóa năm 2005, năm 2009 và năm 2015 ................................................................................................. 36 2.3.3. Xây dựng bản đồ biến động đất đai giai đoạn 2005 - 2015, đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thiệu Hóa, tỉnh Thanh Hóa ............................ 36 2.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 37 2.4.1. Phương pháp điều tra số liệu thứ cấp .................................................. 37 2.4.2. Phương pháp điều tra số liệu sơ cấp .................................................... 37 2.4.3. Phương pháp xử lý số liệu .................................................................. 37 2.4.4. Phương pháp minh hoạ trên bản đồ, biểu đồ ...................................... 40 2.4.5. Phương pháp so sánh .......................................................................... 40 2.4.6. Phương pháp thống kê ........................................................................ 40 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 41 3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và tình hình quản lý sử dụng đất của huyện................................................................................................................. 41 3.1.1. Điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên ...................................... 41 3.1.2. Tình hình kinh tế xã hội ...................................................................... 45 3.1.3. Tình hình quản lý, sử dụng đất đai ...................................................... 50 3.2. Giải đoán ảnh vệ tinh xây dựng bản đồ sử dụng đất .................................... 54 3.2.1. Thu thập tư liệu .................................................................................. 54 3.2.2. Giải đoán ảnh viễn thám và thành lập bản đồ sử dụng đất huyện Thiệu Hóa .. 55 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iv 3.3. Xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 2005-2015, đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thiệu Hóa. .................................................................. 65 3.3.1. Xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất theo các giai đoạn ................ 65 3.3.2. Đánh giá biến động sử dụng đất huyện Thiệu Hóa trong giai đoạn nghiên cứu ................................................................................................... 66 3.4. Nhận xét về phương pháp ........................................................................... 69 3.4.1. Ưu điểm ............................................................................................. 69 3.4.2. Nhược điểm ........................................................................................ 70 3.4.3. So sánh giữa phương pháp tích hợp viễn thám và GIS với phương pháp truyền thống ................................................................................................. 71 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ............................................................................... 72 Kết luận ............................................................................................................. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐSDĐ Bản đồ hiện trạng sử dụng đất BĐ SDĐ Biến động sử dụng đất ĐCX Độ chính xác QLTHĐB Quản lý tổng hợp đới bờ STT Số thứ tự SĐ SDĐ Sơ đồ sử dụng đất UBND Ủy ban nhân dân Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vi DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1. Các hệ thống vệ tinh Landsat ...................................................................... 11 1.2. Các thông số kỹ thuật của các loại bộ cảm .................................................. 12 1.3. Đặc điểm ảnh vệ tinh VNREDSat-1............................................................ 15 3.1. Dữ liệu ảnh thu thập theo các năm .............................................................. 54 3.2: Các loại hình sử dụng đất trên địa bàn khu vực nghiên cứu......................... 57 3.3. Mẫu giải đoán ảnh vệ tinh .......................................................................... 59 3.4. Đánh giá kết quả phân loại bản đồ sử dụng đất năm 2015 ........................... 63 3.5. Thống kê biến động trong giai đoạn 2005-2009 .......................................... 66 3.6. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2005-2009 huyện Thiệu Hóa ................... 67 3.7. Thống kê biến động trong giai đoạn 2009-2015 .......................................... 68 3.8. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2009-2015 huyện Thiệu Hóa ................... 68 3.9. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2009-2015 huyện Thiệu Hóa ................... 69 3.10. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2009-2015 huyện Thiệu Hóa ................. 71 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vii DANH MỤC HÌNH ẢNH STT Tên hình ảnh Trang 1.1. Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám ...............................................4 1.2. Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng ............................................5 1.3. Đường cong phản xạ phổ của thực vật ..........................................................7 1.4. Landsat 7 .................................................................................................... 11 1.5. Landsat 8 .................................................................................................... 11 1.6. Vệ tinh VNREDSat-1 ................................................................................. 16 1.7. Ảnh chụp từ vệ tinh VNREDSat-1 khu vực sông Hồng............................... 17 1.8. Quá trình thu nhận, xử lý và ứng dụng của vệ tinh VNREDSat-1 ............... 17 1.9. Các bộ phận cấu thành của GIS .................................................................. 22 3.1. Sơ đồ vị trí huyện Thiệu Hóa - tỉnh Thanh Hóa .......................................... 41 3.2. Ảnh 2015 được cắt theo địa giới hành chính huyện Thiệu Hóa ................... 56 3.3. Tệp mẫu năm 2015 được gộp lại ................................................................. 60 3.4. Đánh giá độ chính xác theo phương pháp Serability ................................... 61 3.5. Ảnh 2015 thể hiện sau khi đánh giá xác suất cực đại................................... 61 3.6. Ảnh thể hiện sau khi tiến hành lọc ảnh năm 2015. ...................................... 62 3.7. Ảnh thể hiện tọa độ điểm thực địa trên ảnh 2015 đã lọc. ............................. 63 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặc biệt, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường sống, là địa bàn phân bố các khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn hóa xã hội, an ninh quốc phòng. Đất đai là nền tảng trong mọi hoạt động của con người. Đối với bất kỳ một quốc gia nào, đất đai cũng là nguồn lực quan trọng hàng đầu cho sự phát triển kinh tế, kỹ thuật, cơ sở hạ tầng xã hội. Nó luôn cố định về diện tích, vị trí không gian và vô hạn về thời gian sử dụng. Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa cùng với gia tăng dân số đã và đang gây sức ép lớn trong việc sử dụng đất ở nước ta hiện nay, kéo theo hàng loạt các biến động về quỹ đất và tình hình sử dụng đất theo cả chiều hướng tích cực lẫn tiêu cực đến các vấn đề môi trường tự nhiên và môi trường xã hội. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học hiện đại đòi hỏi thông tin phải nhanh chóng, chính xác, kịp thời. Đặc biệt, đất đai luôn biến động từng ngày, từng giờ nên việc cập nhật, tra cứu, đánh giá biến động sử dụng đất để hoạch định ra những phương án sử dụng đất trong tương lai là vô cùng cần thiết, tuy nhiên với những hạn chế từ phương pháp truyền thống là mất nhiều thời gian và nhân lực, cùng sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ thì việc cải tiến phương pháp và áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ vào đánh giá biến động là việc làm vô cùng cần thiết. Công nghệ viễn thám ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên Thế giới trong nhiều lĩnh vực. Dữ liệu viễn thám với đặc điểm đa thời gian, xử lý ngắn và phủ trùm khu vực rộng là một công cụ hữu hiệu cho việc theo dõi biến động sử dụng đất. Cùng với đó, thiết bị tin học được đồng bộ hóa tăng khả năng xử lý nhanh chóng trong việc xây dựng các loại bản đồ. Vì vậy, phương pháp viễn thám kết hợp công nghệ GIS (Hệ thống thông tin địa lý) sẽ góp phần khắc phục nhiều hạn chế của phương pháp truyền thống và đặc biệt hiệu quả trong xử lý số liệu nhằm đánh giá biến động trong quá trình sử dụng đất đai. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 1 Huyện Thiệu Hóa nằm ở vị trí trung tâm trên bản đồ hành chính tỉnh Thanh Hóa. Trung tâm văn hóa chính trị của huyện là thị trấn Vạn Hà có tọa độ địa lý ở vào khoảng 19º53’ vĩ độ Bắc, 105º40’ kinh độ Đông cách thành phố Thanh Hóa khoảng 17km về phía Tây Bắc theo Quốc lộ 45. Cũng như các huyện khác nằm trong tình hình chung của cả nước, đất đai của huyện thường xuyên có sự biến động, do đó việc cập nhật, chỉnh lý những thông tin biến động về đất đai một cách kịp thời, chính xác là rất cần thiết. Tuy nhiên thực tế cho thấy công tác đánh giá biến động sử dụng đất bằng phương pháp truyền thống dựa trên hồ sơ, sổ sách và bản đồ giấy tại huyện đang thực hiện khó đáp ứng được nhu cầu cập nhật, tra cứu, so sánh, đánh giá làm cho công tác quản lý đất đai của huyện gặp nhiều vướng mắc và kém hiệu quả. Nhận thức được vai trò và tầm quan trọng của việc đánh giá biến động sử dụng đất phục vụ công tác quản lý sử dụng đất được hiệu quả và từng bước hiện đại hơn, được sự phân công và hướng dẫn của TS. Trần Quốc Vinh, em xin tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá biến động đất đai giai đoạn 2005 - 2015 huyện Thiệu Hóa – tỉnh Thanh Hóa”. 2. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng bản đồ biến động đất đai giai đoạn 2005 - 2015 huyện Thiệu Hóa, tỉnh Thanh Hóa bằng tư liệu viễn thám và GIS. - Từ kết quả nghiên cứu, đưa ra các nhận xét đánh giá sự biến động đất đai giai đoạn 2005 - 2015 trên địa bàn huyện Thiệu Hóa, tỉnh Thanh Hóa. 3. Yêu cầu của đề tài - Bản đồ sử dụng đất ba thời điểm năm 2005, 2009 và năm 2015 được xây dựng từ tư liệu ảnh vệ tinh kết hợp với phương pháp điều tra ngoài thực địa. - Bản đồ biến động đất đai huyện Thiệu Hóa trong các giai đoạn 20052009 và 2009-2015 được xây dựng từ sơ đồ sử dụng đất các năm 2005, 2009 và 2015. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 2 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Công nghệ viễn thám 1.1.1. Khái quát chung về công nghệ viễn thám Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát.( Lillesand và Kiefer, 1986) "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 tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó.” ( Nguyễn Khắc Thời, 2011) Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là những nguồn tư liệu chính trong viễn thám. Các thiết bị dùng để thu nhận sóng điện từ gọi là bộ cảm. Thiết bị để đưa bộ cảm vào vũ trụ gọi là vật mang. Máy bay và vệ tinh là những vật mang thông dụng trong kỹ thuật viễn thám. Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo các thông tin về đối tượng. Các thiết bị viễn thám thu nhận, xử lý các thông tin này, từ các thông tin phổ nhận biết, xác định được các đối tượng. (Phạm Vọng Thành, 2013) Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 3 Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO2, mà độ truyền dẫn sóng điện từ của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng. Tại những vùng đó bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất đồng nghĩa với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin. Ở những vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ truyền tới được bộ cảm một cách đầy đủ nhất. Các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải sóng cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt các bức xạ được ghi nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy thuộc vào độ phân giải trong không gian của bộ cảm. Các xung này được tách thành các bước sóng thiết kế sẵn cho bộ cảm và tạo ra các dữ liệu đa phổ từ bề mặt này. Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Đặc trưng này sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bề mặt đất. Kể cả đối với giải đoán bằng mắt thì việc hiểu biết nhiều về đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 4 Hình 1.2. Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng Đối với các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi bộ cảm vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt, các bức xạ được thu nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy thuộc vào độ phân giải không gian của bộ cảm. Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3- 0,4µm), sóng ánh sáng nhìn thấy (0,4- 0,7µm), dải sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt. Các bước sóng gần đây được sử dụng trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt được sử dụng trong đo nhiệt, sóng micromet được sử dụng trong kỹ thuật radar. Viễn thám được phân thành ba loại cơ bản theo bước sóng sử dụng. a. Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: Nguồn năng lượng chính sử dụng của viễn thám trong dải sóng này là bức xạ mặt trời. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế ở 0,5 µm. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Vì vậy các thông tin về vật thể được xác định từ các phổ phản xạ. Đây là nhóm kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất. Nó cho hình ảnh chất lượng rất cao và hợp với tư duy giải đoán của con người. Điểm yếu của Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 5 nó là phụ thuộc vào thời tiết, chỉ những khi trời trong, không mây, không mưa thì tư liệu thu được mới có thể sử dụng được. b. Viễn thám hồng ngoại nhiệt: Nguồn năng lượn sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Mỗi vật thể trong điều kiện bình thường đều tự phát ra một lượng bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10 µm. Các bộ cảm dựa theo nguyên lý này thường thu nhận thông tin về đêm. Tư liệu thu được cho phép xác định các nguồn nhiệt trên bề mặt trái đất. c. Viễn thám siêu cao tần: Trong đó hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được áp dụng. Trong viễn thám siêu cao tần bị động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát ra, được ghi lại, còn viễn thám siêu cao tần chủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật thể sau khi được phát ra từ các máy phát đặt trên từng vật mang. Nhìn chung, kỹ thuật viễn thám chủ động được ứng dụng nhiều và có hiệu quả cao bởi lẽ điều kiện quan trắc không bị giới hạn bởi điều kiện của khí quyển. 1.1.2. Phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên. Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên bề mặt trái đất là thông số quan trọng trong viễn thám. Đặc trưng phản xạ phổ hay đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên là hàm của nhiều yếu tố. Các đặc tính này phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển, bề mặt đối tượng, bản thân đối tượng và thời điểm thu nhận thông tin về đối tượng. 1.1.2.1. Đặc tính phản xạ phổ của thực vật. Lớp phủ thực vật là đối tượng được quan tâm nhiều bởi chiếm đa số diện tích bề mặt tự nhiên. Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo chiều dài bước sóng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin và một số sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là: sắc tố, cấu trúc tế bào, thành phần nước. Năng lượng mặt trời khi chiếu xuống Trái Đất thì lá cây hấp thụ khoảng 85% ánh sáng nhìn thấy, phản xạ 10%, cho đi qua lá 5%. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 6 Lá cây hấp thụ mạnh ở khoảng phổ hẹp (0,4- 0,47 µm) khoảng phổ tím, chàm - tím và ( 0,59 - 0,68 µm) khoảng phổ da cam, đỏ - da cam, đỏ. Cực đại của sự hấp thụ tại 0,43µm và 0,62µm. Hình 1.3. Đường cong phản xạ phổ của thực vật Trên đồ thị hình 2.3 nhận thấy khả năng phản xạ phổ của thực vật ở vùng bước sóng nhìn thấy và bước sóng hồng ngoại là thấp hơn nhiều so với khả năng phản xạ phổ của thực vật ở vùng bước sóng cận hồng ngoại. Ở vùng phổ hồng ngoại sự ảnh hưởng của thành phần nước tới khả năng phản xạ phổ thể hiện rõ rệt nhất khi thành phần nước hấp thụ đáng kể năng lượng mặt trời. Hàm lượng nước trong lá cây giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của thực vật cũng tăng mạnh. Tuy nhiên, khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác nhau và đặc 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 có sự khác biệt rõ rệt. - Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn ánh sáng bị hấp thụ bởi sắc tố trong tế bào (Clorophin) có trong lá cây, một phần nhỏ thấu quang qua lá còn lại là phản xạ. - Ở vùng cận hồng ngoại cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá cây, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 7 - Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước, khi độ ẩm trong lá cao thì năng lượng hấp thụ là cực đại. (Nguyễn Khắc Thời, 2011) (Phạm Vọng Thành, 2013) 1.1.2.2. Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng. Đường đặc trưng cho phản xạ phổ của thổ nhưỡng không phức tạp như của thực vật. Khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là trong vùng cận hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Các loại đất có thành phần cấu tạo, có hợp chất hữu cơ và vô cơ khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của đất là cấu trúc bề mặt đất, độ ẩm của đất, hợp chất hữu cơ, hợp chất vô cơ, thời điểm thu nhận thông tin. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, đất thường có hệ số phản xạ cao hơn thực vật. 1.1.2.3. Đặc tính phản xạ phổ của nước. Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo chiều dài bước sóng chiếu tới (giảm dần theo chiều dài bước sóng) và thành phần vật chất có trong nước, hàm lượng các vật chất lơ lửng, nước bẩn chứa nhiều tạp chất phản xạ mạnh hơn so với nước sạch, nhất là vùng ánh sáng nhìn thấy (đỏ - Red). Nước trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng ngắn xanh chàm (blue), yếu dần khi sang vùng lục (green) và triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ (red). Khi nước bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hưởng của sự tán xạ bởi vật chất lơ lửng trong nước. Sự thay đổi về tính chất của nước (độ mặn, độ sâu,...) đều ảnh hưởng đến tính chất phổ của chúng.(Nguyễn Khắc Thời, 2011) (Phạm Vọng Thành, 2013) 1.1.3. Các loại vệ tinh và ảnh vệ tinh 1.1.3.1. Vệ tinh SPOT và ảnh vệ tinh SPOT Vào đầu năm 1978 chính phủ Pháp quyết định phát triển chương trình SPOT (Système Pour l`Observation de la Terre) với sự tham gia của Bỉ và Thụy Điển. Hệ thống vệ tinh viễn thám do Trung tâm nghiên cứu không gian (Centre National d`Etudes Spatiales - CNES) của Pháp chế tạo và phát triển. Vệ tinh đầu tiên là SPOT-1 được phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT-2, SPOT-3, Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 8 SPOT-4, SPOT-5, SPOT-6 và SPOT-7 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998, 2002, 2012 và 2014 trên mình mang hệ thống quét CCD. Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98,7o, thời điểm bay qua xích đạo là 10h30` và chu kỳ lặp là trong 26 ngày. Các thế hệ vệ tinh 1,2,3 có bộ cảm HRV (High Resolution Visible) với kênh toàn sắc (0,51 - 0,73µm) độ phân giải 10m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20m, phân bố trong vùng sóng nhìn thấy gồm xanh lục (0,5-0,59µm), đỏ (0,61-0,68µm), gần hồng ngoại (0,79-0,89µm). Mỗi ảnh có độ bao phủ mặt đất là 60km x 60km. Vệ tinh SPOT-4 với kênh toàn sắc (0,49-0,71µm); ba kênh đa phổ HRV tương đương với ba kênh truyền thống HRV; thêm kênh hồng ngoại (1,58-1,75µm) có độ phân giải 20m. Khả năng chụp nghiêng của SPOT cho phép tạo lập cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với các góc chụp khác nhau. Vệ tinh SPOT-5 phóng lên quỹ đạo ngày 03/05/2002, được trang bị một cặp Sebsor HRG (High Resolution Geometric) là loại Sensor ưu việt hơn các loại trước đó. Mỗi một Sensor HRG có thể thu được ảnh đối với độ phân giải 5m đen trắng và 10m đối với ảnh màu. Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt được ảnh độ phân giải 2,5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60km đến 80km. Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT, điều mà các loại vệ tinh cùng thời khác ở cùng độ phân giải này đều không đạt được. Kỹ thuật thu ảnh HRG cho phép định vị ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 50m nhờ hệ thống định vị vệ tinh DOGIS và Star Tracker lắp đặt trên vệ tinh. Trên vệ tinh SPOT-5 còn lắp đặt thêm 2 máy chụp ảnh nữa. Máy thứ nhất HSR (High Resolution Stereoscopic) - Máy chụp ảnh lập thể lực phân giải cao. Máy này chụp ảnh lập thể dọc theo đường bay với độ phủ 120km x 600km. Nhờ ảnh lập thể độ phủ rộng này tạo lập mô hình số độ cao (DEM) với độ chính xác 10m mà không cần tới điểm khống chế mặt đất. Máy chụp ảnh thứ 2 mang tên VEGETATION giống như VEGETATION lắp đặt trên SPOT - 4 hàng ngày chụp ảnh mặt đất trên một dải rộng 22,5km với kích thước pixel 1x1km trong 4 kênh phổ. Ảnh VEGETATION được sử dụng rất hữu hiệu cho mục đích theo dõi biến động địa cầu và đo vẽ bản đồ hiện trạng đất đai. Hai vệ tinh SPOT-4 và SPOT-5 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 9 có thêm kênh phổ chụp SWIR nằm phía trên ba kênh phổ của các vệ tinh SPOT trước đó, nhờ vậy rất thuận tiện cho nghiên cứu về độ ẩm và lớp phủ thực vật. Sự cải tiến này đã tạo ra rất nhiều ứng dụng nông nghiệp, nghiên cứu hiện trạng đất đai và quản lý tài nguyên thiên nhiên. Ngày 9/9 năm 2012, vệ tinh SPOT-6 được phóng lên quỹ đạo, nét nổi bật của vệ tinh này là độ phân giải đạt tới 1,5m ở kênh toàn sắc. Tuy nhiên tới ngày 30/7/2014, vệ tinh SPOT-7 là vệ tinh mới nhất được đưa lên quỹ đạo, vệ tinh SPOT-7 cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 1,5 m kênh toàn sắc và 6 m kênh đa phổ. Vệ tinh SPOT-7 có khả năng chụp ảnh linh hoạt, cung cấp ảnh có độ rộng tới 180 km trên cùng một quỹ đạo. Ảnh SPOT được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực đo vẽ mới và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và theo dõi biến động môi trường như mất rừng, xói mòn, phát triển đô thị ... Ảnh SPOT 6 và 7 có độ phân giải cao, độ phân giải 1,5m cho phép ứng dụng thực hiện những công việc chỉ có thể thực hiện với ảnh hàng không trước đây như thành lập bản đồ tỉ lệ lớn, quy hoạch đô thị, quản lý hiểm họa thiên tai. (Nguyễn Khắc Thời, 2011) ( Phạm Vọng Thành, 2013) 1.1.3.2. Vệ tinh Landsat và ảnh vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972 cho đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinh Landsat được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay, ảnh vệ tinh Landsat được cung cấp từ 15 trạm thu nhằm phục vụ quản lý tài nguyên và giám sát môi trường Landsat được NASA thiết kế đầu tiên như là thực nghiệm kiểm tra tính khả thi việc sử dụng bộ cảm biến đa phổ để quan sát mặt đất, ảnh có độ phân giải không gian tương đối tốt và phủ một vùng khá rộng với chu kỳ lặp ngắn. Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185km và có thời điểm bay qua xích đạo là 9h39 sáng. Dữ liệu do 2 bộ cảm biến TM và MSS thu nhận được chia thành các ảnh phủ một vùng trên mặt đất 185x170 km được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của tuyến và hàng. Các giá trị của pixel được mã hóa 8bit tức là cấp độ xám ở quỹ đạo trong khoảng 0÷255. (Phạm Xuân Hưng, 2010) (Vũ Việt Khoa, 2013) Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 10