Tài liệu Tích hợp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý đánh giá biến động đất đai giai đoạn 2005 – 2014 huyện hải hậu, tỉnh nam định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ĐỖ THỊ HỒNG NHUNG TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐẤT ĐAI GIAI ĐOẠN 2005 – 2014 HUYỆN HẢI HẬU, TỈNH NAM ĐỊNH CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI MÃ SỐ: 60.85.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ THỊ GIANG HÀ NỘI, NĂM 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài này là do chính tôi thực hiện, các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực, đề tài không trùng với bất kỳ đề tài nghiên cứu khoa học nào. Những thông tin tham khảo trong khóa luận đều được trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Học viên thực hiện Đỗ Thị Hồng Nhung Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được nhiều sự động viên, giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và gia đình. Tôi muốn bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc của mình tới tất cả mọi người. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn với cô giáo, Tiến sĩ Lê Thị Giang, giảng viên Bộ môn Hệ thống thông tin đất đai, Khoa Quản lý đất đai,Học viện Nông nghiệp Việt Nam là người đã định hướng cho tôi trong lựa chọn đề tài, đưa ra những nhận xét quý giá và trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện khóa luận. Xın cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa Quản lý đất đai, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã dạy bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin cảm ơn các anh, chị phòng Tài nguyên – Môi trường huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Học viên thực hiện Đỗ Thị Hồng Nhung Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iii MỤC LỤC Lời cam đoan.......................................................................................................ii Lời cảm ơn ........................................................................................................ iii Mục lục ............................................................................................................. iv Danh mục bảng ................................................................................................. vi Danh mục hình ................................................................................................. vii MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1 1.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 3 1.3. Yêu cầu của đề tài......................................................................................... 3 CHƯƠNG 1TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................ 4 1.1. Công nghệ viễn thám .................................................................................... 4 1.1.1. Khái niệm chung về công nghệ viễn thám ........................................... 4 1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ viễn thám ................... 7 1.1.3. Phương pháp xử lý ảnh viễn thám...................................................... 10 1.1.4. Ứng dụng công nghệ viễn thám ........................................................ 12 1.2. Hệ thống thông tin địa lý GIS ..................................................................... 15 1.2.1. Khái niệm .......................................................................................... 15 1.2.2. Các thành phần của Hệ thống thông tin địa lý .................................... 16 1.2.3. Chức năng của GIS ............................................................................ 17 1.2.4. Ứng dụng của GIS ............................................................................. 19 1.3. Ứng dụng GIS và viễn thám trong nghiên cứu biến động đất. ..................... 23 1.3.1. Vấn đề sử dụng đất ở Việt Nam. ........................................................ 23 1.3.2. Khái quát chung về biến động đất đai ................................................ 27 1.3.3. Các phương pháp nghiên cứu biến động sử dụng đất ......................... 28 CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 33 2.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 33 2.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 33 2.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 33 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page iv 2.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 34 2.4.1. Phương pháp thu thập số liệu. ............................................................ 34 2.4.2 Phương pháp xử lý số liệu .................................................................. 34 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 36 3.1. Điều kiện tự nhiên – kinh tế xã hội ............................................................. 36 3.1.1. Điều kiện tự nhiên ............................................................................. 36 3.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội................................................................... 42 3.2. Tình hình quản lý sử dụng đất..................................................................... 51 3.2.1. Tình hình quản lý đất đai ................................................................... 51 3.2.2. Hiện trạng sử dụng đất và biến động các loại đất ............................... 54 3.3. Đánh giá biến động đất đai ......................................................................... 56 3.3.1. Thu thập tư liệu ................................................................................. 56 3.3.2. Xử lý dữ liệu ..................................................................................... 56 3.3.3. Phân loại ảnh ..................................................................................... 58 3.3.4. Đánh giá độ chính xác phân loại ảnh ................................................. 63 3.3.5. Thành lập sơ đồ sử dụng đất. ............................................................. 65 3.3.6. Đánh giá biến động đất đai và lập bản đồ biến động sử dụng đất ....... 72 3.3.7. Đánh giá việc sử dụng phương pháp .................................................. 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 82 Kết luận ............................................................................................................. 82 Kiến nghị........................................................................................................... 83 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page v DANH MỤC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám ................6 1.2 Ưu, nhược điểm của hai phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh .................... 12 3.1. Hiện trạng sử dụng đất năm 2014 ............................................................ 55 3.2. Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2014 .................................................... 64 3.3. Diện tích các loại đất theo giải đoán ảnh năm 2005.................................. 66 3.4. Diện tích các loại đất theo giải đoán ảnh năm 2010.................................. 68 3.5. Diện tích các loại đất theo giải đoán ảnh năm 2014.................................. 70 3.6. Gán các loại đất thành từng mã số riêng................................................... 72 3.7. Chu chuyển các loại đất giai đoạn 2005 – 2010 huyện Hải Hậu ............... 73 3.8 So sánh sự thay đổi diện tích các loại đất từ năm 2005 - 2010.................. 73 3.9. Chu chuyển các loại đất huyện Hải Hậu giai đoạn 2010 – 2014 ............... 76 3.10 So sánh sự thay đổi diện tích các loại đất từ 2010 – 2014......................... 76 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vi DANH MỤC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám. ................................................. 5 1.2 Ảnh vệ tinh VNREDSat - 1 chụp khu vực cầu Thanh Trì, Hà Nội.......... 10 1.3. Nghiên cứu núi lửa ................................................................................ 13 1.4. Nghiên cứu địa chất ............................................................................... 14 1.5. Ứng dụng ảnh viễn thám trong thành lập bản đồ .................................... 15 1.6 Các thành phần của GIS ......................................................................... 16 1.7. Thành lập bản đồ biến động bằng phương pháp so sánh sau phân loại ... 29 3.1 Sơ đồ vị trí huyện Hải Hậu .................................................................... 36 3.2. Biểu đồ cơ cấu các ngành kinh tế năm 2014........................................... 42 3.3. Biểu đồ cơ cấu kinh tế ngành nông nghiệp năm 2014 ............................ 43 3.4. Ảnh viễn thám 2005 sau khi cắt theo ranh giới hành chính .................... 58 3.5. Tệp mẫu dùng để giải đoán ảnh năm 2014 ............................................. 60 3.6. Đánh giá độ chính xác xây dựng tệp mẫu năm 2014. ............................. 61 3.7. Ảnh 2005 sau khi phân loại.................................................................... 62 3.8. Ảnh 2005 sau khi lọc nhiễu .................................................................... 62 3.9. Kết quả đánh giá độ chính xác và tính hệ số Kappa ............................... 65 3.10. Biểu đồ biến động các loại đất huyện Hải Hậu giai đoạn 2005 2010 ...................................................................................................... 74 3.11. Biểu đồ biến động các loại đất huyện Hải Hậu giai đoạn 2010 2014....................................................................................................... 77 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page vii MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Đất đai là tư liệu sản xuất đặc biệt không thể thay thế trong nông nghiệp, 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 và quốc phòng. Sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước của Đảng và Nhà nước ta trong những năm qua đã đưa nền kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân đã và đang từng bước được cải thiện, hạ tầng xã hội cũng như hạ tầng kỹ thuật được thay đổi tạo ra bộ mặt mới cho đất nước và thu hẹp dần khoảng cách đối với các nước phát triển. Song hành với sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa là sự gia tăng mạnh của nhu cầu sử dụng đất, đặc biệt là đất phi nông nghiệp trong khi quỹ đất lại có hạn. Điều này làm cho diện tích đất nông nghiệp liên tục giảm xuống do vậy cần phải quản lý chặt chẽ toàn bộ quỹ đất, đảm bảo đất đai được sử dụng tiết kiệm, hiệu quả và bền vững. Để quản lý chặt chẽ quỹ đất đang ngày càng hạn chế này ngoài việc nắm chắc được các số liệu biến động về đất đai giữa các thời kỳ thông qua số liệu thống kê, kiểm kê đất đai thì việc xây dựng bản đồ biến động sử dụng đất cũng rất cần thiết. Bản đồ biến động sử dụng đất có thể được thành lập từ bản đồ hiện trạng sử dụng đất hiện có song bản đồ hiện trạng sử dụng đất chỉ được thành lập 5 năm một lần vào năm kiểm kê đất đai nên khó có thể thành lập được bản đồ biến động sử dụng đất cho một giai đoạn bất kỳ, thêm vào đó chất lượng của bản đồ hiện trạng sử dụng đất được thành lập trong các kỳ kiểm kê đất đai hiện nay là chưa cao. Hiện nay ảnh vệ tinh đang được sử dụng khá rộng rãi ở nước ta trong các nghiên cứu tài nguyên - môi trường. Ảnh vệ tinh là nguồn thông tin có tính thời sự rất cao và nếu có ảnh vệ tinh ở các thời điểm khác nhau thì chúng ta còn có thể thành lập được bản đồ biến động sử dụng đất và xác định một cách khách quan được tình hình biến động sử dụng đất cho bất cứ giai đoạn nào. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 1 Bên cạnh đó, Hệ thống thông tin địa lý GIS với sự tích hợp của 5 thành phần: thiết bị, phần mềm, dữ liệu địa lý và người điều hành, được thiết kế hoạt động một cách hiệu quả nhằm thu nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích, và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các bài toán ứng dụng liên quan đến vị trí địa lý trên bề mặt trái đất. GIS được sử dụng như một công cụ kỹ thuật để giải quyết những vấn đề cấp thiết của thời đại như tình trạng chặt phá rừng, sự xuống cấp của môi trường, vấn đề đô thị hoá, dự báo những biến động khí hậu như nước biển dâng, biến động đường bờ biển. GIS cung cấp những công cụ mạnh nhất để có thể xây dựng, tổ chức, xử lý và quản lý các dữ liệu cung cấp thông tin trợ giúp cho chuyên gia về GIS và các nhà quản lý trong việc ra các quyết định đúng đắn, các giải pháp hữu hiệu cho các vấn đề trên. Sự kết hợp giữa viễn thám và kỹ năng xử lý số liệu của hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) giúp chúng ta có một công cụ hoàn chỉnh để tìm hiểu sự thay đổi sử dụng đất, số lượng và vị trí phân bố. Đó là phương pháp theo dõi thay đổi sử dụng đất ưu việt hơn hẳn so với phương pháp truyền thống về không gian, thời gian và kinh phí, ta có thể theo dõi diễn biến tự nhiên cũng như tác động của con người trong hàng chục năm trở lại đây. Ngoài việc mang lại hiệu quả cao, chính xác thì phương pháp kết hợp ảnh viễn thám và công nghệ GIS còn dễ cập nhật. Với những ưu điểm đó, việc sử dụng tư liệu ảnh viễn thám để thành lập bản đồ thay đổi sử dụng đất đã trở thành phương pháp hiệu quả nghiên cứu thay đổi tài nguyên đất, góp phần tích cực trong công tác quản lý đất đai, giúp Nhà Nước đưa ra các chính sách tầm cỡ vĩ mô hạn chế biến động đất đai. Hải Hậu là huyện nằm ở phía Đông Nam của tỉnh Nam Định, có diện tích tự nhiên là 22.895,59 ha bao gồm 32 xã và 3 thị trấn. Toàn bộ diện tích huyện Hải Hậu là đồng bằng với khoảng 32km đường bờ biển. Bờ biển Hải Hậu dài dọc theo thị trấn Thịnh Long và các xã Hải Hòa, Hải Triều, Hải Chính, Hải Lý, Hải Đông và giáp với huyện Giao Thủy. Trong những năm qua cùng với sự phát triển kinh tế xã hội cũng như sự biến đổi khí hậu toàn cầu, Hải Hậu là một trong những huyện nằm trong vùng ảnh hưởng, trong đó liên quan chính đến tình hình Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 2 sử dụng đất của huyện. Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi 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 – 2014 huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định”. 1.2. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng bản đồ thay đổi sử dụng đất đai giai đoạn 2005 – 2010 và 2010 – 2014 bằng công nghệ viễn thám và GIS - Đánh giá sự thay đổi sử dụng đất tại huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định ở giai đoạn 2005 – 2010 và 2010 - 2014 1.3. Yêu cầu của đề tài - Bản đồ sử dụng đất năm 2005, 2010, 2014 kết hợp với phương pháp điều tra ngoài thực địa. - Bản đồ được xây dựng nằm trong hệ tọa độ VN-2000, đảm bảo được độ chính xác theo quy phạm thành lập bản đồ của Bộ Tài nguyên Môi trường. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Công nghệ viễn thám 1.1.1. Khái niệm chung về công nghệ viễn thám 1.1.1.1. Khái niệm Viễn thám (Remote Sensing – RS) ) là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hay 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. Viễn thám hiểu đơn giản 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 và cộng sự, 2010). Dữ liệu ảnh viễn thám là loại dữ liệu có thể thu nhận thông tin với một diện rộng hàng trăm kilomet vuông (km2) trong một khoảng thời gian ngắn bằng các thiết bị kỹ thuật có khả năng thu nhận năng lượng bức xạ hay phản xạ ở các vùng phổ khác nhau của đối tượng nghiên cứu và kết quả đạt được chính là hình ảnh của các đối tượng đó. Ưu điểm vượt trội của tư liệu ảnh viễn thám là nhanh chóng, kịp thời và tầm bao quát rộng. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 4 1.1.1.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của các đối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau. Ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám. Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ảnh viễn thám thu nhận và xử lí tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia.Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện thượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng, môi trường….. (Nguyễn Khắc Thời và cs.,2010) Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bước sóng cụ thể. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 5 Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên. Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng, tiến tới phân loại chúng. Bảng 1.1 Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong kỹ thuật viễn thám Dải phổ sóng điện từ Bước sóng Đặc điểm Hấp thụ mạnh bởi lớp khí quyển ở tầng cao( tầng ôzôn), không thể thu nhận năng lượng do dải sóng này cung Tia cực tím 0,3 ÷ 0,4µm cấp nhưng hiện tượng này lại bảo vệ con người tránh bị tác động của tia cực tím. Rất ít bị hấp thụ bởi oxy, hơi nước và năng lượng phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5µm trong khí quyển. Tianhìn thấy 0,4 ÷ 0,76µm Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò trong viễn thám. Cận hồng ngoại H.ngoạitrung 0,77 ÷ 1,34µm 1,55 ÷ 2,4µm Hồng ngoại nhiệt Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng hồng ngoại gần từ 0,77 ÷ 0,9µm. Sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55 ÷ 2,4µm Một số vùng bị hơi nước hấp thụ mạnh,dải sóng này giữ 3 ÷ 22µm vai trò trong phát hiện cháy rừng và hoạt động núi lửa.Bức xạ nhiệt của trái đất năng lượng cao nhất tại bước sóng 10µm Vô tuyến (rada) Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các bước 1mm ÷ 30cm sóng lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm không bị ảnh hưởng của mây, sương mù hay mưa. (Theo Nguyễn Khắc Thời và cs., 2010) Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 6 1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ viễn thám 1.1.2.1. Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ viễn thám trên thế giới Khi vệ tinh Landsat-1 được phóng vào năm 1972, những ứng dụng của kỹ thuật viễn thám trong lĩnh lực giám sát môi trường và quản lí tài nguyên thiên nhiên đã trở nên khá phổ biến và trở thành một phương pháp rất hiệu quả trong việc cập nhật thông tin của một vùng hay một lãnh thổ phục vụ cho công tác khai thác và quản lí tài nguyên thiên nhiên, giám sát biến động và nghiên cứu môi trường, nghiên cứu hệ sinh thái và thành lập bản đồ lớp phủ cũng như bản đồ hiện trạng sử dụng đất… Từ năm 1858 người ta đã bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục đích thành lập bản đồ địa hình và những bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đã được Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocelli, Italia. Đến giữa những năm 1930, người ta có thể chụp ảnh màu và đồng thời bắt đầu thực hiện nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảm quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại, có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng tán xạ và mù của khí quyển. Những thành tựu đạt được trong giai đoạn 1930-1939 đã góp phần quan trọng vào việc áp dụng ảnh hàng không trong quy hoạch môi trường và giám sát việc phát triển kinh tế nông thôn. Trong thế chiến thứ 2 (1939-1945),việc sử dụng phổ điện từ đã được mở rộng và những nghiên cứu trong thời gian chiến tranh sau đó được phổ biến ứng dụng vào nhiều lĩnh vực phi quân sự. Nghiên cứu ứng dụng ảnh hồng ngoại màu, ảnh đa phổ đã được Cơ quan Hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ (NASA- National Aeronautics & Space Administration) tiến hành vào đầu năm 1960. Hiện nay, thông tin được sử dụng nhiều nhất là của các vệ tinh khí tượng và vệ tinh quan sát tài nguyên. Tháng 4 năm 1960, vệ tinh quan sát khí tượng đầu tiên (TIROS-1) được phóng vào quỹ đạo.Những thành tựu nghiên cứu và kinh nghiệm đạt được đã góp phần cung cấp cơ sở cho việc phát triển vệ tinh quan sát tài nguyên sau này. Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 7 Từ năm 1972 đến nay, NASA đã phóng vệ tinh quan sát tài nguyên (Landsat); 3 vệ tinh đầu tiên (1972-Landsat1; 1975-Landsat 2; 1978-Landsat 3) chỉ trang bị bộ cảm đa phổ MSS (Multispectral Scanner system) với độ phân giải 80m. Năm 1982 phóng Landsat 4 và năm 1984 Landsat 5 được đưa vào quỹ đạo; cả hai được trang bị thêm bộ cảm mới là TM (Thermatic Mapper) tạo ảnh với 7 kênh phổ, có độ phân giải không gian là 30m đối với dải sóng nhìn thấy và 120m cho dải sóng hồng ngoại nhiệt. Landsat 6 và 7 được phóng năm 1993 và 1999 với bộ cảm mới ETM (Enhanced TM). Ngoài ra, Hoa Kỳ cũng đã phóng vệ tinh khí tượng NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) là thế hệ thứ 3 sau TIROS (1960-1965) và ITOS (1970-1976). (Theo Phạm Vọng Thành, 2013) Vệ tinh Landsat 8 được phóng lên ngày 11/1/2013 mang tên LDCM (Landsat Data Contrinuity Mission) sẽ kéo dài trên 40 năm quan sát trái đất, cung cấp những thông tin quan trọng trong các lĩnh vực: quản lý năng lượng và nước, theo dõi rừng, sức khỏe con người và môi trường quy hoạch đô thị, khắc phục thảm họa và lĩnh vực nông nghiệp. Landsat 8 mang theo 2 bộ cảm: bộ thu nhận ảnh mặt đất (OLI – Operational Land Imager) và bộ cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIRS – Thermal Infared Sensor), chu kỳ lặp 16 ngày. (Theo Landsat.usgs.gov) Từ năm 1979 đến năm 1991 các vệ tinh NOAA 6 , NOAA 7…NOAA 12; năm 1992 NOAA-I và năm 1993 NOAA-J đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải không gian 1,1km. Pháp cũng đã phóng vệ tinh SPOT 1 (1986), SPOT2 (1990) với bộ cảm HRV (High Resolution Visible) với 3 kênh phổ có độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc có độ phân giải 10m. Đến ngày 24 tháng 3 năm 1998, SPOT 4 đã được phóng vào quỹ đạo với bộ cảm mới HRVIR (High Resolution Vible and Infrared) và SPOT 5 (2002) với bộ cảm HRVIR đã được nâng cấp có khả năng thu nhận ảnh có độ phân giải đến 2,5m. Ngoài vệ tinh Landsat, NOAA và SPOT của Hoa Kỳ và Pháp, Ấn độ cũng đã phóng thành công vệ tinh giám sát tài nguyên IRS-1A vào năm 1988 (sau đó là vệ Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 8 tinh IRS-1B năm 1991, IRS-1C năm 1995 và IRS-1D năm 1997) với bộ cảm LISS (Linear Imaging Scanner System) có các tính năng kỹ thuật tương tự như MSS. Nhật bản cũng đã phóng vệ tinh tài nguyên JERS-1 vào năm 1992 với các bộ cảm SAR (Synthetic Aperture Rada), VNIR (Visible and Near Infrared Radiometer) và SWIR (Short Wavelength Infrared Radiometer). Đến năm 1996, vệ tinh ADEOS (Advanced Earth Observation Satellite) của Nhật đã được đưa vào quỹ đạo với các bộ cảm OCTS (Ocean Color & Temperature Sacnner) độ phân giải 700m, AVNIR (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer) độ phân giải 16m và các bộ cảm biến có độ phân giải không gian thấp. Ngoài ra, Nhật Bản cũng đã nỗ lực cộng tác với Hoa Kỳ trong công việc xây dựng bộ cảm biến hiện đại ASTER (The Advanced Spaceborne Thermactic Emision and Reflection Radiometer) đặt trên vệ tinh Terra được NASA phóng lên quỹ đạo tháng 12 năm 1999. (Theo Phạm Vọng Thành, 2013) Liên xô cũ mặc dù rất thành công trong việc phóng các vệ tinh nhân tạo, nhưng công nghệ viễn thám chủ yếu của họ dựa trên các bộ cảm tương tự dùng phim chứ không sử dụng các hệ thống quét quang điện tử, do đó dữ liệu thu được tuy có độ phân giải không gian cao nhưng lại kém về độ phân giải phổ. 1.1.2.2. Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam Ở Việt nam, năm 1979-1980 các cơ quan của nước ta bắt đầu tiếp cận công nghệ viễn thám. Trong 10 năm tiếp theo (1980-1990), đã triển khai các nghiên cứu -thử nghiệm nhằm xác định khả năng và phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám để giải quyết các nhiệm vụ của mình. Từ những năm 1990-1995, bên cạnh việc mở rộng công tác nghiên cứu - thử nghiệm, nhiều ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn và đến nay đã thu được một số kết quả rõ rệt về khoa học - công nghệ và kinh tế.Trong các ứng dụng thực tế, ngoài ảnh vệ tinh khí tượng NOAA và GMS, các cơ quan đã sử dụng nhiều loại ảnh vệ tinh quang học như Landsat, SPOT, KFA1000, ADEOS, còn ảnh vệ tinh rada như RADASAT, ERS mới được ứng dụng thử nghiệm trong những năm gần đây. Riêng ảnh vệ tinh độ phân giải siêu cao Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 9 (1÷2m) hầu như chưa được sử dụng phổ biến. Để đáp ứng nhu cầu về tư liệu viễn thám, nước ta đã có một số trạm thu ảnh vệ tinh khí tượng và ảnh vệ tinh độ phân giải cao. (Theo Phạm Vọng Thành, 2013) Ngày 4/5/2013 đã phóng thành công vệ tinh VNREDSat-1 là vệ tinh quan sát trái đất đầu tiên của Việt Nam. Đây là vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt Nam có khả năng có khả năng chụp ảnh toàn bộ các khu vực trên bề mặt trái đất. VNREDSat-1 do công ty do Công ty EADS Astrium, Pháp, thiết kế và chế tạo. Vệ tinh được đưa vào quỹ đạo ngày 7/5 từ bãi phóng ở Kourou, Guyana thuộc Pháp. Vệ tinh VNREDSat-1 có các thông số kỹ thuật: Chụp ảnh ở kênh toàn sắc và 4 kênh đa phổ; Thời gian lặp lại 3 ngày; Quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời, độ cao 680 km; Độ phân giải mặt đất 2,5m (Pan) và 10m (MS). (Theo vast.ac.vn) Hình 1.2 Ảnh vệ tinh VNREDSat - 1 chụp khu vực cầu Thanh Trì, Hà Nội 1.1.3. Phương pháp xử lý ảnh viễn thám 1.1.3.1. Khái niệm giải đoán ảnh viễn thám Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình chiết tách thông tin định tính cũng như định lượng từ ảnh như hình dạng, vị trí, cấu trúc, đặc điểm, chất lượng, điều kiện… Mối quan hệ tương hỗ giữa các đối tượng dựa trên tri thức chuyên ngành Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 10 hoặc kinh nghiệm của người giải đoán ảnh. Việc tách thông tin trong viễn thám có thể chia thành 5 loại, cụ thể: - Phân loại đa phổ: là quá trình tách gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian của đối tượng. - Phát hiện biến động: là phát hiện và tách các biến động dựa trên tư liệu ảnh đa thời gian (ví dụ: xác định biến động thổ nhưỡng). - Chiết tách các thông tin tự nhiên: tương ứng với việc đo nhiệt độ, trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trưng phổ. - Xác định các chỉ số: là việc tính toán các chỉ số mới (ví dụ: chỉ số thực vật, chỉ số ô nhiễm). - Xác định các đối tượng đặc biệt: là xác định các đặc tính hoặc các hiện tượng đặc biệt như thiên tai, cháy rừng, chỉ ra các đường đứt gãy, đặc điểm khảo cổ… 1.1.3.2. Giải đoán ảnh bằng mắt Phân tích bằng mắt được thực hiện với các tư liệu dạng hình ảnh. Phân tích ảnh bằng mắt có sự kết hợp nhuần nhuyễn các kiến thức chuyên môn của người phân tích để từ đó khai thác được các thông tin có trong tư liệu ảnh. Do đó kết quả giải đoán phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người phân tích. Hạn chế của giải đoán bằng mắt là không nhận biết được hết các đặc tính phổ của đối tượng, nguyên nhân do khả năng phân biệt sự khác biệt về phổ của mắt người hạn chế tối đa là 12-14 mức. Đoán đọc bằng mắt là sử dụng mắt thường có sự trợ giúp của các dụng cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu… Cơ sở để đoán đọc là các chuẩn đoán đọc vẽ và mẫu đoán đọc. Các chuẩn đoán đọc bao gồm chuẩn kích thước, chuẩn hình dạng, chuẩn bóng, chuẩn độ đen, chuẩn màu sắc, chuẩn cấu trúc, chuẩn phân bố và chuẩn mối quan hệ tương hỗ. Để trợ giúp cho công tác đoán đọc người ta thành lập các mẫu đoán đọc. Tất cả các chuẩn đoán đọc cùng với các thông tin về thời gian chụp, mùa chụp, tỷ lệ ảnh đều phải đưa vào mẫu đoán đọc. Một bộ mẫu đoán đọc không chỉ gồm Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 11 phần ảnh mà còn mô tả bằng lời. 1.1.3.3. Giải đoán ảnh bằng công nghệ ảnh số Xử lý ảnh số là phương pháp phân tích tư liệu phổ dưới dạng hình ảnh số (digital image) chứ không phải dạng ảnh tương tự (analogue). Ưu điểm của phương pháp là có thể phân tích các tín hiệu phổ một cách rất chi tiết (256 mức hoặc hơn). Phương pháp với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm chuyên dụng có thể tách chiết rất nhiều thông tin phổ của đối tượng, từ đó nhận biết các đối tượng một cách tự động. Tuy nhiên, quá trình xử lý ảnh số cần có sự kết hợp nhuần nhuyễn kiến thức chuyên môn với hiểu biết về đối tượng của người phân tích. Các tư liệu thu được trong viễn thám phần lớn là ở dưới dạng số cho nên vấn đề đoán đọc điều vẽ ảnh bằng xử lý số trong viễn thám giữ một vai trò quan trọng và trở thành phương pháp cơ bản trong viễn thám hiện đại. 1.1.3.4. So so sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám. Bảng 1.2 Ưu, nhược điểm của hai phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh Giải đoán ảnh bằng mắt Giải đoán ảnh bằng xử lý số - Sử dụng kinh nghiệm của - Thời gian xử lý ngắn người điều vẽ - Kết quả xử lý được chuyển hóa Ưu - Có sự hiểu biết về ảnh phối - Chiết xuất được các đặc tính vật lý điểm hợp tốt hơn - Năng suất cao, có thể đo được các - Có thể phân tích được các chỉ số đặc trưng tự nhiên thông tin phân bố không gian - Tốn thời gian Nhược điểm - Rất khó ứng dụng kinh nghiệm của - Đòi hỏi người có hiểu biết, người điều vẽ kinh nghiệm để điều vẽ - Chiết xuất ít thông tin về bối cảnh - Kết quả thu được không đồng - Kết quả phân tích thông tin kém nhất 1.1.4. Ứng dụng công nghệ 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 Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 12 gia tăng nhanh chóng không những đối với các nước phát triển có trình độ khoa học tiên tiến mà còn đối với các nước nền kinh tế đang phát triển. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách lựa chọn các phương án có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trường. Do đó viễn thám trở thành công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Một số ứng dụng của công nghệ này được kể đến như: 1.1.4.1. Viễn thám trong nghiên cứu địa chất Viễn thám từ lâu đã được ứng dụng để giải đoán các thông tin địa chất. Dữ liệu viễn thám được dùng cho giải đoán là các ảnh máy bay, ảnh vệ tinh và ảnh radar. Tổ hợp dữ liệu viễn thám với dữ liệu địa lý sẽ làm giàu thêm khả năng nghiên cứu các thông tin địa chất cần quan tâm. - Ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo: Các dạng địa hình được thể hiện rất rõ trên ảnh viễn thám và được giải đoán một cách chính xác như: địa hình kiến tạo, địa hình sông suối, núi lửa, địa hình thành tạo do cát, thành tạo do băng... Hình 1.3. Nghiên cứu núi lửa - Cấu trúc địa chất: Mục đích chính của việc áp dụng kỹ thuật viễn thám trong địa chất là phát hiện, xác định và lập bản đồ các yếu tố trên bề mặt hoặc gần bề mặt của vỏ trái đất dựa trên các ưu điểm của tư liệu viễn thám như tính tổng quan khu vực, tính đa phổ... Các tư liệu viễn thám được giải đoán nhằm khai thác các thông tin về các hệ thống cấu trúc, các yếu tố địa hình địa mạo, các hệ thống thuỷ văn như: giải đoán các bề mặt và độ dốc của trầm tích, các yếu tố uốn nếp, đứt gãy, các cấu trúc vòng... Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 13