Tài liệu ứng dụng công nghệ viễn thám và gis trong phân tích biến động lớp phủ mặt đất tại huyện đại từ, tỉnh thái nguyên giai đoạn 1998 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ---------- ĐỖ THỊ THU HOÀI Tên đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT TẠI HUYỆN ĐẠI TỪ, TỈNH THÁI NGUYÊN GIAI ĐOẠN 1998 - 2018 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : QLTN - MT Khoa : Quản lý Tài nguyên Khoá học : 2015 – 2019 Thái Nguyên, năm 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ---------- ĐỖ THỊ THU HOÀI Tên đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT TẠI HUYỆN ĐẠI TỪ, TỈNH THÁI NGUYÊN GIAI ĐOẠN 1998 - 2018 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : QLTN - MT Khoa : Quản lý Tài nguyên Khoá học : 2015 – 2019 Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Quang Thi Thái Nguyên, năm 2019 i LỜI CẢM ƠN Thực tập tốt nghiệp trong một khoảng thời gian có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Đây là thời gian giúp cho sinh viên kiểm nghiệm những kiến thức đã học được ở trường, từ thầy cô và bạn bè. Bên cạnh đó nó còn giúp cho sinh viên làm quen với môi trường, tích lũy thêm kinh nghiệm thực tế, tạo hành trang vững chắc cho sinh viên sau khi ra trường có thể làm tốt những công việc được giao. Được sự nhất trí của Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, em đã thực tập tại Bộ môn Luật chính sách, khoa Quản lý Tài nguyên với đề tài: “Ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong phân tích biến động lớp phủ mặt đất tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 1998 - 2018”. Để đạt được kết quả như ngày hôm nay là nhờ sự giúp đỡ của Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, các thầy cô giáo trong khoa và thầy giáo TS. Nguyễn Quang Thi cùng với sự phấn đấu và nỗ lực của bản thân. Trong suốt thời gian thực tập và làm khóa luận em đã cố gắng hết mình nhưng do kinh nghiệm thực tế chưa có nhiều và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót và khiếm khuyết. Em rất mong các thầy cô giáo và bạn bè đóng góp để khóa luận của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Sinh viên Đỗ Thị Thu Hoài ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM ............................................. 5 Bảng 2.2. Các đặc trưng chính của ảnh vệ tinh SPOT ...................................... 8 Bảng 2.3. Độ phân giải phổ của ảnh nguồn các vệ tinh SPOT từ 1 đến 5 ........ 9 Bảng 4.1: vị trí lấy mẫu và hình ảnh mẫu quan sát ......................................... 53 Bảng 4.2: Giải thích ký hiệu trên bảng ma trận .............................................. 55 Bảng 4.3: Ma trận đánh giá sai số kết quả sau phân loại năm 1998 ............... 55 Bảng 4.4: Ma trận đánh giá sai số kết quả sau phân loại năm 2005 ............... 56 Bảng 4.5: Ma trận đánh giá sai số kết quả sau phân loại năm 2010 ............... 56 Bảng 4.6: Ma trận đánh giá sai số kết quả sau phân loại năm 2018 ............... 57 Bảng 4.7: Kết quả thống kê diện tích các loại lớp phủ huyện Đại Từ từ 1998 – 2018 ................................................................................................................. 59 Bảng 4.8: Biến động rừng huyện Đại Từ giai đoạn năm 1998- 2018............. 60 iii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Các kênh sử dụng trong viễn thám ................................................... 4 Hình 2.3: Thuật toán tăng cường chất lượng ảnh (Sử dụng ENVI 4.5) ......... 11 Hình 2.4: Hiệu chỉnh tương phản Histogram (Sử dụng ENVI 4.5) ................ 11 Hình 2.5: Công cụ chọn mẫu (Sử dụng ENVI 4.5) ......................................... 17 Hình 2.6: Phân loại theo Minimum Distance (Sử dụng ENVI 4.5) ................ 18 Hình 2.7: Phân loại theo Maximum Likelihood (Sử dụng ENVI 4.5)............ 18 Hình 2.8: Các thành phần của GIS .................................................................. 20 Hình 2.9: Mô hình cấu trúc vector và raster ................................................... 21 Hình 2.10: Chuyển đổi giữa hai loại giữ liệu raster và vector ........................ 23 Hình 2.11: Quy trình nghiên cứu biến động lớp phủ sử dụng ảnh viễn thám. 41 Hình 3.2 Ảnh Landsat thu thập năm 1998 ..................................................... 46 Hình 3.3 Ảnh Landsat thu thập năm 2005 ..................................................... 46 Hình 3.4 Ảnh Landsat thu thập năm 2010 ..................................................... 47 Hình 3.5 Ảnh Landsat thu thập năm 2018 ...................................................... 47 Hình 3.6: Mẫu vùng quan sát .......................................................................... 48 Hình 3.7: Đăng ký ảnh .................................................................................... 49 Hình 3.8: Cài đặt thông số hình học................................................................ 49 Hình 3.9: Chọn điểm khống chế trên ảnh ....................................................... 50 Hình 3.10: Tọa độ và sai số RMS các GCP .................................................... 50 Hình 3.11: Ảnh trước và sau khi tăng cường .................................................. 51 Hình 3.12 : Lưu kết quả phân lớp đối tượng ................................................... 52 Hình 3.13: Ảnh viễn thám trước và sau khi phân lớp ..................................... 54 Hình 3.14: Lớp thông tin dạng Raster ............................................................. 58 Hình 3.15: Kết quả của việc vector hoá đối tượng ......................................... 58 Biểu đồ 3.15: Biến động lớp phủ huyện Đại Từ giai đoạn 1998- 2018.......... 59 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Evaluation Model GIS Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý QĐ Quyết định RS Remote Sensing – Viễn thám TIN Trangke Irregular Network TT Thông tư VN 2000 : Hệ tọa độ VN - 2000 WGS 84 : Hệ tọa độ WGS 84 v MỤC LỤC Trang Phần 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1 1.1. Đặt vấn đề................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .................................................................. 2 1.3. Ý nghĩa của đề tài ....................................................................................... 2 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 3 2.1. Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover) .......................................... 3 2.1.1. Khái niêm: ............................................................................................... 3 2..1.2. Phân loại lớp phủ mặt đất: ..................................................................... 3 2.2 Tổng quan về viễn thám .............................................................................. 3 2.2.1 Khái niệm về viễn thám ........................................................................... 3 2.2.2 Các loại ảnh viễn thám ............................................................................. 5 2.2.3 Xử lý ảnh viễn thám ............................................................................... 10 2.3. Tổng quan về GIS .................................................................................... 18 2.3.1. Khái niệm GIS....................................................................................... 18 2.3.2 Các thành phần của GIS ......................................................................... 20 2.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam .................................. 25 2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................... 25 2.4.2. Tình hình nghiên cứu Việt Nam ........................................................... 27 2.5. Giới thiệu các phần mềm sử dụng............................................................ 29 2.5.1 Phần mềm giải đoán ảnh ENVI 4.5....................................................... 29 2.5.2 Phần mềm ArcGIS 10.2 ......................................................................... 29 2.6. Quy trình giải đoán ảnh viễn thám Landsat xây dựng bản đồ lớp phủ huyện Đại Từ các năm 1998, 2005, 2010, 2018 ………………………. PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................ 35 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 35 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 35 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 35 3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ............................................................ 35 vi 3.2.1. Địa điểm ................................................................................................ 35 3.2.2. Thời gian ............................................................................................... 35 3.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 35 3.4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 36 3.4.1. Phương pháp thu thập số liệu ................................................................ 36 3.4.2. Phương pháp giải đoán ảnh viễn thám bằng các phần mềm chuyên dùng Envi 4.5 ............................................................................................................ 36 3.4.3. Phương pháp chồng xếp bản đồ phân tích biến động lớp phủ .............. 37 PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................... 38 4.1. Điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội........................................................... 38 4.1.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................. 38 4.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội. ........................................................................ 44 4.2. Phân tích, xử lý ảnh viễn thám ................................................................. 30 4.3. Xây dựng bản đồ biến động lớp phủ huyện Đại Từ giai đoạn 1998 - 2018 ......................................................................................................................... 45 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ......................................................... 62 5.1 Kết luận ..................................................................................................... 62 5.2 Đề nghị ...................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 64 PHỤ LỤC. Phụ lục 1. Bản đồ lớp phủ huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên năm 1998 Phụ lục 2. Bản đồ lớp phủ huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên năm 2005 Phụ lục3. Bản đồ lớp phủ huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên năm 2010 Phụ lục 4. Bản đồ lớp phủ huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên năm 2018 Phụ lục 5. Bản đồ biến động lớp phủ huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên giai đoạn từ năm 1998 – 2018 1 Phần 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Đất đai là một tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặc biệt. Đất đai là môi trường sống của con người và cả sinh vật, là địa bàn phân bố dân cư, xây dựng các công trình kinh tế, văn hoá, an ninh quốc phòng. Ngày nay, do sự tăng dân số, sự phát triển của các đô thị, sự tăng trưởng kinh tế xã hội và một số vấn đề khác đã và đang tác động rất lớn tới đất đai. Trước những áp lực đó, đất đai và các lớp phủ mặt đất biến động không ngừng cùng với sự phát triển của xã hội. Đây là nguồn tài nguyên đặc biệt có thể khai thác sử dụng nhưng không thể làm tăng thêm về mặt số lượng. Do đó việc theo dõi, nghiên cứu, quản lý và sử dụng loại tài nguyên này một cách hiệu quả và hợp lý là một vấn đề rất quan trọng. Ngày nay, kỹ thuật viễn thám đang được sử dụng để theo dõi những biến đổi về bề mặt quả đất, quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Sử dụng kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý và kỹ thuật định vị toàn cầu giúp cho việc đánh giá những biến động về lớp phủ một cách nhanh chóng và chính xác. Theo Cihlar thì phân loại lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh cũng đã được ứng rộng rãi, các thành quả đạt được ghi nhận ở quy mô toàn cầu (Cihlar,2000) Từ đó có thể giúp các nhà quản lý có thêm nguồn tư liệu để giám sát biến động sử dụng đất. Đây được xem như là một trong những giải pháp cho vấn đề được đặt ra. Huyện Đại Từ là địa phương đang diễn ra sự thay đổi mạnh trong sử dụng đất do có dự án khai thác khoáng sản lớn nhất khu vực Đông Nam Á- dự án núi Pháo. Dự án này sẽ diễn ra trong khoảng thời gian dự kiến là 20 năm. Tuy nhiên, từ khi dự án bắt đầu đến nay, mới khoảng 4 năm nhưng trên địa bàn Huyện đã thay đổi rất nhiều trong quá trình sử dụng đất và ảnh hưởng trông thấy ở lớp thực phủ của đất. 2 Mặt khác, người dân tại Huyện Đại Từ chủ yếu sống bằng nghề nông, từ khi dự án hình thành, một phần diện tích đất nông nghiệp và đặc biệt là đất rừng đã được thu hồi để phục vụ việc khai thác khoáng sản. Con số này cần được thống kê ở hiện tại và dự báo trong tương lai để các nhà quản lý, hoạch định chính sách có những chiến lược phát triển cho vùng. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, được sự đồng ý của Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong phân tích biến động lớp phủ mặt đất tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 1998 - 2018”. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Phân tích xử lý ảnh viễn thám - Kết quả giải đoán ảnh viễn thám, xây dựng bản đồ lớp phủ huyện Đại Từ năm 1998, 2005, 2010, 2018 - Xây dựng bản đồ biến động lớp phủ huyện Đại Từ giai đoạn 1998 2018 1.3. Ý nghĩa của đề tài - Kết quả nghiên cứu chính xác, đánh giá được đầy biến động lớp phủ - Kết quả đề tài là cơ sở khoa học và thực tiễn giúp các nhà quản lý trong lĩnh vực quản lý tài nguyên rừng đưa ra những chiến lược ứng dụng công nghệ thông tin. Đồng thời là tài liệu tham khảo cho các nhà quản lý tài nguyên rừng của tỉnh Thái Nguyên cũng như sinh viên, học viên trong lĩnh vực lâm nghiệp. - Việc nghiên cứu đề tài là phương pháp tốt để hệ thống và củng cố lại kiến thức đã được học, đồng thời bồi dưỡng thêm về kiến thức, kỹ năng trong công nghệ thông tin. 3 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover) 2.1.1. Khái niêm: Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy) và các cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá,…) bao phủ bề mặt đất. nước, băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất. (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998) 2..1.2. Phân loại lớp phủ mặt đất: Sokal (1974) đã định nghĩa phân loại là việc sắp xếp các đối tượng theo các nhóm hoặc các tập hợp khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa chúng. Một hệ thống phân loại miêu tả tên của các lớp và tiêu chuẩn phân biệt chúng. Các hệ thống phân loại có hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và không phân cấp. Một hệ thống phân cấp thường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp nhiều lớp thông tin, bắt đầu từ các lớp ở quy mô lớn rồi phân chia thành các phụ lớp cấp thấp hơn nhưng thông tin chi tiết hơn. (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998) Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài đã sử dụng hệ thống phân loại phân cấp, có tham khảo theo hệ thống phân loại của Mỹ (Anderson và nnk., 1976), được tổng hợp có chọn lọc phù hợp với điều kiệu thực tiễn ở Việt Nam của Nguyễn Ngọc Thạch (2005). 2.2 Tổng quan về viễn thám 2.2.1 Khái niệm về viễn thám Viễn thám được định nghĩa như là một khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng (Hà Quang Hải, 2006). 4 Theo Nguyễn Ngọc Thạnh định nghĩa Viễn thám (Remote Sensing RS) là sự thu thập và phân tích thông tin về một đối tượng mà không cần có sự tiếp xúc trực tiếp đến đối tượng. Viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2009) . Có hai loại viễn thám chính: Cảm biến thụ động và cảm biến hoạt động. Cảm biến thụ động phát hiện năng lượng tự nhiên (bức xạ) được phát ra hay phản xạ bởi các đối tượng hoặc khu vực xung quanh đang được quan sát (tức là ánh sáng mặt trời ). Cảm biến hoạt động phát ra năng lượng để quét các đối tượng và khu vực trên đó dò ra cảm biến thụ động và đo bức xạ được phản xạ hoặc tán xạ trở lại từ vật được quan sát . Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm. Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ. Viễn thám có thể chia làm 3 loại cơ bản theo bước sóng sử dụng: Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. Viễn thám hồng ngoại nhiệt Viễn thám siêu cao tần Hình 2.1: Các kênh sử dụng trong viễn thám 5 2.2.2 Các loại ảnh viễn thám - Ảnh hàng không: Từ năm 1858 bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục đích thành lập bản đồ địa hình. Những bức ảnh hàng không đầu tiên được chụp từ máy bay được Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli, Italia. Từ đó đến nay, phương pháp sử dụng ảnh hàng không là phương pháp được sử dụng rộng rãi. - Ảnh vệ tinh Landsat LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý. Cho đến nay đã có nhiều thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển. Bộ cảm TM có các thông số chính được nêu trong bảng sau: Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải Kênh 1 0.45 - 0.52 micromet Chàm 30m Kênh 2 0.52- 0.60 micromet Lục 30m Kênh3 0.63 - 0.69 micromet Đỏ 30m Kênh 4 0.76 - 0.90 micromet Cận hồng ngoại 30m Kênh 5 1.55 - 1.75 micromet Hồng ngoại 30m Kênh 6 10.4 - 12.5 micromet Hồng ngoại nhiệt 120m Kênh 7 2.08 - 2.35 micromet Hồng ngoại trung 30m - 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 SPOT do Trung tâm Nghiên cứu Không gian của Pháp chế tạo và phát triển. Vệ tinh đầu tiên SPOT-1 được phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT-2, SPOT-3, SPOT- 4 và SPOT- 6 5 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002 trên đó mang hệ thống quét CCD (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES) . Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.70, thời điểm bay qua xích đạo là 10h30' sáng và chu kỳ lặp 26 ngày. Các thế hệ vệ tinh SPOT 1, 2, 3 có bộ cảm HRV (High Resolution Visible) với kênh toàn sắc (0,51 - 0,73m) độ phân giải 10m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20m, phân bố trong vùng sóng nhìn thấy gồm lục (0,50 - 0,59m), đỏ (0,61 - 0,68m), cận hồng ngoại (0,79 - 0,89m). Mỗi cảnh có độ bao phủ mặt đất là 60km x 60km. Vệ tinh SPOT 4 với kênh toàn sắc (0,49 - 0,73m); ba kênh đa phổ của HRV tương đương với 3 kênh phổ truyền thống HRV; thêm kênh hồng ngoại (1,58 - 1,75m) có độ phân giải 20m. Khả năng chụp nghiêng của SPOT cho phép tạo cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với các góc chụp nghiêng khác nhau. Hình 2.2.Vệ tinh SPOT Vệ tinh SPOT - 5 phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng 5 năm 2002, được trang bị một cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric) là loại Sensor ưu việt hơn các loại trước đó. Mỗi một Sensor HRG có thể thu được ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10m với ảnh mầu. Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc 7 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 ảnh vệ tinh cùng thời khác ở độ phân giải này đều không đạt. 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 thêm hai 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 120 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 hai mang tên VEGETATION, giống như VEGETATION lắp trên vệ tinh SPOT4 hàng ngày chụp ảnh mặt đất trên một dải rộng 22.5km với kích thước pixel 1 x 1km 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 sử dụng đất. Hai vệ tinh SPOT-4 và SPOT-5 có thêm kênh phổ chụp SWIR nằm phía trên ba kênh phổ của các vệ tinh SPOT trước đó, nhờ vậy rất thuận lợi cho nghiên cứu về độ ẩm và lớp phủ thực vật. Sự cải tiến này đã tạo ra rất nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, nghiên cứu hiện trạng đất và quản lý tài nguyên thiên nhiên. Bảng 2.2 và Bảng 2.3 giới thiệu tổng hợp về các thông số của thế hệ ảnh Spot. 8 Bảng 2.2. Các đặc trưng chính của ảnh vệ tinh SPOT Loại Vệ tinh SPOT Tên bộ cảm Số kênh Độ Các kênh phân đa phổ giải (m) 3 20 x 20 Lục, đỏ, cận hồng ngoại 1 10 x 10 Toàn sắc 3 10 x 10 Lục, đỏ, cận hồng ngoại SPOT 1, 2, 3 P hoặc PAN SPOT (Panchromatic) 1, 2, 3 P + XS (Panchromatic and SPOT Multispectral merging) 1, 2, 3 HRV (High Resolution Visible) HRV (High Resolution Visible) HRV (High Resolution Visible) XI (Multispectral) SPOT 4 HRVIR (High Resolution Visible) 4 20 x 20 Lục, đỏ, cận hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình M (Monospectral) SPOT 4 HRVIR (High Resolution Visible) 1 10 x 10 Đỏ M + XI hoặc P + XI (Panchromatic and Multispectral merging) SPOT 4 HRVIR (High Resolution Visible and InfraRed) 4 10 x 10* Lục, đỏ, cận hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình HI (Multispectral SPOT InfraRed High Resolution) 5 HRG (High Resolution Geometric) 4 10 x 10 Lục, đỏ, cận hồng ngoại, Hồng ngoại trung bình HX (Multispectral High Resolution) SPOT 5 HRG (High Resolution Geometric) 3 10 x 10 Lục, đỏ, cận hồng ngoại HMA hoặc HMB (Panchromatic High Resolution) SPOT 5 HRG (High Resolution Geometric) 1 5x5 Toàn sắc HMX (HM and HX merging) SPOT 5 HRG (High Resolution Geometric) 3 5x5 Lục, đỏ, cận hồng ngoại THR (Very High Resolution) SPOT 5 HRG (High Resolution Geometric) 1 2,5 x 2,5** Toàn sắc THX (Very High Resolution Multispectral, THR and HX merging, SPOT 5 HRG (High Resolution Geometric) 3 2,5 x 2,5** Lục, đỏ, cận hồng ngoại THN (Very High Resolution Multispectral, THR and HX merging, in pseudo - natural colors) SPOT 5 HRG (High Resolution Geometric) 3 2,5 x 2,5** Chàm, lục, đỏ HRS (High Resolution Stereoscopic) SPOT 5 HRG (High Resolution Stereoscopic) 2 (FW/ BW) 5 x 10 Toàn sắc XS (Multispectral) 9 * Chỉ riêng kênh B2 (=M) có độ phân giải 10m. Các kênh còn lại được lấy mẫu lại từ 20 đến 10m. * Điểm mặt đất - kích thước của THR được lấy mẫu lại. Độ phân giải nhỏ hơn 3m. Ảnh SPOT được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực đo vẽ mới và hiện 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 - 5 có độ phân giải cao, đặc biệt ảnh độ phân giải 2,5m mở ra triển vọng của nhiều ứng dụng mà trước đây chỉ có thể thực hiện với ảnh hàng không như thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, quy hoạch đô thị, quản lý hiểm hoạ và thiên tai… Bảng 2.3. Độ phân giải phổ của ảnh nguồn các vệ tinh SPOT từ 1 đến 5 Độ Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ phân giải SPOT 1, 2, 3 Kênh 1 20m 0,50 - 0,59m Lục SPOT 1, 2, 3 Kênh 2 20m 0,61 - 0,68m Đỏ SPOT 1, 2, 3 Kênh 3 0,79-0,89m Cận hồng ngoại 20m SPOT 4, 5 Kênh 4 10m 1,58 - 1,75m Toàn sắc SPOT 5 Kênh 1 10m 0,50 - 0,59m Lục SPOT 5 Kênh 2 10m 0,61 - 0,68m Đỏ SPOT 5 Kênh 3 0,79-0,89m Cận hồng ngoại 10m SPOT 1, 2, 3 Kênh toàn sắc 0,51 - 0,73m Toàn sắc 10m SPOT 4 Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc 10m SPOT 5 Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc 5m SPOT 5 Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc 2,5m SPOT 5 Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc 5 x 10m - Ảnh vệ tinh COMSMOS và RESURS-01 Vệ SPOT tinh Tư liệu ảnh viễn thám COSMOS gồm có 2 loại. Ảnh độ phân giải cao có độ bay chụp 270km, máy ảnh tiêu cự 1.000mm, kích thước ảnh 30 x 30cm, độ phủ dọc trên 60%, độ phân giải mặt đất 6 - 7m. Ảnh độ phân giải trung bình có độ cao bay chụp 250km, máy ảnh tiêu cự 200mm, kích thước ảnh 18 10 x 18cm, độ phủ dọc trên 60%, độ phân giải mặt đất 30cm, chụp ở 3 phổ là lục (0,51 - 0,60m), đỏ (0,60 - 0,70m), cận hồng ngoại (0,70 - 0,85m). Vào các năm 1985, 1988 và 1994 CHLB Nga đưa lên quỹ đạo 3 vệ tinh viễn thám RESURS - 01. Vệ tinh RESURS - 01 bay ở độ cao 678km, trang bị bộ cảm đa phổ MSU-SK, có độ phân giải không gian là 170m đối với 4 kênh gồm kênh lục (0,5 - 0,6m), đỏ (0,6 - 0,7m), cận hồng ngoại (0,7 - 0,8m và 0,8 - 1,1m). Kênh hồng ngoại nhiệt (10,4 - 12,6m) có độ phân giải 600m. Một cảnh có độ bao phủ 600 x 600km2. 2.2.3 Xử lý ảnh viễn thám 2.2.3.1 Đăng ký ảnh và nắn ảnh Biến dạng hình học là sự sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực tế và tọa độ ảnh lý tưởng được tạo bởi một bộ cảm có thiết kế hình học chính xác và trong các điều kiện thu nhận lý tưởng. Nhằm loại trừ sai số giữa tọa độ ảnh thực tế và tọa độ ảnh lý tưởng cẩn phải tiến hành đăng ký ảnh và nắn chỉnh hình học (Lê Văn Trung, 2006). Có hai phương pháp đăng ký ảnh và nắn chỉnh hình học: Nắn chỉnh ảnh theo ảnh: Đã có một ảnh có đầy đủ các thông tin về tọa độ đúng cho vùng nghiên cứu, ảnh này sẽ là ảnh cơ sở để nắn chỉnh. Ảnh cần nắn chỉnh chưa có hệ tọa độ đúng, chọn điểm khống chế sẽ đồng thời chọn trên ảnh và đã có hệ tọa độ và ảnh chưa có hệ tọa độ. - Nắn chỉnh ảnh theo bản đồ: Bản đồ sử dụng thường là bản đồ địa hình có đầy đủ các chi tiết về địa hình và hệ tọa độ đúng của vùng nghiên cứu. 2.2.3.2 Tăng cường ảnh - Tăng cường ảnh là làm nổi bật hình ảnh sao cho người giải đoán ảnh dễ đọc, dễ nhận biết nội dung trên ảnh hơn so với ảnh gốc. Tùy từng trường hợp cụ thể vầ tùy vào từng ảnh vệ tinh cùng với đặc điểm của từng kênh ảnh bao gồm: Tăng cường độ tương phản của ảnh: Các kênh ảnh vệ tinh thu được thông thường có giá trị các phẩn tử ảnh chỉ phân bố trong phạm vi hẹp so với 11 khả năng hiển thị của ảnh. Từng kênh ảnh khi hiển thị có xu hướng tương đối tối hoặc tương đối sáng. Do đó để tăng cường độ tương phản ảnh ta phải thực hiện phép kéo dãn giá trị của ảnh. Nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám thực tế của ảnh gốc về khoảng cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả năng thể hiện được. Trong phần mềm ENVI chức năng tăng cường ảnh nằm trong công cụ Enhance. Hình 2.3: Thuật toán tăng cường chất lượng ảnh (Sử dụng ENVI 4.5) Sau khi chọn Interactive Stretching, sẽ xuất hiện cửa sổ tương tác mới cho phép điều chỉnh Histogram cho từng kênh ảnh đang hiển thị một. Trên cửa sổ này cho phép ta chọn kênh (R/G/B) để tăng cường, kiểu kéo giãn, nhập khoảng giá trị cần kéo dãn. Hình 2.4: Hiệu chỉnh tương phản Histogram (Sử dụng ENVI 4.5) 12 - Lọc ảnh: Do sai số phát sinh trong quá trình truyền dữ liệu hoặc bị gián đoạn tạm thời. Một số phần tử ảnh trên ảnh có giá trị độ sáng lớn hơn hay nhỏ hơn rất nhiều so với các phần tử ảnh chung quanh. Kết quả là tạo ra các điểm sáng trắng hay sậm đen trên ảnh mà làm ảnh hưởng đến việc tách thông tin từ ảnh viễn thám. Lọc ảnh nhằm loại nhiễu ngẫu nhiên các giá trị đột biến của phần từ ảnh trên ảnh, tạo ảnh mới mịn hơn so với ảnh gốc. Trong ENVI cung cấp nhiều phép lọc và cho phép chúng ta thay đổi các tham số kernel tùy theo ứng dụng ví dụ: Lọc Convolution, hoặc lọc Morphology 2.2.3.3 Giải đoán ảnh Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình tách thông tin định tính cũng như định lượng của hình ảnh dựa trên các tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của người giải đoán. Có hai phương pháp giải đoán chủ yếu là: Phương pháp giải đoán bằng mắt và phương pháp giải đoán bằng xử lý số. 2.2.3.3.1. Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt với sự tham gia của tri thức con người thì mức độ đầy đủ, độ chính xác của kết quả phụ thuộc rất nhiều vào khả năng của người giải đoán, hiệu quả kinh tế thấp và tốn kém nhiều về các chi phí điều tra ngoại nghiệp. Giải đoán bằng mắt có thể áp dụng trong mọi điều kiện trang thiết bị. Giải đoán bằng mắt là việc sử dụng mắt thường cùng với các dụng cụ quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu để xác định các đối tượng. Cơ sở để giải đoán bằng mắt là các chuẩn đoán đọc và khóa đoán đọc. - Các chuẩn giải đoán ảnh vệ tinh: Nhìn chung có thể chia các chuẩn đoán đọc thành 8 nhóm chính sau: + Chuẩn kích thước: Cần phải chọn tỷ lệ ảnh phù hợp để giải đoán. Kích thước của đối tượng có thể xác định nếu lấy kích thước đo được trên ảnh nhân với mẫu số tỷ lệ ảnh.