Tài liệu ứng dụng viễn thám, gis và ca markov vào giám sát quy hoạch sử dụng đất tỉnh thái nguyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Chinh Thảo ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Chinh Thảo ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý Mã số: 8440211.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI QUANG THÀNH Hà Nội – Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, em đã nhận được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy giáo, Cô giáo, anh chị em, bạn bè đồng nghiệp và gia đình. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy Cô giáo trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội và đặc biệt là các Thầy Cô giáo trực tiếp giảng dạy các chuyên đề của toàn khóa học đã tạo điều kiện, đóng góp ý kiến cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn thạc sĩ. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Bùi Quang Thành – người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Với thời gian nghiên cứu còn hạn chế, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của Thầy giáo, Cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 7 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài .............................................................. 8 3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.................................................................................... 8 4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................ 8 5. Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài ..................................................................................... 9 6. Cấu trúc luận văn ....................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT PHỤC VỤ GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT VÀ MÔ HÌNH HOÁ ......................... 10 1.1. Cơ sở khoa học về biến động lớp phủ mặt đất ....................................................... 10 1.1.1. Khái niệm lớp phủ mặt đất ................................................................................. 10 1.1.2. Phân loại lớp phủ ............................................................................................... 10 1.1.3. Biến động lớp phủ .............................................................................................. 12 1.2. Viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ ......................................... 13 1.2.1. Viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ .................................................. 13 1.2.2. GIS trong đánh giá biến động lớp phủ ................................................................ 16 1.2.3. Phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ ................. 19 1.3. Mô hình hóa biến động lớp phủ............................................................................. 20 1.3.1. Mô hình CA – Markov ....................................................................................... 20 1.3.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................. 23 CHƯƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN..................................................................................... 27 2.1. Điều kiện tự nhiên................................................................................................. 27 2.1.1. Vị trí địa lý......................................................................................................... 27 2.1.2. Địa hình ............................................................................................................. 28 2.1.3. Khí hậu - Thuỷ văn ............................................................................................ 29 2.1.4. Địa chất.............................................................................................................. 30 2.1.5. Tài nguyên thiên nhiên ....................................................................................... 31 2.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ...................................................................................... 36 1 2.2.1. Dân số và lao động ............................................................................................. 36 2.2.2. Cơ cấu kinh tế .................................................................................................... 37 2.2.3. Cơ sở hạ tầng ..................................................................................................... 37 2.2.4. Đời sống - xã hội................................................................................................ 38 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CA-MARKOV TRONG DỰ BÁO BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ TỈNH THÁI NGUYÊN ............................................................... 40 3.1. Ứng dụng viễn thám và GIS đánh giá biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2007-2019 .................................................................................................... 40 3.1.1. Sơ đồ quy trình các bước đánh giá biến động ..................................................... 40 3.1.2. Xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các năm 2007, 2013, 2019 ............................................................................................................................ 41 3.1.3. Ứng dụng phân tích biến động lớp phủ vào giám sát quy hoạch sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên ................................................................................................................ 48 3.2. Ứng dụng phân tích chuỗi Markov và mang tự động CA dự báo biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên ............................................................................................ 51 3.2.1. Quy trình các bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất ........................ 51 3.2.2. Xây dựng mô hình biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên .......................... 51 3.2.3. Xây dựng mô hình dự báo biến động lớp phủ tỉnh Thái Nguyên dựa vào mô hình CA-Markov ................................................................................................................. 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 71 2 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất…………………...….. 14 Hình 1.2: Bản chất của mạng tự động……………………………………………….... 22 Hình 2.1: Bản đồ hành chính tỉnh Thái Nguyên…………………………………….... 27 Hình 3.1: Sơ đồ quy trình các bước đánh giá biến động……………………………… 40 Hình 3.2: Ảnh Thái Nguyên năm 2013 được tổ hợp màu bởi các band 7,6,2…...……. 42 Hình 3.3: Giải đoán ảnh bằng phương pháp Maximum Likelihood…………………...42 Hình 3.4: Ảnh phân loại lớp phủ tỉnh Thái Nguyên năm 2007…………………….......43 Hình 3.5: Ảnh phân loại lớp phủ tỉnh Thái Nguyên năm 2013……………………..… 44 Hình 3.7: Ảnh biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2007 – 2013………..………...… 46 Hình 3.8: Ảnh biến động lớp phủ mặt đất giai đoạn 2013 – 2019……..…………..… 47 Hình 3.9: Biểu đồ biến động diện tích lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2007-2019 (đơn vị: pixel)……………………………………………………..……..... 47 Hình 3.10: Ảnh biểu diện tích, cơ cấu các loại đất……………………………………. 49 Hình 3.11: Quy trình các bước nghiên cứu dự báo thay đổi lớp phủ mặt đất năm 2025…………………………………………………………………………………….51 Hình 3.12: Quy trình phân cấp thích hợp……………………………………………. ..52 Hình 3.13: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Quần cư……………………………………………………………………………………… 53 Hình 3.14: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Quần cư………………………………………………………………………………... 54 Hình 3.15: Ảnh khoảng cách thích hợp tới đường giao thông của lớp phủ Quần cư…..55 Hình 3.16: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Nông nghiệp………………………………………………………………………………..... 56 Hình 3.17: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Nông nghiệp……………………………… ………………………………………….. 57 Hình 3.18: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Lâm nghiệp……………………………………………… ………………………………… 58 Hình 3.19: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Lâm nghiệp………………………………… ………………………………………… 59 Hình 3.20: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Đất trống………………………………………………… ……………………………….. 60 3 Hình 3.21: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ HTSDD đối với lớp phủ Mặt nước………………………………………………………………………..………….. 61 Hình 3.22: Ảnh phân cấp mức độ thích hợp của bản đồ Thổ nhưỡng đối với lớp phủ Mặt nước………..………………………………………………………………………….. 61 Hình 3.23: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Quần cư………….……….…… 63 Hình 3.24: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Nông nghiệp……………….….. 63 Hình 3.25: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Đất trống……………….……… 64 Hình 3.26: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Lâm nghiệp……………….…… 64 Hình 3.27: Phân cấp mức độ thích hợp cho lớp phủ Mặt nước……………….……… 65 Hình 3.28: Mô hình dự báo biến động lớp phủ mặt đất năm 2019…………..……….. 66 Hình 3.29: Kết quả kiểm chứng mô hình…………………………………….……….. 66 Hình 3.30: Ảnh dự báo lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên năm 2025………..………. 67 4 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Hệ thống chú giải của ảnh lớp phủ mặt đất .................................................. 41 Bảng 3.2: Bảng ma trận biến đổi diện tích lớp phủ giai đoạn 2007 - 2013 .................... 45 Bảng 3.3: Bảng ma trận biến đổi diện tích qua hai giai đoạn 2013 - 2019 .................... 46 Bảng 3.4: Lớp phủ mặt đất tương ứng cơ cấu các các loại đất tỉnh Thái Nguyên......... .49 5 DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT CA Cellular Automata CLEU Land Use and its Effects modelling GEOMOD Geometry Modification Technology GIS Geographic Information System FAOLCC Food and Agriculture Organization Land Cover Classification CORINE Coordination of information on the environment MCE Multi-Criteria Evaluation LULCC Land use land cover change GDP Gross Domestic Product WF Weight Factor HTSDĐ Hiện trạng sử dụng đất 6 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đất đai là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá có vai trò to lớn trong sự nghiệp phát triển của mỗi quốc gia. Với áp lực phát triển kinh tế xã hội, sự bùng nổ dân số và hiện trạng sử dụng đất như hiện nay có thể thấy nguồn tài nguyên đất đai ngày càng suy thoái, khan hiếm. Việt Nam sử dụng quy hoạch sử dụng đất đai là nền tảng tính toán, phân bổ hợp lý để sử dụng nguồn lực tối đa từ đất đai, đồng thời bảo vệ được nguồn tài nguyên giới hạn này. Tuy nhiên, thực trạng quy hoạch sử dụng đất đai ở Việt Nam còn nhiều điểm bất cập. Chất lượng của nhiều quy hoạch còn thấp, thiếu đồng bộ trong sử dụng đất cũng như chưa đầy đủ căn cứ pháp lý thể hiện ở việc các quy hoạch phải điều chỉnh, bổ sung nhiều lần; thiếu tính khả thi, không đảm bảo nguồn lực đất đai để thực hiện. Việc không đồng nhất các chỉ tiêu thống kê các loại đất dẫn đến việc đánh giá các chỉ tiêu thực hiện quy hoạch không đầy đủ, chính xác. Hay công tác quản lý, kiểm tra, giám sát chưa chặt chẽ, thường xuyên dẫn tới tình trạng vi phạm quy hoạch diễn ra phổ biến nhưng chưa được phát hiện và xử lý kịp thời và gây thiệt hại không nhỏ về kinh tế. Thái Nguyên là một tỉnh ở đông bắc Việt Nam, tiếp giáp với thủ đô Hà Nội và là tỉnh nằm trong quy hoạch vùng thủ đô Hà Nội. Thái Nguyên là một trung tâm kinh tế - xã hội lớn của khu vực đông bắc hay cả Vùng trung du và miền núi phía bắc. Hiện nay, đã có quy hoạch sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên đến năm 2035. Trong bối cảnh như vậy, việc mô hình hoá dự báo biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên sẽ là nền tảng, cơ sở khoa học cho giám sát quy hoạch sử dụng đất tại tỉnh Thái Nguyên. Nghiên cứu dự báo xu thế biến đổi lớp phủ mặt đất có nhiều phương pháp tiếp cận như CLEU, GEOMOD... Tuy nhiên, nghiên cứu này đã áp dụng mô hình CA-Markov để mô phỏng xu thế biến động lớp phủ do khả năng mô phỏng, hiệu quả cao với dữ liệu khan hiếm, hiệu chuẩn đơn giản và có khả năng tích hợp yếu tố hạn chế vào mô hình. Mô hình CA-Markov là một trong những mô hình được sử dụng phổ biến trong các bài toán mô hình hóa lớp phủ, mô hình này thay đổi cả không gian và thời gian. Mô hình CA-Markov kết hợp chuỗi automata và chuỗi Markov để dự đoán xu hướng và đặc điểm của lớp phủ theo thời gian, là một trong những công cụ hỗ trợ lập kế hoạch để 7 phân tích sự thay đổi theo thời gian và phân bố không gian của lớp phủ. Ngoài ra, mô hình này được sử dụng rộng rãi để mô tả đặc điểm của lớp phủ, độ che phủ của rừng, sự phát triển đô thị, sự phát triển của nhà máy và mô hình quản lý lưu vực. Điều này cũng quan trọng đối với việc thiết kế và hoạch định chính sách sử dụng đất và mục tiêu phát triển đất bền vững. Với các lý do trên, đề tài “ỨNG DỤNG VIỄN THÁM, GIS VÀ CA-MARKOV VÀO GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT TỈNH THÁI NGUYÊN” đã được thực hiện. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài a. Mục tiêu Phân tích, dự báo biến đổi lớp phủ tỉnh Thái Nguyên làm cơ sở khoa học cho phương án quy hoạch sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên trong tương lai. b. Nhiệm vụ Để hoàn thành được mục tiêu trên, các nhiệm vụ sau cần được thực hiện: - Tổng quan các công trình đã nghiên cứu kết hợp viễn thám, GIS và mô hình CA – Markov trong dự báo biến đổi sử dụng đất. - Thu thập các tư liệu bản đồ, ảnh vệ tinh, ở các thời điểm khác nhau của tỉnh Thái Nguyên. - Xử lý ảnh viễn thám, xây dựng ảnh hiện trạng lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các giai đoạn 2007 – 2013, 2013 – 2019. - Mô hình hóa dự báo xu thế biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên năm 2025. 3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài - Phạm vi không gian: đề tài giới hạn nghiên cứu tại tỉnh Thái Nguyên. - Phạm vi thời gian: Nghiên cứu biến đổi lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên qua các năm 2007 – 2013 – 2019. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu. - Phương pháp viễn thám và GIS - Phương pháp phân tích và mô hình hóa không gian 8 5. Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài - Dữ liệu ảnh viễn thám và GIS bao gồm vệ tinh LANDSAT qua các giai đoạn, bản đồ quy hoạch sử dụng đất và bản đồ địa hình, thổ nhưỡng của tỉnh Thái Nguyên. - Các tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tỉnh Thái Nguyên. - Các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng bài toán phân tích chuỗi Markov và mô hình hóa Mạng tự động (Cellular Automata) nhằm nghiên cứu sự phát triển không gian đô thị. 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về biến động lớp phủ mặt đất phục vụ giám sát quy hoạch sử dụng đất và mô hình hoá. Chương 2: Các nhân tố ảnh hưởng tới biến động lớp phủ mặt đất tỉnh Thái Nguyên. Chương 3: Ứng dụng mô hình CA-Markov trong dự báo biến động lớp phủ tỉnh Thái Nguyên. 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT PHỤC VỤ GIÁM SÁT QUY HOẠCH SỬ DỤNG ĐẤT VÀ MÔ HÌNH HOÁ 1.1. Cơ sở khoa học về biến động lớp phủ mặt đất 1.1.1. Khái niệm lớp phủ mặt đất 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. Lớp phủ mặt đất là trạng thái của bề mặt trái đất, là sự kết hợp của nhiều thành phần như thực phủ, thổ nhưỡng, đá gốc và chịu sự tác động của các nhân tố tự nhiên như nắng, gió, mưa bão và nhân tạo như khai thác đất để trồng trọt, xây dựng nhà cửa, công trình phục vụ cuộc sống của con người. Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng của chúng lại có mối tương quan mật thiết. Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử dụng đất và các hoạt động kinh tế - xã hội xảy ra trên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụng đất cũng chính là đối tượng của lớp phủ, ví dụ như đất đô thị và đất nông nghiệp. Một số loại hình sử dụng đất khác như công viên theo góc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ, rừng cây hay các công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất hiện hành đều phải xét đến khía cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hình lớp phủ nhân tạo có thực phủ. Các thông tin về lớp phủ mặt đất được thu thập bằng hai phương pháp cơ bản là khảo sát thực địa và phân tích dữ liệu viễn thám. Khảo sát thực địa là phương pháp thu thập thông tin truyền thống thường rất tốn kém và mất nhiều thời gian. Phân tích dữ liệu viễn thám là phương pháp hiện đại, cho phép chiết tách các thông tin lớp phủ mặt đất một cách nhanh chóng, hiệu quả và ít tốn kém. 1.1.2. Phân loại lớp phủ Để thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các thông tin lớp phủ mặt đất và đảm bảo tính thống nhất về nội dung thông tin, người ta đã xây dựng các hệ phân loại lớp phủ mặt đất. Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựa trên nguyên tắc sau: 10 - Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tựợng bề mặt thành các nhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tượng như mặt nước, mặt đất, lớp phủ thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo. - Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm các loại ảnh vệ tinh như SPOT, LANDSAT, ảnh hàng không… - Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đối tượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau. - Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn. - Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợp với việc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu cầu thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau. Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với điều kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực. Hệ phân loại FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land Cover Classification) vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa chi tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảo sát ngoại nghiệp. Hệ phân loại CORINE (Coordination of information on the environment) dựa vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của Mỹ và Châu Âu. Cụ thể là: * Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính: Cấp 1 (Level 1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ thực vật của bề mặt đất. Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1 theo đặc điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất. Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2 theo tính chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất. Từ cấp 3 trở đi các đối tượng được phân chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm cưa đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu và mức độ chi tiết của bản đồ cần thành lập. * Hệ phân loại lớp phủ mặt đất CORINE chia ra theo 3 cấp: 11 - Cấp1 (Level 1): Phân ra thành 5 loại theo trạng thái bề mặt tổng thể của trái đất là lớp phủ nhân tạo, đất nông nghiệp, rừng và các vùng bán tự nhiên, đất ẩm ướt, mặt nước phù hợp với bản đồ tỷ lệ nhỏ phủ trùm toàn cầu. - Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 15 loại theo đặc điểm che phủ của thực vật. - Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 44 loại chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vực nghiên cứu. 1.1.3. Biến động lớp phủ Biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội. Biến động lớp phủ chính là sự thay đổi về loại hình lớp phủ tại cùng 1 khu vực hoặc là sự thay đổi diện tích của loại hình lớp phủ đấy trong khoảng thời gian t. * Biến động về diện tích đối tượng (biến động về số lượng) Giả sử cùng đối tượng A và thời điểm T1 có diện tích S1, ở thời điểm T2 có diện tích là S2 (đối tượng A thu nhận được từ hai ảnh vệ tinh có thời điểm chụp khác nhau), như vậy ta nói rằng A bị biến đổi diện tích ở thời điểm T1 so với T2 (sự biến đổi này có thể bằng nhau, nhỏ hơn hoặc lớn hơn) nếu ta dùng kỹ thuật để chồng xếp hai lớp thông tin này thì phần diện tích của phần trùng nhau sẽ được gán giá trị cũ của đối tượng A, còn giá trị khác sẽ là giá trị của phần biến động. Giá trị biến động này là bao nhiêu, tăng hay giảm phụ thuộc vào thuật toán được sử dụng. * Biến động về bản chất đối tượng Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác nhau, diện tích A ở tời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2 (M1, M2 là các giá trị phổ), ta sử dụng thuật toán chồng ghép hai lớp thông tin tại hai thời điểm T1, T2 sẽ xuất hiện giá trị M khác M1, M2. Giả sử diện tích A không đổi ta nói rằng có sự thay đổi về chất của A, trên thực tế đây là sự thay đổi loại hình lớp phủ mặt đất. * Phân tích vector biến động Các đối tượng địa lý đơn giản hay phức tạp đều được qui thành 3 dạng: điểm (point), đường (line), vùng (polygon). Trong đó: điểm (point): thể hiện một phần tử dữ liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều. Phương pháp phân 12 tích vector cho phép xác định và nghiên cứu xu thế biến động về chất của từng điểm trong không gian 2 hoặc n chiều. Biến động vùng đất được thể hiện qua hai hình thức chính sau: - Biến động về diện tích: biến động về diện tích thể hiện qua các thời gian khác nhau. - Biến động về loại hình đất đai: biến động về hiện trạng lớp phủ mặt đất thể hiện qua hai thời điểm khác nhau. Từ các tư liệu ảnh, tiến hành so sánh để có thông tin về sự biến động của đất đai theo nguyên tắc phân tích vector. 1.2. Viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ 1.2.1. Viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ a. Khái quát về viễn thám Viễn thám được xác định là một phương pháp nghiên cứu các đối tượng, hiện tượng bằng các thiết bị, đặt cách đối tượng một khoảng cách nào đó, không đòi hỏi tiếp xúc trực tiếp với đối tượng. Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra đo đạc những đặc tính của đối tượng. Viễn thám được định nghĩa là sự thu thập và phân tích thông tin về đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp đến vật thể. Công nghệ viễn thám dựa trên những thành tựu mới nhất của khoa học kĩ thuật cũng như công nghệ vũ trụ, công nghệ tin học...Với mục tiêu cung cấp thông tin nhanh nhất và khách quan nhất. Những năm gần đây dưới sự phát triển của khoa học kĩ thuật, công nghệ viễn thám phát triển mạnh bởi những sự cải tiến về các vệ tinh chụp ảnh, thiết bị chụp ảnh và các phương pháp chụp ảnh. b. Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên mặt đất Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Đặc trưng phổ sẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bề mặt đất, nó sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng. 13 Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tượng trên mặt đất trong ảnh vệ tinh là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ. (Hình 1.1) dưới đây thể hiện đặc tính phản xạ của các thành phần đất, nước và thực vật trên ảnh vệ tinh. Hình 1. 1. Phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên mặt đất Thông qua đặc điểm về đường cong phản xạ phổ của các đối tượng người ta thiết kế các thiết bị thu nhận sao cho lại khoảng bước sóng đó các đối tượng có độ phản xạ phổ là dễ phân biệt nhất và ở những khoảng nằm trong bước sóng này sự hấp thụ của khí quyển là nhỏ nhất. Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím( 0.3μm – 0.4μm), vùng ánh sáng nhìn thấy( 0.4μm-0.7μm), đến vùng gần sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt. Trong tất cả tài liệu cơ sở viễn thám, theo bước sóng sử dụng công nghệ viễn thám có thể chia làm ba nhóm chính: - Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại - Viễn thám hồng ngoại nhiệt - Viễn thám siêu cao tần c. Một số loại tư liệu viễn thám đang được sử dụng ở Việt Nam Một hệ thống viễn thám nghiên cứu tài nguyên và môi trường bao gồm nhiều thành phần. Về nguyên tắc các thành phần này có thể chia làm ba loại chính: - Các vệ tinh viễn thám và các tàu vũ trụ có người điều khiển; - Các máy bay có trang bị phòng thí nghiệm và máy đa phổ; - Các trạm thu và xử lý thông tin mặt đất cố định hoặc lưu động cùng các khu vực Polygon. Các vệ tinh nhân tạo đóng vai trò chủ đạo để thu thập thông tin 14 viễn thám mà chủ yếu là bằng phương pháp thu nhận năng lượng phản xạ từ các đối tượng mặt đất và tạo ra các sản phẩm với các thể loại đa dạng: ảnh đa phổ, ảnh hồng ngoại nhiệt, ảnh rada,... Hiện nay, ở Việt Nam đang sử dụng nhiều loại tư liệu ảnh viễn thám khác nhau cho các mục đích nghiên cứu và quản lý tài nguyên thiên nhiên, thành lập các loại bản đồ phục vụ công tác quản lý kinh tế xã hội. Ảnh vệ tinh quang học với nhiều ưu điểm như hình ảnh quen thuộc với con người, dễ giải đoán, kỹ thuật tương đối dễ phát triển trên nền các công nghệ chụp ảnh hiện hành nên đã nhanh chóng được chấp nhận và ứng dụng rộng rãi. Các loại ảnh quang học như Landsat, SPOT, Aster, IKONOS, QuickBird... đã trở nên quen thuộc và phổ biến trên toàn thế giới. Trong công tác thành lập các loại bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám sử dụng ảnh quang học đã được đưa vào các quy phạm tương đối hoàn chỉnh. d. Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám trong nghiên cứu lớp phủ Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, hiện nay tư liệu ảnh vệ tinh đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám có thể kể ra là: - Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (Landsat 180km × 180km, SPOT, ASTER 60km×60km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc; - Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau; - Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau do đó cho phép nghiên cứu bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau. Ví dụ như các loại ảnh có độ phân giải siêu cao như SPOT 5, IKONOS, QuickBird, ảnh hàng không để nghiên cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu vực; - Khả năng chụp lặp hay còn gọi là độ phân giải thời gian. Do đặc điểm quỹ đạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại được vị trí trên mặt đất. Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tượng diễn ra trên mặt đất. 15 - Các dữ liệu được thu nhận ở dạng số nên tận dụng được sức mạnh xử lý của máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin như hệ thống thông tin địa lý (GIS). Do những đặc tính hết sức ưu việt kể trên ảnh viễn thám đã trở thành một công cụ không thể thiếu được trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường nói chung và việc chiết tách các thông tin lớp phủ nói riêng, nhất là ở những vùng khó tiếp cận như các vùng núi cao, biên giới, hải đảo. 1.2.2. GIS trong đánh giá biến động lớp phủ a. Khái niệm về GIS Hệ thông tin địa lý (GIS) là công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên Trái Đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược). b. Cấu trúc của GIS Một hệ thống thông tin địa lý bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và bộ quy định ở cấp độ tổ chức. Các hợp phần này phải được hợp nhất tốt để phục vụ cho việc sử dụng GIS được hiệu quả. Phần cứng: phần cứng của GIS được xem là phần cố định mà bằng mắt thường ta có thể dễ dàng thấy được. Nó bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi. - Máy tính có thể là máy có bất kỳ kích thước nào và có thể do nhiều hãng sản xuất với cấu hình khác nhau. Tuy nhiên, máy tính có cấu hình mạnh là điều mong muốn để sử dụng trong GIS. - Các thiết bị ngoại vi bao gồm bản số hóa, máy quét, máy in và máy vẽ. Các thiết bị này cũng hết sức đa dạng về kích cỡ, kiểu dáng, tốc độ xử lý và độ phân giải do các hãng khác nhau sản xuất. Chúng được kết nối với máy tính để được thực hiện việc nhập và xuất dữ liệu. 16 Phần mềm: có khả năng lưu trữ, xử lý, phân tích, tính toán, hiển thị các dữ liệu theo yêu cầu của người sử dụng. Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phần mềm có 4 nhóm tối thiểu chức năng sau đây: - Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau; - Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính; - Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian - thời gian; - Hiển thị và trình bày thông tin dưới dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau. Cơ sở dữ liệu - Khái niệm dữ liệu địa lý: Đặc điểm dữ liệu trong các thông tin địa lý khác biệt với dữ liệu ở các hệ thống thông tin khác (ngân hàng, thư viện, quản lý khách hàng hàng không, y tế...) ở chỗ chúng bao gồm cả thông tin về vị trí không gian (dữ liệu không gian), thậm chí cả các mối liên hệ topo không gian và các thông tin mô tả tính chất (dữ liệu thuộc tính) các vật thể trong hệ thống dữ liệu. Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS là : dữ liệu không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu và có quan hệ chặt chẽ với nhau. Con người: là yếu tố quyết định sự thành công trong tiến trình kiến tạo hệ thống và tính hữu hiệu của hệ thống trong tiến trình khai thác vận hành. Trong hệ thống thông tin địa lý, con người sẽ làm việc trên 3 vị trí cũng là 3 cấp có chức năng khác nhau: quản trị, kỹ thuật GIS, kỹ thuật chuyên ngành. Chính sách quản lý: đây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống. Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả phục vụ người sử dụng thông tin. Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong một khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích dữ liệu, đồng thời có thể phát triển hệ thống GIS theo nhu cầu. c. Các chức năng của GIS trong việc xây dựng biến động lớp phủ Với sự phát triển của các kĩ thuật tiên tiến thực chất là ứng dụng máy vi tính và các phần mềm chuyên dụng (GIS Software) hiện nay việc thành lập, xử lý và biên tập 17