Tài liệu ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ các tỉnh dọc sông hồng việt nam

MÚC L U C Trang Trang phụ bì a Lời cam đoan M ụ c lục Danh mục ký hiệu và chữ viết lắt Danh mục các bảng Danh mục các hì nh MỞ ĐẦU ì Chương l . T Ổ N G Q U A N V Ề ÚNG D Ụ N G V I Ễ N T H Á M VÀ H Ệ THÔNG T I N Đ Ị A LÝ T R O N G N G U Y Ê N VÀ Đ Ặ C Đ I Ể M VÙNG NGHIÊN Ù cứu NGHIÊN TÀI cứu Tinh hình ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu tài nguyên trên thế giới và ở Việt Nam 8 1.1.1 Trên thế giới 8 1.1-2 Ở Việt Nam 15 Đặc điểm địa lý lãnh thổ các tính dóc sông Hổng Việt Nam 20 1.2.1 VỊ trí địa lý 20 1.2.2 Điều kiện tự nhiên 21 Ì .2.3 Điều kiện kinh tế xã hội 34 Ì .2 Chương ĩ . MÔ HÌNH ÚNG D Ụ N G VIÊN THÁM VÀ H Ệ T H Ô N G TIN Đ Ị A LÝ T R O N G NGHIÊN cứu H I Ệ N T R Ạ N G TÀI N G U Y Ê N LÃNH T H O CÁC T Ỉ N H D Ọ C SÔNG H Ồ N G 2.1 2.1.1 Cơ sở lý luận về úng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguyên 38 Viễn thám 38 2.1.2 H ệ thông tin địa lý 50 2.1.3 Tài nguyên 54 2.1.4 ưu điểm và hạn chế của viễn thảm và GIS (ro ng nghiên cứu tài nguyên ^ 2.2 Xây dựng mô hình khái niệm về ứng dụng viền t hám và GIS (rong nghiên cứu hiện t rạng t ài nguyên vùng sông Hổng 68 2.2! I Vai trò của mô hình trong ứng dụng viền t hám và GIS 68 2.2.2 Mô hình xử lý ảnh số vệ tinh và GIS trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên vùng sông Hồng Chương 3. 71 NGHIÊN cứu H I Ệ N T R Ạ N G TÀI N G U Y Ê N LÃNH T H O CÁC T Ỉ N H D Ọ C SÔNG M Ỏ N G B Ằ N G PHƯƠNG PHÁP X Ử L Ý Ả N H SỐ V Ệ T I N H VÀ H Ệ T H Ô N G TIN Đ Ị A LÝ 3. Ì Nghiên cứu ờ toàn lãnh thổ các tỉnh dọc sông Hồng 3.2 Nghiên cứu ở các khu vực đại điện 100 3.2.1 Khu vực Lào Cai loi 3.2.2 Khu vực Hà N ộ i 107 3.2.3 Khu vực Ba L ạ i [23 So sánh với các phương pháp t ruyền thông 129 3.3 87 K Ế T L U Ậ N VÀ KIÊN N G H Ị D A N H M Ụ C C Ô N G TRÌNH C Ủ A TÁC GIÁ TÀỈ LIÊU T H A M K H Ả O P H U LÚC 134 1 3 6 137 151 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTER Bộ cảm do phản xạ và phát xạ nhiệt vũ trụ nâng cao ESRI Viện nghiên cứu hệ thống môi trường ETM+ Bộ cám lập bản đổ chuyên đề lăng cường FAO Tổ chức nông lương của Liên hợp qu ốc GIS H ệ thông tin địa lý GLI Bộ cảm tạo ảnh toàn cầu IKONOS V ệ tinh lập bản đồ IGBP Chương trình địa sinh quyển q uốc tê Landsat V ệ tinh lục địa MODIS Thiết bị đo bức xạ phổ tạo ảnh phân giải tru ng bình NASA Cơ quan không gian và hàng không q uốc gia M ỹ NDVI Chỉ số thực vật chuẩn hoa NOAA Cơ quan khí q uyển và hải dương q uốc gia M ỹ SPOT V ệ tinh q uan sát trái đất TM Bộ cảm lập bản đồ chuyên đề TNTN Tài nguyên thiên nhiên UNDP Chương trình phát triển của Liên hợp q uốc UNEP Chương trình môi trường của Liên hợp q uốc ƯSGS Cục địa chất M ỹ WMO Tổ chức khí tượng thế giới D A N H M Ụ C CÁC BẢNG Bảng số Tôn bảng Trang Ì. Ì Các nhóm chí số thực vật 1.2 Ì .3 10 Tính hữu ích của các băng ảnh viễn thám trong phân biệl các thể nước 12 Phân loại nước theo độ đục 13 Ì .4 Các cơ sở ứng d ụng viễn thám và GIS ở Hà N ộ i 1.5 Số liệu khí hậu trung bình năm 18 tại các trạm khí tượng. vùng sông Hồng 26 2. Ì Bước sóng và tần số d ùng trong viễn thám vệ tinh 39 2.2 Đặc điểm của các bộ cảm vệ tinh quang học 41 2.3 Ong d ụng của ảnh viễn thám 43 2.4 Các ứng d ụng chính của từng băng phổ T M và ETM-f- 44 2.5 Ong đụng của các băng ảnh SPOT 45 2.6 Các đơn vị lớp phủ đất của Chương trình Địa Sinh quyển quốc tế (IGBP) 2.7 Loại ảnh đại diện cho cấp phân loại sử dụng đất và lớp phủ đất 2.8 60 61 Lập bản đồ sử dụng đất - Chi phí và ưu điểm của các phương pháp khác nhau- Trường hợp nước Pháp (550.000 64 2 km ) 2.9 Tạo tổ hợp màu giả chuẩn R G B từ các băng ảnh vệ tinh đa phổ (S ] 3.1 Các ảnh lổ hợp tháng 32 ngày M O D Ỉ S vùng sổng Hồng 88 năm 2002 3.2 Các băng ánh tổ hợp tháng 32 ngày MODIS 88 3.3 Sử dụng đất và lớp phủ đất vùng sông Hồng, 2002 96 3.4 Diện l ích dái, nước và thực vại am các lỉnh vùng sông Hồng, 2002 98 3.5 Đặc điểm ảnh vệ tinh ở các khu vực nghiên cứu 102 3.6 Sử dụng đất và l ớp phủ đất khu vực Lào Cai, 1999 106 3.7 Sử dụng đất và l ớp phủ đất khu vực Hà N ộ i , 1995 I 18 3.8 Sử dụng đất và l ớp phủ đất khu vực hồ Hoàn K i ế m , 2000 ] 22 3.9 Sử dụng đất và l ớp phủ đất khu vực Ba Lạt, 2001 128 3.10 So sánh kết quả lập bản đồ sử đụng đài và lớp phủ đất khu vực Lào Cai 3.11 I 31 Diện tích hồ (ha) ớ Hà Nội xác định bằng các phương pháp khác nhau 132 D A N H M Ụ C CÁC HÌNH Hình số e T n hình Trang 1.1 Vị trí LTCTDSH Việt Nam 22 1.2 Bản đồ đất LTCTDSH 27 1.3 Lượng mây trung bình tháng (% bầu trời) ở [lạm Thái 28 Bình Ì .4 Mạng lưới thúy văn L T C T D S H 1.5 Lưu lượng trung bình tháng của nước sông tại các trạm thúy văn chính L T C T D S H 30 31 ì .6 Nồng độ trầm tích trung bình tháng của nước sông tại các Ì .7 trạm thúy văn LTCTDSH 31 Hiện trạng rừng L T C T D S H , 1993 33 ì .8 Tỷ lệ dân thành thị ở các tỉnh L T C T D S H 2.1 Mô hình khái niệm về ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu hiện trạng lài nguyên vùng 2.2 71 Quá trình ứng dụng xử lý ánh số và GIS trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên L T C T D S H 2.3 34 73 Sử dụng ảnh vệ tinh the o mỏ hình phân cấp đa bộ cảm trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ các tỉnh dọc sông Hồng Việt Nam 2.4 76 Các bước phân tích ảnh vệ tinh và GIS trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên vùng sôngHồng 80 3.1 Mô hình chỉ số thực vật N D V I M O D I S L T C T D S H . 2002 94 3.2 Chỉ số thực vật N D V I M O D I S trung bình the o tháng của L T C T D S H , 2002 3.3 Bản đồ sử dụng đất và lớp phủ đất L T C T D S H , 2002 Phan loại đa thời gian ảnh vệ tinh Terra MODIS 3.4 Phân bố sứ dụng đất và lớp phủ đài L T C T D S H , 2002 3.5 So sánh sử dụng đất và lớp phủ đất theo tỉnh L T C T D S H , 2002 3.6 Tỷ lộ che phủ rừng của các tỉnh L T C T D S H , 2002 3.7 Diện tích đất, nước và thực vật của các tỉnh L T C T D S H , 2002 3.8 Tỷ lộ đất, nước và thực vật L T C T D S H , 2002 3.9 VỊ trí các khu vực nghiên cứu 3.10 Chỉ số thực vật N D V I ETM+ khu vực Lào Cai, 27/12/99 3.11 Bản đồ sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực Lào Cai Phân loại từ ảnh Landsat 7 ETM+, 27/12/1999 3.12 Phân bố diện tíc h sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực Lào Cai, 1999 3.13 Chỉ số thực vật N D V I SPOT khu vực Hà N ộ i , 26/10/95 3.14 Mô hình c hỉ số thực vật NDVÍ SPOT với ranh giới phường xã ở Hà Nội 3.15 Phan bố thực vật ở khu vực Hà N ộ i , 26/10/1995 3.16 Tổ hợp màu giá chuẩn SPOT xs khu vực Hà N ộ i , 26/10/95 3.17 Phân bố nước mặt khu vực Hà N ộ i , 26/10/95 3.18 Bàn đồ sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực Hà N ộ i Phân loại từ ảnh SPOT X S , 26/10/199 3.19 Phân bố điện tích sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực Hà N ộ i , 1995 3.20 Tỷ lệ diện t ích đất , nước và thực vại khu vực Hà N ộ i , 1995 3.21 Ảnh IKONOS khu vực hổ Hoàn Kiếm, 30/03/2000 3.22 Bản đồ sử dụn g đất và lớp phủ đất khu vực hồ Hoàn Kiếm, 2000. Phân loại lừ ảnh I K O N O S 3.23 Tỷ l ệ diện t ích sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực hồ Hoàn K i ế m , 2000 3.24 Chỉ số thực vật N D V I ETM+ khu vực Ba Lạt, 08/05/2001 3.25 Bản đồ sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực Ba L ạ i Phân loại từ ảnh Lan dsat 7 ETM+, 08/05/2001 3.26 Tỷ l ệ diện tích sử dụng đất và lớp phủ đất khu vực cửa Ba Lạt, 2001 3.27 Tỷ lệ che phủ rừn g của các t ỉnh L T C T D S H a) kết quá tổng kiểm kê, 1999 b) kết quả phân loại ản h M O D I S năm 2002 M Ở ĐẤU 1. Lý do chọn đề tài Viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) là các công nghệ hiện đại, bổ trợ cho nhau ngày càng được ứng đụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong nghiê n cứu tài nguyê n ở nhiều nước trê n thế giới. Ưu điểm kế! hợp của công nghệ viễn thám và GĨS là tính bao quát, cập nhật, lặp lại, nhất quán vé thời gian, khả năng tạo và quản lý dữ liệu số, kha năng phân lích lổng hợp dữ liệu để tạo ra thông tin mới, và sự linh hoạt trong trình bày thông tin. Bởi vậy, sử dụng viễn thám và GIS trong nghiê n cứu tài nguyê n đã trờ thành một xu thế, một yê u cầu tất yếu được đặt ra nhằm khắc phục hạn chế của các phương phấp truyền thống về giá thành, tốc độ thu thập, xử lý dữ liệu, độ tiếp cận, tính khách quan và cạp nhật của kết quả nghiê n cứu trong nỗ lực đáp ứng đầy đủ và k ịp thời nhu cầu thông tin phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên ờ các quy mô k hác nhau trong bối cảnh suy thoái tài nguyên như mất rừng, ổ nhiễm và cạn kiệt các nguồn nước, xói mòn đất ngày càng gia tăng trước những biến động lớn về môi trường và nhịp độ phát triển kinh tế ngày càng cao. Ở Việt Nam, phương pháp viễn thám và GIS đã được sử dụng trong nghiên cứu tài nguyê n từ cuối những năm 1960 đối với viễn thám hàng k hông, cuối 1970 đối với viễn thám vệ tinh và đầu 1990 đối với GIS. K ể từ dó đến nay một số chương trình, dự án và đề tài nghiê n cứu đã được triển khai như chương trình I N T E R C O S M O S , chương trình viễn thám khu vực, chương trình công nghệ thông tin, dự án VIE/76/001, VIE/83/04, dự án nghiên cứu tài nguyên đới bờ, dự án GIS quốc gia...thu hút sự tham gia của nhiều bộ, ngành, của nhiều nhà khoa học và quản lý. Các hoạt động đó đã lừng bước khẳng định vai trò của viễn thám và GIS trong nghiê n cứu tài nguyê n phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội và là cơ sở cho sự phái triển tiếp theo của viễn thám và GIS ở Việt Nam. I Sự phát triển nhanh của công nghệ máy tính và truy ền thông, sự cái thiện rõ về chất lượng, giá t hành và sự sẵn có của nhiều loại ảnh vệ t inh mới như MODIS, ETM+, ASTER, I K O N O S . . . trong những năm gần đây cũng như tốc độ tăng trưởng cao của nền kinh tế đất nước dựa chủ y ếu vào việc gia tăng các hoạt động khai thác và sử dụng t ài nguyên từ 1986 đến nay đã tạo ra nhiều cơ hội và t hách thức mới cho việc sử dụng rộng rãi hơn công nghệ viễn t hám và GIS ở Việt Nam. Các nhà nghiên cứu t rong nước giờ đây (lã cỏ thô và phái ra quy ết định lựa chọn giữa nhiều loại ánh vệ tinh rất khấc nhau vổ độ phân giải phổ, không gian và thời gian và giữa nhiều loại phần mềm viễn thám và GIS để khai thác thông tin tài nguyên. Song, cho đến nay số lượng và chất lượng các công trình nghiên cứu vẫn ở mức rất hạn chế chưa tương xứng với tiềm năng của công nghệ và đòi hỏi của công tác quy hoạch và quán lý lài nguyên ở nhiều cấp khác nhau. Các ứng dụng chưa được tiến hành một cách hệ thống và mới chỉ dừng lại ở một số chuyên đề hoặc ở một đơn vị hành chính như huyện, t ỉnh. Đặc biệt , chưa có công t rình học thuật nào đề cập đến ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguy ên cấp vùng gồm nhiêu tỉnh với nhiều loại cảnh quan khác nhau ở Việt Nam dựa trên những tiến bộ mới về công nghệ và đòi hỏi của t hực liễn. Do đó việc lìm ra mô hình ứng dụng viễn thám và GIS thích hợp cho nghiên cứu lài nguy ên vùng ờ Việt Nam là hết sức cần thiết, có tác dụng trực tiếp đến hiệu quả đào tạo và ứng dụng công nghệ phục vụ quy ạch và quản lý tài nguy ên trên toàn lãnh thổ và ở từng vùng cụ thể. Để xây dựng và thử nghiệm mô hình ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguy ên vùng ở Việt Nam, nghiên cứu sinh đã chọn vùng nghiên cứu là lãnh thổ các tỉnh dọc sông Hồng, nơi bản thân đã có nhiều năm nghiên cứu, t hu t hập dữ liệu cả ở t rong phòng và ngoài t hực địa, và là một địa bàn lịch sử, có t ầm quan t rọng đặc biệt đối với sự tăng trưởng kinh tế và hái triển bền vững của cá nước. V ớ i điện t ích gần 28000 km , t rải dài t ừ biên giới 2 2 Việt Trung ra đến vịnh Bắc Bộ, vùng nghiên cứu có nhiều loại cảnh quan thiên nhiên và văn hoa như núi, đồng bằng tam giác châu , ven biển, nông thôn và đô thị. Tài nguyên thiên nhiên trong vùng có tầm quan trọng quốc gia và quốc tế. Tuy nhiên, cho đến nay việc bảo vệ, sử dụng hợp lý và tái tạo chúng còn gặp nhiều khó khăn do còn thiếu một cơ sở dữ liệu. Ihông tin và tri thức đẩy dù và tin cậy. Tất cả những điều đó cho thấy nhu cầu cấp thiết cần dấy mạnh nghiên cứu tài nguy ên trong vùng (heo mô hình mới có khii năng khắc phục được những khỏ khăn và hạn chế đối với các phương pháp nghiên cứu truyền thống. Hơn nữa, với nhiều hệ sinh thái khác nhau, lãnh thổ các tính đọc sông Hổng thực sự là một phò ng thí nghiệm lớn, mội địa bàn lý tưởng cho việc xây đựng và triển khai mô hình ứng dụng viễn thám và GIS trên qu y mô vùng. Kinh nghiệm thu được ở vùng nghiên cứu có thể áp đụng cho các vùng khác trong nước với các điều chỉnh cần thiết. Xuất phát từ các lý do trên nghiên cứu sinh đã chọn đổ tài luận án tiến sỹ "ứng dụng viễn thám vờ hệ thông tin địa lý nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ các tỉnh dọc SÔỈÌỈỊ Hồng Việt Nam". 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích của đề tài là tạo ra một mô hình ứng dụng viễn thám và GIS thích hợp cho nghiên cứu hiện trạng tài ngu yên lãnh thổ các tỉnh dọc sông Hổng Việt Nam phục vụ đào tạo, nghiên cứu khoa học cũng như quy hoạch và quản lý tài nguyên theo hướng phát triển bền vững. Để đạ t được mục đích trên, luận án có các nhiệm vụ cụ thể sau: Ì) Tổng quan tình hình ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguyên trên thế giới và ở Việt Nam. 2) Xâ y dựng mô hình ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ các tỉnh dọc sống Hồng Việt Nam. ĩ 3) Thử nghiệm mô hình ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ các lỉnh dọc sông Hổng và để xuất các nghiên cứu tiếp theo. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đe tài là dữ liệu ảnh vệ linh, dữ liệu dối chiếu, phương pháp phân tích dữ liệu và hiện trạng tài nguyên lãnh thổ cá c tỉnh dọc sổng Hồng Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn ở việc nghiên cứu hiện trạng tài nguyên đất, nước và thực vật (sử dụng đất và lớp phủ đất) ở quy mô toàn vùng và ba khu vực đại diện cho cảnh quan núi, đồ ng bằng và ve n biển (Lào Cai, Hà Nội và Ba Lạt) bằng ảnh vệ tinh quang học có độ phâ n giải không gian trung bình, phâ n giải cao và rất cao. 4. Ý nghĩa khoa học và thự c tiễn của đề tài nghiên cứu Ý nghĩa khoa học của luận án là đã tạo ra được một mô hình ứng dụng viễn thá m và GIS trong nghiên cứu tài nguyên phù hợp với hoàn cảnh Việt Nam và đã thu được những bằng chứng mới về hiện trạng và biến động tài nguyên ở cá c tỉnh dọc sông Hồng trôn cơ sở ứng dụng phương pháp xử lý ảnh số vệ tinh và GIS. Ý nghĩa thực tiễn của luận án là có thể sử dụng mô hình đã đề x uất cho các vùng khác ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu tài nguyên đất, nước và thực vật có thể phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên lãnh thổ cá c tỉnh dọc sồng Hồng. Luận á n là tài liệu cần thiết và bổ ích cho đào tạo cán bộ và nghiên cứu khoa học về ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguyên. 5. Cơ sở tài liệu, trang thiết bị và phần mềm Luận án được hoàn thành He n cơ sở sử dụng các nguồn tài liệu sau: - Ảnh vệ tinh MODIS, Landsat 7 ETM+, SPOT xs và Ikonos 4 - Bán đồ địa hình các tỉnh vùng sông Hồng - Atlas GIS quốc gia, Atlas môi trường các vùng Việt Nam, - Báo cáo đề tài ngh iên cứu cấp Bộ, cấp ĐHQG và cấp ĐHKHTN - Báo cáo của các dự án và chương tr ình nghiên cứu như Dự án thử nghiệm về ngh iên cứu đới bờ ở Việt Nam, Dự án quy hoạch tổng Ihể ĐBSH, Đề án kh ai th ác tổng hợp và sử dụng hợp lý lài ngu yên dải ven biển Bắc Bộ, Đe án Điều tra kh ảo sái ch ai lượng môi trường và động thái dinh dưỡng vùng cửa sông châu thổ sông Hồng, Dự án quản lý tài ngu yên nước lưu vực sông Hổng, Dự án phát triển hệ thông tin phục vụ qu ản lý rừng nhiệt đới, Chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước vé sử dụng hợp lý tài ngu yên và báo vệ môi trường KHCN.07... - Số liệu kiểm kê r ừng Việl Nam năm 1999 và sử dụng đất năm 2000, - Kết quả th ực h iện các đề tài ngh iên cứu của tác giả kế cả các ngh iên cứu th ực địa ở các tỉnh dọc sông Hồng, đặc biệt từ 1992-2003. Các trang th iết bị như máy lính cá nhân, máy quét, bàn số hoa, ổ ghi C D , máy in và các phần mềm E N V I , IDRISI, A R C / I N F O , M A P I N F O và các phần mềm kh ác đã được sử dụng tr ong quá tr ình thực hiện luận án. 6. Phương p h á p nghiên cứu Để hoàn thành tốt các nhiệm vụ đã đề ra, các phương pháp nghiên cứu khác nhau đã được lựa chọn và áp dụng. Phương pháp mô hình hoa Phương pháp mô hình hoa được dùng để xây dựng mồ hình khái niệm về xử lý ảnh số vệ tinh và GIS trong nghiên cứu hiện trạng lài ngu yên lãnh thổ các tỉnh dọc sông Hồng Việt Nam. Phương pháp xử lý ảnh sô Nhổm phương pháp xử lý ảnh số đã sử dụng bao gồm phương pháp chuyển đổ i sang khuôn dữ liệu, phương pháp nội suy người láng giềng gần 5 nhất, phương pháp tạo ảnh lý số, phương pháp tạo tổ hợp màu và phương pháp phan loại ảnh. Việc phân loại ảnh được thực hiện bằng phương pháp phân loại số như phân loại một băng (phân loại đất/nước, thực vật/đất và nước), phân loại đa phổ khổng có hướng dẫn, phân loại đa phổ có hướng đẫn bằng tr ình phân loại xác suất cực dại, phân loại mội thời điểm và phân loại đa thời gian và phương pháp giải đoán ảnh có tr ợ giúp bằng máy tính. Phương pháp so sánh định lính và phương pháp ma hạn sai số dược dùng đổ (lánh gìn (lô chính xác của phân loại ảnh. Phương pháp GỈS Nhóm phương pháp GIS đã sử dụng bao gồm phương pháp nhập dữ liệu từ bàn phím, số hoa thủ công, quét và chuyển đổi dữ liệu; phương pháp hỏi đáp cơ sở dữ liệu, phân tích chồng ghép, phân tích bề mặt, phân tích hình học, phân tích nhóm, phân tích thống kê không gian và phương pháp thành lập bản đổ chuyên đề. Phương pháp sử dụng tổng hợp các phần mềm viễn thám, GIS và các phần mềm máy tính khác dược áp dụng tr ong cả các bước nhập, phân lích, tổng hợp dữ liệu và tr ình bày kết quả nghiên cứu. 7. Luận điểm bảo vệ • Luận điềm ỉ. Mô hình phân tích viễn thám và GIS theo 3 cấp I) ở ly lệ nhỏ với ảnh MODIS, G L I , 2) ở tỷ lộ tr ung bình với ánh Landsat, SPOT và 3) ớ tỷ lệ lớn với ảnh IKONOS, QuickBi r d bảo đảm thu được thông tin từ khái quát đến chi tiết về tài nguyên lãnh thổ các tỉnh dọc sông Hồng một cách nhanh chóng, cập nhai, lặp lại. nhai quán về thời gian và hiệu quả về giá thành. • Luận điểm 2. Tài nguyên đất, nước và thực vật vùng nghiên cứu qua phân tích viễn thám và GIS, thể hiện r õ quy luật phân hoa (heo mùa. theo lãnh thổ với xu thế giảm diện tích thực vại lự nhiên, tăng điên tích đất canh tác nông nghiệp và mặt nước từ Lào Cai r a đến biên. 6 8. Đóng góp mới Luận á n có những đóng góp mới như sau: - Đề xuất mô hình xử lý ảnh số vê tinh đa độ phan giãi, đa thời gian và GIS trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ cá c tính dọc sông Hồng. - Nhận biết và lượng hoa được hiện trạng và biến động tài nguyên vùng nghiên cứu trẽn cơ sơ sử (lụng kè! hợp phương pháp viễn Ihám và GĨS. 9. Bồ cục của luận án Luận á n bao gồm trang, hình, bảng, ảnh, tài liệu tham khảo và phụ lục. Cá c phần và chương của luận á n được sắp xốp theo thứ tự sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan về ứng dạng viển thám và hệ thô ng liu địa lý trong nghiên cứu tài nguyền và đặc điểm Chương 2. 17///ỉ? nghiên cứa Mô hình ứng dụng viên thâm vờ hệ thòng rin địa lý trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ các tỉnh doisong Hồng Việt Nam Chương 3. Nghiên cứu hiện trạng tài nguyên lãnh thổ các tỉnh doisong Hồng hằng phương pháp xử lý ảnh số vệ tinh và hệ thông tin địa lý Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 7 Chương Ì TỔNG QUAN VE ỨNG DỤNG VIÊN THẢM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG NGHIÊ N c ứ u TÀI NGUYÊN VÀ ĐẶC ĐIỂM VỪNG NGHIÊN c ú t ) LI Tình hình ứng dụng viễn thám và hệ thông (in địa lý trong nghiên cứu tài nguyên trên thế giới và ỏ Việt Nam Tài nguyên thiên nhiên (TNTN) đóng vai trò quan trọng đôi với sự tồn tại và phát triển của con người. Theo thời gian, nhận thức vé tài nguyên cũng như các phương pháp hay công nghệ nghiên cứu tài nguyên đã phát triển không ngừng nhờ các nỗ lực không một mỏi của nhiều thế hộ các nhà khoa học và quản lý. Phần này đề cập đến hoại động ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu tài nguyên trên thế giới và ở Việt Nam thông qua một s ô ví dụ cụ thể nhằm hiểu rõ thành tựu, khả năng của công nghệ và các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. LU Trên thế giới Trên thế giới, việc sử dụng ảnh viễn thám tr ong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên đã được tiến hành từ trước 1972 đối với ảnh máy bay và sau 1972 đối với ảnh vệ tinh với việc M ỹ phóng thành công vệ tinh tài nguyên dầu tiên mang tên Lands at Ì vào ngày 23/07/1972. K ể từ đó đến nay hoại động ứng dụng viền thám trong nghiên cứu tài nguyên đã ngày càng mở rộng từ các nước phát tr iển đến các nước đang phát triển cù ng với sự xuất hiện của nhiều loại ảnh vệ tinh khác nhau. Trong nghiên cứu tài nguyên thực vật, nhiều loại ảnh vệ tinh và các phương pháp phân tích ảnh đã được sử dụng. Landsat MSS, T M và SPOT xs là các loại ảnh được đùng phổ biến nhất. Dữ liệu ảnh Landsat MSS ở dạng 8 tương tự và phương pháp giải đoán bằng mắt đã được sử dụng để lập bán đổ thực vật ở Papua New Guine a [441, Plìilippin [61], ú c [62, ! 10] và Brazil [63], Dữ liệu ảnh số Landsat T M và phương pháp xử lý ảnh số đã được áp dụng trong nghiên cứu lạp bản đồ lớp phủ thực vật rừng ở ú c [66, 71 ], ở New Zealand [971, ở miền tây bang British Columbia và Ontario, Canada [84], [63]. Các loại ảnh SPOT và Radar đã được sử dụng để theo dõi Ihực vật và kiểm kê rừng ở New Zealand [97], ở M ỹ [107], ở Sarawak [85]. Dữ liệu radar bổ trợ ảnh SPOT ở những vùng khó thu được ảnh quang học do lớp phủ mây. Việc sử dụng ánh N O A A để lập bản đồ và theo dõi thực vật đã được t iến hành ở các châu lục như châu Phi, M ỹ La Tinh, Châu Á và New Zealand [63, 971 . Trong mấy chục năm qua trong nghiên cứu lớp phủ thực vật, các nhà nghiên cứu đã tập trung khai thác sự khác biệt về phản xạ của t hực vật ờ các băng đỏ và cận hồng ngoại của phổ điện từ như băng I, băng 2 đổi với ảnh N O A A A V H R R , MODIS, T M 3 , T M 4 đối với ảnh Landsat T M , XS2, XS3 đối với ảnh SPOT xs... Kế t quả là hàng loạt chỉ số thực vạt đã được đề xuất 12] nhằm mục đích nhạn biết và lượng hoa tôi hơn thực vật xanh ở các môi trường khác nhau phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên và môi trường. Các chỉ số thực vật được xếp t hành các nhóm như chỉ số dựa vào tỷ số, chi số vuông góc và chỉ số trực giao (Bảng ỉ. 1). Các chỉ số thực vật tạo ra từ ảnh vệ tinh đa phổ như Lanđsat MSS, T M , SPOT, N O A A . . . đặc biệt là chỉ sổ thực vật chuẩn hoa N D V I được dùng phổ biến t rong lập bản đồ và theo dõi thảm thực vật [36, 56, 75, 76, 93 102 103]. Chỉ số thực vật có thể được diễn giải như một bản đồ mô tá lượng thực vật như một biến liên t ục. Mặt khác các ngưỡng chỉ số thực vật có thể được xác định để lập bản đồ các lớp rời rạc về lượng thực vật. Bản đồ N D V I chỉ ra lượng thực vật ở mỗi vị trí. Ưu điểm của chỉ số N D V I là có thể giám bớt được ánh hưởng của địa hình, dễ diễn giải và có thể tạo ra được từ tất cả các loại ảnh vệ tinh đa phổ đù đó là ảnh phân giải thấp, phân giải cao hay rất cao để biểu diễn 9 phân bố thực vật và để giải quyết các vấn đề về kiểu, lượng và trạng thái thực vật. Trên bản đồ N D V I mà u đỏ, vàng, nâu là vùng có ít hoặc không có thực vật trong khi màu lục là vùng có nhiều thực vật hơn. Do có nhiều ưu điểm, chỉ số thực vật N D V I đã trớ thà nh một chỉ số tài nguyên môi trường ngà y cà ng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Báng Ì. ì Các nhóm chỉ số Ì hực vật Nhóm chỉ số Cổng thức Ví dụ NDVI NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED) (chỉ số thực vật Dựa và o tỷ chuẩn hoa, Rouse et ai. 1973) sô PVI Chỉ số (Chỉ số thực vật PVI = sin(a)NIR-cos(a)RED vuông góc vuông góc, a là góc giữa đường đãi và trục NIR Richardson and Wiegand, 1977) GVI Chỉ sô trực (Chỉ số thực vật [(0.386MSS4)+(0.562MSS5)+ giao xanh, Kauth and (0.600MSS6) +(0.491MSS7)] Thomas, 1976) Ngoài các ứng dụng địa phương, viền thám vệ tinh dã đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu tà i nguyên rừng trên diện rộng trong các dự án của F A O về đánh giá tài nguyên rừng nhiệt đới 1980 ở châu Phi và đánh giá tài nguyên rừng nhiệt đới 1990 bằng ảnh Landsat MSS, T M và IRS ỏ dạng tương tự. lo Trong nghiên cứu đất, đã xuất hiện một số công hình sứ dụng ảnh Landsat MSS, T M và SPOT xs để nghiên cứu và kiểm kê các loại đai ở vùng bán khỏ hạn ở X u Đãng, Giốc Đan [63]; phan biệt các dơn vị đất ở M ỹ [35, 101] và ở Ý [72]. Tuy nhiên, việc ứng dụng viễn thám trong thành lạp bản dồ đất bị hạn ch ế vì nh iều biến kh ác nh au có th ể ảnh hưởng đến ph ản xạ của đất như độ ẩm, độ hạt, chất hữu cơ và ỏ xít sắt. Các nhân tố đó thường có q uan hệ chặt che với nhau và không phải lúc nào cũng có thổ biểu diễn mội cách riêng rẽ ở thực địa hay trong dữ liệu vệ tinh. Trong thành lập bản đồ sử dụng đất và lớp phủ đất, ảnh vệ tinh các loại được sử dụng nh iều ở M ỹ , ở các nước thuộc cộng đổng châu Âu [46] và trên quy mô toàn cầu trong chương trình Địa Sinh quyển quốc tế. Các loại ảnh vệ tinh đa phổ được dùng ch ủ yếu là N O A A A V H R R , MODIS, Lanđsat MSS, T M , ETM+, SPOT xs. Các lo ại ảnh phân giải không gian rất cao mới xuất hiện như Ikonos, QuickBird đã bắt đầu được sử dụng trong ngh iên cứu ch i tiết sử dụng đất và lớp phủ đất, đặc biệt ở khu vực đô thị [52, 106, Ì 12]. Các phương pháp phân loại được dùng ph ổ biến trong các dự án là phân lo ại thủ công và phân lo ại số. Các phương pháp phân loại số như phân loại khổng có hướng dẫn, phân lo ại có hướng dẫn ngày càng ch iếm ưu th ế nh ờ sự ph át triển nhanh của máy tính và đòi hỏi của thực tiễn. Bôn cạnh các trình phân lo ại thống kê có tham số, dựa vào pixel, các trình phân lo ại mới theo hướng tiếp cận dựa vào tri th ức, hướng vào đối tượng, phân lo ại cây quyết định và mạng nơ ròn đã bắt đầu được thử nghiệm trong những năm gần đây hứa hẹn nh ững tiến bộ mới trong phân lo ại sử dụng đất và lớp phủ đất bằng ảnh vệ tinh [38 70]. Trong nghiên cứu tài nguyên nước, các kỹ thuật viễn thám được sử dụng thành cổng trong việc xác định quy mô của nước mặt, quy mô ngập lụt, nhiệt độ của nước mạt, sự ổ nhiễm của sông, suối, độ đục và dòng ch ảy ở h ồ và vịnh ở nh iều nơi trên th ế giới [59, 60, 63, 73, 89, 109]. Các ứng dụng của li (ừng băng ảnh viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên nước được (hể hiện ở Bảng 1.2 V i ệ c khai thác thông tin nước từ ảnh vệ tinh đã trở thành một giải pháp tiện lợi, kinh tế và chính xác. Điều này được các nhà nghiên cứu khẳng định trong nhiều hội nghị do F A O tổ chức. Việc phân loại nước bằng ảnh vệ linh có thể thực hiện bằng các phương pháp khác nhau như phân ngưỡng dùng mội băng ảnh, dùng anh chỉ số nước và dùng ảnh l ổ hợp màu. Việc phân lo ại các thể nước nhằm mục đích tạo ra thông tin bổ sung như chu vi, diện lích, và các đặc điểm khác và để phân lo ại thành sông, hồ, biển, nước trong, nước đục, sâu, nông. Phản xạ của nước lăng với độ đục và giám với độ mặn tăng. Ánh tổ hợp màu giả chuẩn (FCC) tạo ra từ ba kênh lục, đỏ và cân hồng ngo ại của các ảnh đa phổ như Landsat T M , ETM+, SPOT xs, M O D I S . . . được đùng để phân loại nước theo độ đục dựa vào màu nước trôn ảnh (Bảng Ì .3). B ả n g 1.2 T í n h hữu ích của c á c b ă n g ảnh v i ễ n t h á m (ro ng phân biệt c á c thể nước Băng Bước sóng, mkm 0.4-0.5 Lam Đặc điểm Nhậy cảm với các thể nước và xuyên l ỏ i , song ánh sáng ờ băng này tán xạ rộng và dẫn đến sương mờ dưới nước Lục 0.5-0.6 Vạch định các vùng nước nông như bãi cạn, bãi cái ngầm và ám tiêu Đỏ Cận hồng 0.6-0.7 Nhân mạnh sự hiện diện của trầm tích tro ng nước 0.7-2.0 Nhấn mạnh ranh giới giữa đất liên và nước và cho phép xuyên tốt sương mờ khí q uyển ngoại Hồng ngoại 2.0-3.0 giữa Nhấn mạnh ranh giới giữa đất liền và nước, nhu thực sự không có phàn xạ hồng ngo ại xuất hiện từ nước trong khoảng này Hồng ngoại nhiệt 3-15 Đặc biệt hữu ích đ ố i với việc định vị kiểu phân bố dòng đại dương cổ tương phản nhiệt độ nhỏ 12