Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để xác định biến động đất đai trên địa bàn phường Vĩnh Trại, thành phố Lạng Sơn giai đoạn 2003-2008

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------------------------- lª thÞ thuú v©n øng dông c«ng nghÖ viÔn th¸m vµ GIS ®Ó x¸c ®Þnh biÕn ®éng ®Êt ®ai trªn ®Þa bµn ph­êng VÜnh Tr¹i, thµnh phè L¹ng S¬n giai ®o¹n 2003-2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Mã số : 60.62.16 Người hướng dẫn khoa học : TS. NguyÔn thanh xu©n HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn đã chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 27 tháng 01 năm 2010 Tác giả luận văn Lê Thị Thuỳ Vân  LỜI CẢM ƠN §Ó hoµn thµnh ®­îc b¶n luËn v¨n nµy, t«i ®· nhËn ®­îc sù gióp ®ì tËn t×nh cña TS. NguyÔn Thanh Xu©n - Gi¸m ®èc Trung t©m ViÔn th¸m - ViÖn Quy ho¹ch vµ thiÕt kÕ N«ng nghiÖp, sù quan t©m t¹o ®iÒu kiÖn cña Trung t©m viÔn th¸m Quèc Gia, Së Tµi nguyªn vµ M«i tr­êng tØnh L¹ng S¬n, Phßng Tµi nguyªn vµ M«i tr­êng thµnh phè L¹ng S¬n, Khoa Sau ®¹i häc, Ban chñ nhiÖm Khoa Tµi nguyªn vµ M«i tr­êng, ®· t¹o ®iÒu kiÖn cho t«i häc tËp vµ gióp ®ì t«i trong suèt thêi gian thùc hiÖn ®Ò tµi. T«i xin göi tíi gia ®×nh, b¹n bÌ, nh÷ng ng­êi th©n vµ ®ång nghiÖp n¬i t«i ®ang c«ng t¸c ®· gióp ®ì, ®éng viªn t«i trong suèt qu¸ tr×nh häc tËp vµ thùc hiÖn ®Ò tµi. Tù ®¸y lßng m×nh, t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù gióp ®ì tËn t×nh vµ quý b¸u ®ã ! Hµ Néi, ngµy 27 th¸ng 01 n¨m 2010 T¸c gi¶ Lª ThÞ Thuú V©n MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng v Danh mục hình vi DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 2.1. Bảng so sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám 12 2.2. Bảng ma trận biến động giữa hai thời gian a và b 44 4.1. Hiện trạng sử dụng đất năm 2008 của phường Vĩnh Trại 56 4.2. Các điểm khống chế dùng nắn ảnh 2003 65 4.3. Bảng sai số RMS sau khi nắn ảnh 2003 66 4.4. Các điểm khống chế dùng nắn ảnh 2008 69 4.5. Bảng sai số RMS sau khi nắn ảnh 2008 70 4.6. Bảng xây dựng tệp mẫu ảnh năm 2003 74 4.7. Các loại hình sử dụng đất của phường Vĩnh Trại 75 4.8. So sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại ảnh 2003 76 4.9. Bảng xây dựng tệp mẫu ảnh năm 2008 78 4.10. So sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại ảnh 2008 79 4.11. Mẫu khoá giải đoán ảnh vệ tinh 80 4.12. Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2003 86 4.13. Bảng đánh giá độ chính xác phân loại ảnh năm 2003 86 4.14. Ma trận sai số phân loại ảnh năm 2008 87 4.15. Bảng đánh giá kết quả phân loại năm 2008 87 4.16. Thống kê diện tích đất giải đoán năm 2003 90 4.17. Thống kê diện tích đất giải đoán năm 2008 90 4.18. Thống kê diện tích biến động giai đoạn 2003-2008 91 4.19. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2003-2008 phường Vĩnh Trại 92 4.20. Diện tích biến động từng loại đất giai đoạn 2003 - 2008 92 4.21. So sánh sự thay đổi diện tích các loại đất từ 2003-2008 93 DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 2.1. Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám 4 2.2. Nguồn dữ liệu viễn thám 5 2.3. Nghiên cứu núi lửa 13 2.4. Nghiên cứu địa chất 13 2.5. Nghiên cứu sóng thần 14 2.6. Nghiên cứu bão nhiệt đới Choi-Wan 15 2.7. Biến động tầng ô zôn 16 2.8. Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt 16 2.9. Theo dõi nạn phá rừng nhiệt đới 17 2.10. Ứng dụng ảnh viễn thám trong thành lập bản đồ 19 2.11. Một bản đồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thông tin khác nhau 20 2.12. Thành phần chính của một hệ GIS 21 2.13. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 23 2.14. Trạm thu ảnh vệ tinh&Trung tâm Quản lý Dữ liệu quốc gia. 38 2.15. Bản đồ ngập lụt tỷ lệ 1/100.000 thu nhỏ (Huế) 40 2.16. Phương pháp phân loại dữ liệu đa thời gian 42 2.17. Phương pháp đánh giá biến động tạo thay đổi phổ 42 2.18. Chỉ số thực vật qua hai mùa khác nhau trong năm 43 2.19. Phương pháp đánh giá biến động sau phân loại 45 4.1. Cơ cấu sử dụng đất năm 2008 của phường Vĩnh Trại 57 4.2. Trình tự giải đoán ảnh viễn thám bằng công nghệ số 58 4.3. Tư liệu ảnh viễn thám 59 4.4. Ảnh tước khi được nắn 62 4.5. Bản đồ địa hình của phường Vĩnh Trại trên phần mềm MapInfo 62 4.6. Thực hiện nắn ảnh theo bản đồ trên ENVI 63 4.7. Lựa chọn thông số để nắn ảnh trên ENVI 63 4.8. Bảng nhập toạ độ các điểm khống chế để nắn ảnh 64 4.9. Lựa chọn phương pháp tái chia mẫu 66 4.10. Ảnh được cắt theo ranh giới phường Vĩnh Trại 67 4.11. Ảnh tham chiếu và ảnh cần nắn 67 4.12. Lựa chọn phương pháp nắn ảnh theo ảnh 68 4.13. Bảng nhập toạ độ các điểm khống chế để nắn ảnh 68 4.14. Vị trí các điểm khống chế trên ảnh 70 4.15. Ảnh được cắt theo ranh giới phường Vĩnh Trại năm 2008 71 4.16. Xây dựng tệp mẫu cho ảnh 73 4.17. Lấy mẫu đất mặt nước 73 4.18. Lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất 74 4.19. Kết quả lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất năm 2003 75 4.20. Quá trình lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất năm 2008 78 4.21. Kết quả lấy mẫu cho các loại hình sử dụng đất năm 2008 79 4.22. Lựa chọn phương pháp phân loại 81 4.23. Kết quả phân loại ảnh 2003 81 4.24. Kết quả xử lý lọc nhiễu phân loại ảnh 2003 82 4.25. Ảnh 2003 sau khi phân loại và lọc nhiễu chuyển sang vector 82 4.26. Ảnh 2003 dạng vector xuất sang ArcView 83 4.27. Kết quả phân loại và xử lý lọc nhiễu phân loại ảnh 2008 83 4.28. Ảnh 2008 sau khi phân loại và lọc nhiễu chuyển sang vector 84 4.29. Ảnh 2008 dạng vector xuất sang ArcView 84 4.30. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2003 thành lập trên ArcView 89 4.31. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2008 thành lập trên ArcView 89 4.32. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2008 thành lập trên ArcView 91 4.33. Sự biến động các loại đất giai đoạn 2003 -2008 94 1. MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá đối với mỗi quốc gia bởi nó là tư liệu sản xuất đặc biệt, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường sống, là địa bàn phân bố của các khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn hoá, xã hội, an ninh và quốc phòng. Trong xã hội hiện nay dưới sức ép của gia tăng dân số thì đất đai đã trở thành vấn đề sống còn của mỗi quốc gia, mỗi dân tộc và việc xác định biến động đất đai càng trở nên cấp thiết nhằm sử dụng đất hợp lý, tiết kiệm và có hiệu quả. Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt là ứng dụng có hiệu quả công nghệ viễn thám vào điều tra, nghiên cứu, khai thác, sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên trong đó có tài nguyên đất. Với khả năng cung cấp thông tin đa dạng và cập nhật của công nghệ viễn thám, khả năng tích hợp, phân tích thông tin của GIS kết hợp với phương pháp truyền thống thì việc nghiên cứu thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ biến động sử dụng đất sẽ đạt hiệu quả cao hơn. Bên cạnh việc phát triển kinh tế, gia tăng dân số là sự diễn ra nhanh chóng của quá trình công nghiệp hoá và đô thị hoá. Quá trình này kéo theo hàng loạt các biến động về quỹ đất và tình hình sử dụng đất (giảm diện tích sản xuất nông nghiệp, đất đô thị ngày càng tăng lên..). Trong tình hình chung đó, thành phố Lạng Sơn đã và đang diễn ra sự biến đổi nhanh chóng trong quá trình sử dụng đất đặc biệt từ khi thị xã Lạng Sơn được công nhận là thành phố vào năm 2003. Từ đó dẫn tới sự biến đổi hàng loạt theo cả chiều hướng tích cực lẫn tiêu cực đến các vấn đề môi trường tự nhiên và môi trường xã hội. Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như tính cấp bách của việc xác định biến động đất đai trên địa bàn thành phố Lạng Sơn, được sự đồng ý của Khoa Tài nguyên và Môi trường, Khoa Sau đại học - trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để xác định biến động đất đai trên địa bàn phường Vĩnh Trại, thành phố Lạng Sơn giai đoạn 2003-2008”. 1.2 Mục đích của đề tài - Tìm hiểu công nghệ viễn thám và ứng dụng của nó, trọng tâm trong nghiên cứu biến động sử dụng đất. - Thành lập được bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ biến động sử dụng đất qua hai thời điểm bay chụp dựa trên công nghệ viễn thám kết hợp với GIS. - Đánh giá tình hình biến động đất đai trên địa bàn phường giai đoạn 2003-2008. 1.3 Yêu cầu của đề tài - Nắm vững công nghệ giải đoán ảnh viễn thám. - Nắm được tình hình quản lý và sử dụng đất đai trên địa bàn phường từ 2003 - 2008. - Các số liệu điều tra, thu thập chính xác, đầy đủ và phản ánh trung thực, khách quan. 2. TỔNG QUAN 2.1 Công nghệ viễn thám 2.1.1 Khái niệm chung về công nghệ viễn thám 2.1.1.1 Định nghĩa Viễn thám (Remote sensing) là một khoa học và 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. Hay hiểu đơn giản viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám như: Theo Ficher và nnk,1976: Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó. Theo Barret và Curtis, 1976: Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định. Theo Floy Sabin 1987: 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 và đo đạc những đặc tính của đối tượng… Tuy nhiên, mọi định nghĩa đều có nét chung và nhấn mạnh rằng viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất. Về bản chất viễn thám là công nghệ nhằm xác định và nhận biết các đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua các đặc trưng riêng về phản xạ hoặc bức xạ điện từ [10]. Tuy nhiên những năng lượng như từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ đối tượng được gọi là bộ cảm còn phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là “vật mang”. Vật mang có thể là khinh khí cầu, máy bay hoặc vệ tinh. 2.1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đoán và tách lọc thông tin bằng giải đoán tư liệu ảnh hàng không hoặc ảnh vệ tinh dạng số. Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng lượng bức xạ và sóng phản hồi phát ra từ vật thể khi khảo sát. Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán đối tượng một cách chính xác hơn [11]. Bức xạ mặt trời Mặt trời Vệ tinh Hấp thụ mặt trời Khí quyển Nhà Đường Đất Cỏ Rừng Nước Hình 2.1. Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám được thực hiện dựa trên các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là: - Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìn thấy đến cận hồng ngoại. - Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các độ cao khác nhau, như ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ máy bay đến các vệ tinh. Hình 2.2. Nguồn dữ liệu viễn thám - Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau. - Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian, phổ và thời gian. - Đa phương pháp: Phân tích ảnh bằng phương pháp số hoặc bằng mắt. 2.1.1.3 Vấn đề thu nhận và phân tích tư liệu viễn thám Năng lượng điện từ của ánh sáng sau khi truyền qua các cửa sổ khí quyển tương tác với các đối tượng trên bề mặt Trái đất và phản xạ lại để các thiết bị thu của viễn thám có thể ghi nhận các tín hiệu đó. Quá trình này thực hiện qua 3 bước chính sau đây: - Phát hiện: việc phát hiện các thông tin là bước rất quan trọng, bao gồm phát hiện về dải sóng, về cường độ và tính chất khác của nguồn năng lượng điện từ. - Ghi tín hiệu: Các tín hiệu phát hiện được có thể ghi dưới dạng hình ảnh hoặc các tín hiệu điện từ. Khi xử lý các tín hiệu dạng hình ảnh, một số kiểu phim ảnh có phủ các lớp nhạy cảm ánh sáng để phát hiện sự khác nhau của nguồn năng lượng điện từ tạo nên hình ảnh không gian, cung cấp nhiều chi tiết trong không gian và có thể hiệu chỉnh hình học dễ dàng. Năng lượng điện từ có thể được ghi dưới dạng các tín hiệu, biểu đồ phổ hoặc dưới dạng hình ảnh số. Các tín hiệu điện từ có thể ghi nhận ở dạng phim, băng từ hoặc đĩa từ và có thể hiển thị dễ dàng. - Phân tích các tín hiệu phổ: Có thể được thực hiện bằng hai phương pháp là phân tích bằng mắt và xử lý số bằng máy tính. 2.1.2 Phương pháp xử lý thông tin viễn thám 2.1.2.1 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 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… 2.1.2.2 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 [13]: Chuẩn kích thước: Kích thước của một đối tượng được xác định theo tỷ lệ ảnh và kích thước đo được trên ảnh. Dựa vào thông tin này cũng có thể phân biệt được các đối tượng trên ảnh. Chuẩn hình dạng: Hình dạng là những đặc trưng bên ngoài tiêu biểu cho từng đối tượng vì vậy nó có ý nghĩa quan trọng trong đoán đọc. Ví dụ hồ hình móng ngựa là các khúc sông cụt, dạng chổi sáng màu là các cồn cát… Chuẩn bóng: Bóng của vật thể có thể dễ dàng nhận thấy khi khi nguồn sáng không nằm chính xác ở đỉnh đầu hoặc trường hợp chụp ảnh xiên. Dựa vào bóng của vật thể có thể xác định được chiều cao của đối tượng. Chuẩn độ đen: Độ đen là một chuẩn quan trọng để xác định tính chất của đối tượng. Cát khô phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao giờ cũng có màu trắng, trong khi đó cát ướt có màu tối hơn trên ảnh đen trắng. Trên ảnh hồng ngoại đen trắng, cây lá nhọn phản xạ mạnh tia hồng ngoại nên có màu trắng còn nước lại hấp thụ hầu hết bức xạ trong dải sóng này nên bao giờ cũng có màu đen. Chuẩn màu sắc: Màu sắc giúp cho người đoán đọc dễ dàng xác định được các đối tượng trên ảnh là thực vật, nước, đất trống, đất đô thị, hoặc xác định được ngay đó là kiểu loài thực vật gì. Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc là tập hợp của nhiều đặc tính rất rõ ràng trên ảnh, ví dụ một bãi cỏ không bị lẫn các loài cây khác cho một cấu trúc mịn trên ảnh, ngược lại rừng hỗn giao cho một cấu trúc sần sùi Chuẩn phân bố: Là tập hợp của nhiều hình dạng nhỏ phân bố theo một quy luật nhất định trên toàn cảnh và trong mối quan hệ tương hỗ với đối tượng cần nghiên cứu. Hình ảnh của các dãy nhà, ruộng lúa nước, đồi chè tạo ra những hình mẫu riêng đặc trưng cho các đối tượng. Chuẩn mối quan hệ tương hỗ: Một tổng thể các chuẩn đoán đọc, môi trường xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tượng cung cấp thông tin đoán đọc quan trọng. 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 phần ảnh mà còn mô tả bằng lời. 2.1.2.3 Giải đoán ảnh bằng công nghệ 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 [11]. 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. Phương pháp giải đoán ảnh bằng công nghệ số bao gồm các bước sau: - Nhập số liệu: Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp. Trong trường hợp ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao HDDT và các băng từ CCT. Ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu. Các ảnh tương tự cũng được chuyển thành dạng số thông qua các máy quét. - Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được. Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các Trung tâm thu số liệu vệ tinh. Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số được hiệu chỉnh hệ thống, nó bao gồm các bước sau [12]: + Hiệu chỉnh bức xạ: Tất cả các tư liệu số hầu như bao giờ cũng chịu một mức độ nhiễu xạ nhất định. Nhằm loại trừ các nhiễu kiểu này cần phải thực hiện một số phép tiền xử lý. Khi thu các bức xạ từ mặt đất trên các vật mang trong vũ trụ, người ta thấy chúng có một số sự khác biệt so với trường hợp quan sát cùng đối tượng đó ở khoảng cách gần. Điều này chứng tỏ ở những khoảng cách xa như vậy tồn tại một lượng nhiễu nhất định gây bởi ảnh hưởng của góc nghiêng và độ cao mặt trời, một số điều kiện quang học khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ, độ mù...Chính vì vậy, để bảo đảm được sự tương đồng nhất định về mặt bức xạ cần thiết phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ. + Hiệu chỉnh khí quyển: Bức xạ mặt trời trên đường truyền xuống mặt đất bị hấp thụ, tán xạ một lượng nhất định trước khi tới được mặt đất và bức xạ phản xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới được bộ cảm. Do vậy, bức xạ mà bộ cảm thu được chứa đựng không phải chỉ riêng năng lượng hữu ích mà còn nhiều thành phần nhiễu khác. Hiệu chỉnh khí quyển là một công đoạn tiền xử lý nhằm loại trừ những thành phần bức xạ không mang thông tin hữu ích. + Hiệu chỉnh hình học: Méo hình hình học được hiểu như sự sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực tế đo được và tọa độ ảnh lý tưởng được tạo bởi một bộ cảm có thiết kế hình học lý tưởng và trong các điều kiện thu nhận lý tưởng. Bản chất của hiệu chỉnh hình học là xây dựng được mối tương quan giữa hệ toạ độ ảnh đo và hệ toạ độ quy chiếu chuẩn. Hệ toạ độ quy chiếu chuẩn có thể là hệ toạ độ mặt đất (hệ tọa độ vuông góc hoặc hệ tọa độ địa lý) hoặc hệ toạ độ ảnh khác. - Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý, tăng cường chất lượng, biến đổi tuyến tính...là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các máy tính nhỏ và bao gồm các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng ảnh, biến đổi tuyến tính. + Tăng cường chất lượng ảnh và chiết tách đặc tính Tăng cường chất lượng có thể được định nghĩa như một thao tác chuyển đổi nhằm thể hiện ảnh với cường độ, độ tương phản phù hợp với thiết bị hiển thị ảnh. Chiết tách đặc tính là một thao tác nhằm phân loại, sắp xếp các thông tin có sẵn trong ảnh theo các yêu cầu hoặc chỉ tiêu đưa ra dưới dạng các hàm số. Những phép tăng cường chất lượng cơ bản thường được sử dụng là biến đổi cấp độ xám, biến đổi histogram, tổ hợp màu, chuyển đổi màu giữa hai hệ RGB và HSI... Sau khi tăng cường chất lượng ảnh, một trong những ưu điểm của phương pháp xử lý ảnh số là có thể chọn các tổ hợp màu tuỳ ý. Tổ hợp màu có nghĩa là gán 3 màu cơ bản đỏ, lục, chàm cho ba kênh phổ nào đó [3]. Có hai phương pháp trộn màu đó là cộng màu và trừ màu. Nếu ta chia toàn bộ dải sóng nhìn thấy thành 3 vùng cơ bản là đỏ, lục, chàm và sau đó lại dùng ánh sáng trắng chiếu qua kính lọc đỏ, lục, chàm tương ứng ta thấy hầu hết các mầu tự nhiên đều được khôi phục lại. Phương pháp tổ hợp màu này được gọi là tổ hợp mầu tự nhiên. Trong viễn thám, các kênh phổ không được chia đều trong dải sóng nhìn thấy nên không thể tái tạo lại được các mầu tự nhiên mặc dù cũng sử dụng ba mầu cơ bản đỏ, lục, chàm. Tổ hợp màu như vậy gọi là tổ hợp màu giả. Tổ hợp mầu giả thông dụng nhất trong viễn thám là khi ta gán màu đỏ cho kênh hồng ngoại, màu lục cho kênh đỏ, màu chàm cho kênh lục. Trong tổ hợp màu này, thực vật có màu đỏ (với mức độ khác nhau của mầu đỏ thể hiện mức độ dày đặc của thảm thực vật), đất trống thường có cường độ rất cao nên có màu trắng, nước có màu xanh là tổ hợp của hai màu chàm và màu lục. - Phân loại đa phổ: Nhằm tách các thông tin cần thiết phục vụ theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của việc khai thác tư liệu viễn thám. Mục đích của quá trình phân loại là tự động phân loại tất cả các pixel trong ảnh thành các lớp phủ đối tượng. Có hai phương pháp phân loại cơ bản là phân loại không kiểm định và phân loại có kiểm định. + Phân loại có kiểm định: Được dùng để phân loại các đối tượng theo yêu cầu của người sử dụng. Trong phân loại có kiểm định người giải đoán kiểm tra quá trình phân loại pixel bằng việc quy định cụ thể theo thuật toán máy tính các mô tả bằng số các loại lớp phủ mặt đất gọi là dữ liệu mẫu. Để có kết quả phân loại chính xác, dữ liệu mẫu cần phải vừa đặc trưng vừa đầy đủ. Việc phân loại thường dùng ba thuật toán: thuật toán phân loại theo xác suất cực đại, thuật toán phân loại theo khoảng cách ngắn nhất, thuật toán phân loại hình hộp. + Trong phân loại không kiểm định không sử dụng dữ liệu mẫu làm cơ sở để phân loại mà dùng các thuật toán để xem xét các pixel chưa biết trên một ảnh và kết hợp chúng thành một số loại dựa trên các nhóm tự nhiên hoặc các loại tự nhiên có trên ảnh. - Xuất kết quả: Sau khi hoàn tất các khâu xử lý cần phải xuất kết quả. Ở đây, ranh giới giữa viễn thám, bản đồ máy tính, làm bản đồ số và hệ thống thông tin địa lý bị xoá nhoà. Có thể lựa chọn một cách không hạn chế các sản phẩm đầu ra. Ba dạng tổng quát thường được sử dụng: các sản phẩm bản đồ đồ hoạ, các dữ liệu đưa ra bằng bảng, các file thông tin bằng số. 2.1.2.4 So sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám Bảng 2.1. Bảng so sánh hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm Giải đoán bằng mắt - Sử dụng kinh nghiệm của người điều vẽ. - Có sự hiểu biết về ảnh phức hợp tốt hơn. - Có thể phân tích được các thông tin phân bố không gian. - Tốn thời gian. - Đòi hỏi người có hiểu biết, kinh nghiệm để điều vẽ. - Kết quả thu được không đồng nhất. Giải đoán bằng công nghệ số - Thời gian xử lý ngắn. - Kết quả xử lý được chuẩn hoá. - Chiết xuất được các đặc tính vật lý. - Năng suất cao, có thể đo được các chỉ số đặc trưng tự nhiên. - Rất khó ứng dụng kinh nghiệm của người điều vẽ. - Chiết xuất ít thông tin về bối cảnh. - Kết quả phân tích các thông tin kém. 2.1.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội, đặc biệt có hiệu quả cao trong ứng dụng đối với lĩnh vực khí tượng thuỷ văn và tài nguyên môi trường ở nhiều nước trên thế giới [2]. 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 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: 2.1.3.1 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 [11]. - 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... 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... Hình 2.4. Nghiên cứu địa chất - Ứng dụng trong khai khoáng và khai thác dầu. - Điều tra khảo sát nước ngầm, điều tra địa chất công trình... 2.1.3.2 Nghiên cứu môi trường Viễn thám là phương tiện hữu hiệu để nghiên cứu môi trường và sự biến đổi môi trường bao gồm: điều tra về sự biến đổi sử dụng đất và lớp phủ; vẽ bản đồ thực vật; nghiên cứu các quá trình sa mạc hoá và phá rừng; giám sát thiên tai (hạn hán, cháy rừng, bão, mưa đá...); nghiên cứu ô nhiễm nước và không khí; nghiên cứu môi trường biển (đo nhiệt độ, màu nước biển, gió sóng)... Những năm gần đây việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu môi trường toàn cầu cũng như môi trường khu vực, các thảm hoạ thiên tai như lũ lụt, cháy rừng, hiệu ứng nhà kính...đã trở nên phổ biến và có hiệu quả cao. Trong nghiên cứu các thảm hoạ do lụt lội gây ra đã có nhiều công trình được công bố, đặc biệt từ năm 1997 trở lại đây. Các nghiên cứu chỉ ra, để thành lập bản đồ sâu ngập lụt và tần số xuất hiện ngập lụt, việc tích hợp thông tin từ các bản đồ lớp phủ đất, bản đồ địa chất, bản đồ hệ thống thoát nước và bản đồ địa văn là tổ hợp tốt nhất. Hình 2.5. Nghiên cứu sóng thần 2.1.3.3 Phân loại lớp phủ bề mặt, phát hiện biến động lớp phủ bề mặt Lập bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt là một trong những ứng dụng quan trọng nhất và tiêu biểu nhất của viễn thám. Lớp phủ bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt trái đất (ví dụ: đất có rừng, trảng cỏ, xa mạc...). Trong việc hiệu chỉnh bản đồ lớp phủ bề mặt, theo dõi quản lý tài nguyên thiên nhiên việc phát hiện các biến động của lớp phủ bề mặt là rất cần thiết và quan trọng. Sự biến động thông thường được phát hiện trên cơ sở so sánh tư liệu viễn thám đa thời gian hoặc giữa bản đồ cũ và bản đồ mới được hiệu chỉnh theo tư liệu viễn thám. Có hai phương pháp phát hiện biến động là: - So sánh hai bản đồ lớp phủ bề mặt được thành lập độc lập với nhau. - Nhấn mạnh các biến động trên cơ sở áp dụng phương pháp tổ hợp màu hoặc phương pháp phân tích thành phần chính. Các biến động có thể chia thành biến động theo mùa và biến động hàng năm. Thông thường hai loại biến động này pha trộn với nhau rất phức tạp trong khuôn khổ một bức ảnh, do vậy người giải đoán cần sử dụng các tư liệu cùng thời gian, cùng mùa trong năm để phát hiện đúng các biến động [12]. 2.1.3.4 Nghiên cứu khí hậu Nghiên cứu đặc điểm tầng ozon, mây, mưa, nhiệt độ quyển khí, dự báo bão và nghiên cứu khí hậu qua dữ liệu thu từ vệ tinh khí tượng. Đánh giá nhiệt độ bề mặt đất từ số liệu viễn thám là vấn đề tổng hợp của việc tính toán các thành phần của năng lượng và bốc thoát hơi. Đo nhiệt độ bề mặt có ý nghĩa quan trọng trong giám sát cháy rừng. 2.1.3.5 Nghiên cứu thực vật, rừng Viễn thám cung cấp ảnh có diện phủ toàn cầu nghiên cứu thực phủ theo ngày, vụ, mùa vụ, năm, tháng và theo giai đoạn; Điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng...Thực vật là đối tượng đầu tiên mà ảnh viễn thám vệ tinh thu nhận được thông tin. Trên ảnh viễn thám chúng ta có thể tính toán sinh khối, độ trưởng thành và sâu bệnh dựa trên chỉ số thực vật, nghiên cứu cháy rừng qua ảnh vệ tinh. Hình 2.9. Theo dõi nạn phá rừng nhiệt đới 2.1.3.6 Nghiên cứu thuỷ văn Mặt nước và các hệ thống dòng chảy được hiển thị rất rõ trên ảnh vệ tinh. Dữ liệu vệ tinh được ghi nhận trong mùa lũ, là dữ liệu được sử dụng để tính toán diện tích thiên tai và dự báo lũ lụt. Công nghệ viễn thám được sử dụng để lập bản đồ phân bố tài nguyên nước, bản đồ phân bố tuyết, bản đồ phân bố mạng lưới thuỷ văn... 2.1.3.7 Sử dụng tư liệu viễn thám để thành lập bản đồ Các con tàu vũ trụ đầu tiên như Mercury, Gemini, Apollo đã cho chúng ta toàn cảnh bề mặt trái đất. Các kết quả thực nghiệm ban đầu từ các tư liệu ảnh thu nhận trên các con tàu trên đã chỉ ra rằng: có thể sử dụng các tư liệu ảnh thu nhận bề mặt trái đất từ các con tàu vũ trụ này để thành lập bản đồ tỷ lệ 1/250.000 và nhỏ hơn [12]. Tuy nhiên, độ phân giải của chúng không thoả mãn một số yêu cầu của nội dung bản đồ chi tiết như thể hiện chính xác con đường, các khu đô thị và vẽ cấu trúc nhân tạo ở trong đó. Từ năm 1980, các hệ thống Sensors được nghiên cứu và cải tiến với tốc độ nhanh, tốc độ phân giải từ 80m/pixel của ảnh Landsat tới 6m. Điều này có tác động lớn đến khả năng sử dụng các tấm ảnh chụp từ vũ trụ cho công tác thành lập bản đồ. Một số khả năng sử dụng các tư liệu ảnh vệ tinh phổ biến trong công tác thành lập bản đồ như: - Tư liệu ảnh Landsat MSS: được sử dụng để tạo ra các sản phẩm bản đồ ảnh, một số loại bản đồ chuyên đề, cập nhật và hiệu chỉnh các loại bản đồ cảnh quan, bản đồ bay, bản đồ địa hình và đồng thời biên vẽ lược đồ nông sâu của biển bởi vì vệ tinh Landsat có thể cung cấp lượng thông tin vô cùng phong phú bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắ._.n. Tư liệu MSS trở thành nguồn dữ liệu mới cho các mục đích thành lập bản đồ [17]. - Tư liệu ảnh Landsat TM, Spot và Mapsat: + Ảnh Landsat TM có độ phân giải cao, độ chính xác mặt bằng hình ảnh sau khi xử lý có thể đáp ứng công tác thành lập hoặc hiệu chỉnh bản đồ tỷ lệ 1/25.000 đến 1/50.000. + Ảnh Spot có thể sử dụng để thành lập các loại bản đồ tỷ lệ đến 1/25.000 với khoảng cao đều 20-25m. + Ảnh đa phổ Mapsat của Mỹ: có thể dùng để thành lập bản đồ tỷ lệ 1/50.000 (mô hình số độ cao) với khoảng cao đều 20m. Độ phân giải mặt đất là 10m đối với ảnh toàn sắc và 30m đối với ảnh đa phổ. + Ảnh Radar: có khả năng thể hiện các thông tin về địa hình, địa chất, thực vật và lớp đất mỏng. Ở những vùng khô, radar có thể xuyên qua bề mặt trái đất đến một độ sâu nào đó. Điều này rất quan trọng cho việc nghiên cứu nước ngầm và mỏ. Tư liệu ảnh này được dùng để thành lập bản đồ từ rất sớm. Năm 1968, ảnh radar đã được sử dụng để xây dựng bản đồ tỷ lệ 1/1000.000 ở Panama đã gây một chú ý lớn trong lĩnh vực Trắc địa - bản đồ. Vì vùng này bị mây che phủ quanh năm nên tất cả các dạng chụp ảnh khác ở vùng này đều không thực hiện được. Tiếp sau đó ảnh radar được sử dụng thành lập bản đồ vùng Nam Mỹ và thu được những thành tựu rất lớn. Các sản phẩm bản đồ được thành lập từ ảnh Radar ở tỷ lệ 1/250.000 được sử dụng phổ biến trong thực tế cho nên tư liệu ảnh Radar được xem là những tư liệu bổ sung cho việc thành lập bản đồ tỷ lệ nhỏ và trung bình. 2.2 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 2.2.1 Khái quát chung về GIS và GPS 2.2.1.1 Vài nét về GIS a. Định nghĩa về GIS Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tập các công cụ để thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện mục đích cụ thể. Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua: Vị trí địa lý của đối tượng thông qua một hệ toạ độ. Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí. Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topo). Có nhiều định nghĩa khác nhau về hệ thống thông tin địa lý. Căn cứ vào nguồn gốc, đối tượng, mục tiêu, thành phần hệ thống hay các phân tích khác nhau…mà có những quan điểm khác nhau để định nghĩa về GIS. Một số định nghĩa về GIS: - Hệ thống thông tin Địa lý là một hệ thống bao gồm các phần mềm, phần cứng máy tính và một cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất. - Hệ thống thông tin địa lý là một tập hợp những nguyên lý, phương pháp, công cụ và dữ liệu không gian được sử dụng để quản lý, duy trì, chuyển đổi, phân tích, mô hình hoá, mô phỏng, làm bản đồ những hiện tượng và quá trình phân bố trong không gian địa lý... 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). GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý. Tuỳ theo các chức năng, nhiệm vụ của mỗi hệ thống thông tin địa lý mà có nhiều định nghĩa khác nhau về GIS như: định nghĩa theo chức năng, định nghĩa GIS là tập hợp của các thuật toán, định nghĩa theo mô hình cấu trúc dữ liệu… Tuy nhiên các khái niệm về GIS đều dựa trên 3 yếu tố quan trọng là: dữ liệu đầu vào, hệ thống vi tính số kỹ thuật cao và khả năng phân tích số liệu không gian. Định nghĩa tổng quát theo BURROUGHT thì: “GIS như là một tập hợp các công cụ cho việc thu thập, lưu trữ, thể hiện và chuyển đổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực để giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ các mục đích cụ thể” [9]. b. Các thành phần chính của GIS Một hệ thống thông tin địa lý được kết hợp bới 5 thành phần chính là: Các thành phần chính của một hệ GIS - Phần cứng; - Phần mềm; - Dữ liệu; - Người sử dụng; - Phương pháp. Hình 2.12. Thành phần chính của một hệ GIS - Phần cứng: Phần cứng của một hệ GIS gồm máy vi tính, cấu hình và mạng công việc của máy tính, các thiết bị ngoại vi nhập xuất dữ liệu và lưu trữ dữ liệu. Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng. - Phần mềm: Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý; Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS); Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý; Giao diện đồ hoạ người - máy để truy cập các công cụ dễ dàng. - Dữ liệu: Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu. Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu trữ và quản lý dữ liệu. - Người sử dụng: Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng của GIS trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc. - Phương pháp: Mỗi dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và người sử dụng hệ thống phải có kỹ năng tốt, nghĩa là phải có sự phối hợp tốt giữa công tác quản lý và công nghệ GIS. c. Ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường Ngày nay, GIS là một công cụ trợ giúp quyết định sự thành công trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) có khả năng đánh giá hiện trạng của quá trình, các thực thể của tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào. Do đó, việc ứng dụng hệ thống thông tin địa lý là rất cần thiết, phù hợp với xu thế tin học hóa xã hội và yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của tất cả các quốc gia. Nhờ những khả năng phân tích và xử lý đa dạng, kỹ thuật GIS hiện nay được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, được xem là “công cụ hỗ trợ quyết định” (decision - making support tool) đặc biệt là trong quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. GIS được ứng dụng để quản lý các tài nguyên như: - Tài nguyên đất; - Tài nguyên nước; - Tài nguyên rừng; - Tài nguyên sinh vật; - Tài nguyên kháng sản… 2.2.1.2 Vài nét về GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) bao gồm 24 vệ tinh quay quanh trái đất trên sáu nhóm quỹ đạo khác nhau, cứ 4 vệ tinh trong một nhóm quỹ đạo. Thông thường các vệ tinh này quay quanh quỹ đạo trái đất một vòng hết 24 giờ và ở trên độ cao so với bề mặt trái đất là 20.200Km. Với cách bố trí này, trong suốt 24 giờ tại bất kỳ một điểm nào trên trái đất cũng sẽ quan sát được ít nhất 4 vệ tinh. Những vệ tinh này giống như các chòm sao nhân tạo, giúp cho định vị và dẫn đường. Các vệ tinh truyền tín hiệu radio, mã hoá thời gian được ghi nhận bởi trạm thu mặt đất [11]. Hình 2.13. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu bao gồm: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng: - Đoạn không gian (Space Segment): Bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 20.200Km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo một góc 550 và chuyển động với chu kỳ 718 phút. Với sự phân bố như vậy thì tại bất kỳ thời điểm nào cũng có thể quan sát ít nhất 4 vệ tinh. - Đoạn điều khiển (Control Segment): Bao gồm 5 trạm theo dõi được phân bố bao quanh Trái đất trong đó có một trạm theo dõi và một trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ không quân của Mỹ ở Colorado, 4 trạm theo dõi khác đặt tại Hawai (Thái Bình Dương), đảo Ascension (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Tây Thái Bình Dương). Các trạm theo dõi có nhiệm vụ theo dõi tất cả các vệ tinh có thể quan sát được, số liệu quan sát được truyền về trạm điều khiển trung tâm. Tại đây số liệu được xử lý, tính toán sau đó gửi lại các vệ tinh và từ vệ tinh truyền đến máy thu của người sử dụng. - Đoạn sử dụng (User Segment): Bao gồm các máy thu GPS và các máy thu tín hiệu vệ tinh để phục vụ các mục đích khác nhau của con người như đạo hàng, dẫn đường trên biển, phục vụ công tác đo đạc bản đồ… Dữ liệu đầu vào được lưu trữ trong hệ GPS là các thông tin về hệ tọa độ của các điểm khảo sát hoặc nó được gắn với máy tính và chuyển dữ liệu mà nó thu nhận vào máy tính thông qua một phần mềm chuyên dụng. Khi GPS gắn trên các thiết bị chuyển động như xe cộ và máy bay, nó sẽ ghi tọa độ của các đường đi qua và chuyển vào máy tính. Dữ liệu GPS có thể là các dữ liệu sau: - Tọa độ các điểm khảo sát; - Đo các đối tượng địa hình (vị trí và độ cao) mà bằng phương pháp thông thường không thể đo được; - Đo tọa độ đường bộ mà thiết bị đang được di chuyển trên đó; - Cập nhập dữ liệu về hành trình trên đường đi các tuyến hàng hải; - Dẫn đường cho các phương tiện giao thông trên bộ; - Dẫn đường cho quá trình chụp ảnh hàng không… Hệ thống định vị toàn cầu GPS do quân đội Mỹ thiết kế ban đầu với mục đích quân sự nhưng ngày nay đã được ứng dụng rộng rãi trong các hoạt động kinh tế - xã hội và trắc địa, bản đồ. Nhờ có GPS mà đo đạc có thể đạt độ chính xác từ 10m - 15m (nếu đo bằng GPS cầm tay), 1dm - 10dm (với đo GPS phân sai), vài cm nếu đo GPS động thời gian thực (GPS RTK). Ở Việt Nam các ứng dụng của công nghệ GPS trong trắc địa mới chỉ bắt đầu từ những năm 1990, bao gồm: - Xây dựng và hoàn thiện lưới thiên văn trắc địa quốc gia. - Xây dựng lưới trắc địa biển liên kết đất liền với các hải đảo góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu hình thành hệ quy chiếu VN2000. - Đo đạc một số mạng lưới nghiên cứu địa động trên khu vực đứt gãy sông Hồng, Điện Biên - Lai Châu. - Đo đạc nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái đất vùng Đông Nam Á. Hệ thống định vị toàn cầu GPS mới ra đời nhưng đã thể hiện được tính ưu việt và thực sự trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực trong các lĩnh vực nghiên cứu. Ngày nay, các thiết bị thu tín hiệu GPS ngày càng hoàn thiện và phát triển; công nghệ xử lý tín hiệu GPS đã hiện đại hơn, nâng cao độ chính xác nhờ đó GPS được mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và trên nhiều quốc gia khác nhau. 2.2.2 Kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động đất đai Biến động sử dụng đất và sự thay đổi lớp phủ thực vật là vấn đề quan trọng trong một loạt các vấn đề nghiên cứu về biến đổi môi trường toàn cầu. Để nghiên cứu biến động sử dụng đất người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau như: số liệu thống kê hàng năm, số liệu kiêm kê hoặc từ các cuộc điều tra. Các phương pháp này có độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và kinh phí, đồng thời chúng không thể hiện được sự thay đổi sử dụng đất từ loại đất này sang loại đất khác và vị trí không gian của sự thay đổi đó. Sự phát triển của hệ thống thông tin địa lý (GIS) và ảnh viễn thám đã mở ra nhiều hướng ứng dụng trong nhiều ngành khoa học và quản lý. Đặc biệt trong công tác nghiên cứu biến động đất đai, công nghệ này hỗ trợ đắc lực cho quản lý cơ sở dữ liệu, phân tích dữ liệu để lựa chọn các giải pháp quản lý, sử dụng bền vững và có hiệu quả tài nguyên đất đai [6]. Thành lập bản đồ biến động sử dụng đất từ tư liệu viễn thám đa thời gian sẽ khắc phục được những nhược điểm trên. Hiệu quả của ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám là: - Giảm chi phí thời gian, lao động. - Số liệu chính xác. - Dữ liệu được quản lý, lưu giữ ở trạng thái động. - Có thể áp dụng ở bất kỳ quy mô nào. - Tạo cơ hội cho việc phân tích, tạo ra kiến thức, giải pháp mới trên cơ sở nền dữ liệu gắn với thuộc tính thông tin địa lý. Việc nghiên cứu biến động và thành lập bản đồ biến động sử dụng đất đã được thực hiện ở nhiều quốc gia. Trong đó phương pháp được sử dụng hiệu quả nhất là kết hợp tư liệu ảnh viễn thám và GIS: * Hy Lạp Ở Hy Lạp, việc thành lập bản đồ biến động lớp phủ và bản đồ biến động sử dụng đất tỷ lệ lớn từ tư liệu ảnh viễn thám đã được nghiên cứu thực nghiệm trên khu vực đảo Lesvos thuộc vùng biển Địa Trung Hải. Khu vực nghiên cứu rộng 163.000ha, tư liệu ảnh thu thập được gồm 6 thời điểm kéo dài trong 27 năm. Gồm ảnh Landsat MSS 1975, TM 1987, TM 1995, TM 1999, ETM 2000, ETM 2001. Các ảnh vệ tinh được phân loại độc lập theo phương pháp xác suất cực đại dựa trên các vùng mẫu được lựa chọn từ số liệu mặt đất, từ ảnh hàng không và ảnh vệ tinh độ phân giải cao như Ikonos, Quickbird. Dữ liệu ảnh sau phân loại được xử lý dựa trên mạng xác suất điều kiện gồm các nút thể hiện sự thay đổi ngẫu nhiên và các cạnh thể hiện sự phụ thuộc vào các điều kiện giả định. Sau đó sử dụng phương pháp so sánh để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất ở các thời điểm từ mạng đó. Khi đó độ chính xác của bản đồ biến động sử dụng đất phụ thuộc vào độ chính xác của ảnh sau nắn chỉnh, độ chính xác phân loại và độ chính xác của bản đồ biến động sử dụng đất. * Malaysia Ở Malaysia, để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất của huyện Rawang tỉnh Selangor, Trung tâm viễn thám Kalaysian đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat TM chụp năm 1988 và năm 1995 trên khu vực nghiên cứu rộng 441km2. Ảnh chụp năm 1988 được nắn chỉnh hình học theo bản đồ địa hình, sau đó ảnh chụp năm 1995 được nắn theo ảnh năm 1988 theo phương pháp nắn ảnh về ảnh với sai số trung phương nhỏ hơn 0,5 pixel [24]. Sử dụng tất cả các kênh để tổ hợp màu giả. Dùng phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian và thành lập bản đồ lớp phủ. Để tìm ra thông tin về sử dụng đất từ các lớp phủ, tác giả đã kết hợp với dữ liệu bản đồ và các tri thức cơ sở sau đó biểu diễn chúng theo đúng quy phạm. Cuối cùng kết hợp bản đồ hiện trạng sử dụng đất, các hiểu biết về lớp phủ thực vật để thành lập bản đồ biến động sử dụng đất. * Thái Lan Để nghiên cứu ảnh hưởng của các hoạt động con người đến sự thay đổi sử dụng đất và lớp phủ thực vật, các nhà nghiên cứu đã chọn thực nghiệm 5 vùng nghiên cứu trên toàn bộ lãnh thổ phía Bắc (huyện Mae Chaem thành phố Chiang Mai), phía Tây (Kanchanaburi), phía Nam (The Ao Sawi Area), phía Đông (The Eastern Sea Board) phía Đông Bắc (Phusithan, Sakol Nakorn-Nakorn Phanom) [23]. Tư liệu nghiên cứu là ảnh vệ tinh Landsat năm 1990, 1999. Phương pháp nghiên cứu là phương pháp được sử dụng rộng rãi. Đầu tiên tiến hành phân loại độc lập hai ảnh vệ tinh sau đó sử dụng chức năng phân tích không gian của GIS để tính toán biến động và thành lập bản đồ biến động. * Belarus Quá trình đô thị hóa dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng của lớp phủ thực vật và sử dụng đất. Để xác định thay đổi sử dụng đất đô thị và vùng ngoại ô của hai thành phố Polost và Novopolost, người ta đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh SPOT. Tư liệu viễn thám của khu vực nghiên cứu là ảnh SPOT 3 chụp ngày 24/6/1994 độ phân giải 20m (kênh toàn sắc 10m) và ảnh SPOT 5 chụp ngày 19/6/2002 độ phân giải 10m. Các ảnh được nắn chỉnh hình học về lưới chiếu UTM-84. Các kết quả phân tích thực hiện bằng phần mềm PCI Geomatic. Nghiên cứu được thực hiện theo hai phương pháp đó là phương pháp phân loại ảnh đa thời gian và phương pháp so sánh sau phân loại. Ảnh đa thời gian năm 1999-2002 được tạo ra trên 3 kênh ảnh XS1, XS2, XS3. Ảnh năm 2002 được tái chia mẫu theo phương pháp người láng giếng gần nhất để có cùng độ phân giải với ảnh năm 1994. Và dùng phép biến đổi Histogram để chuyển từ hệ RGB sang hệ HIS. Phương pháp này không cần hiệu chỉnh khí quyển nhưng cần thận trọng trong quá trình lựa chọn vùng biến động và không biến động. Đối với phương pháp so sánh sau phân loại tác giả đã phân loại bằng nhiều phương pháp khác nhau để chọn ra phương pháp có độ chính xác cao nhất như phân loại không kiểm định, phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại, phương pháp sử dụng trí tuệ nhân tạo. Kết quả thực nghiệm đạt được như sau [25]: - Phương pháp thứ nhất: Có ba ảnh khác nhau được tạo ra từ ba kênh ảnh, tuy nhiên bản đồ biến động cuối cùng được tạo ra từ hai kênh XS1 và XS2. Ảnh của kênh XS3 tương tự như kênh XS2. Giá trị của các pixel biến động được thể hiện ở biên của biểu đồ phân bố, giá trị pixel không thay đổi dao động xung quanh giá trị trung bình. Độ chính xác của lớp thay đổi tương đối thấp chỉ đạt 64,3%, độ chính xác vùng không thay đổi đạt 94,8%, độ chính xác toàn bộ 85,8%, hệ số Kappa 0,63. - Phương pháp thứ hai: Ba phương pháp phân loại được thực hiện trên ảnh 1994 và 2002, độ chính xác toàn bộ từ 75% đến 86,3%. Phương pháp phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại và phương pháp trí tuệ nhân tạo đạt độ chính xác từ 83,1% đến 86,3%. Tuy nhiên, ma trận sai số được tạo ra cho thấy kết quả độ chính xác toàn bộ của bản đồ biến động tương ứng là 71% và 69%, thấp hơn so với phương pháp phân loại trực tiếp từ ảnh đa thời gian. Sự nhầm lẫn giữa các lớp phân loại như đất nông nghiệp và đất trồng cỏ, đất xây dựng và đất giao thông là nguyên nhân dẫn đến sai sót trong kết quả phân loại, do đó ảnh hưởng đến kết quả biến động. Như vậy, việc vận dụng GIS và viễn thám sẽ hỗ trợ rất lớn cho nhiều đối tượng trong đó có nhà quản lý, nhà khoa học và người sử dụng. Đối với nhà quản lý sẽ hỗ trợ công tác quy hoạch và ra các chính sách; đối với nhà khoa học, nghiên cứu hỗ trợ phân tích các vấn đề có tính hệ thống cao; đối với người sử dụng sẽ được cung cấp thông tin cụ thể, chính xác, đầy đủ và cập nhật thường xuyên, được cung cấp các giải pháp để lựa chọn trong quản lý và sử dụng tài nguyên. 2.3 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ viễn thám 2.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ viễn thám trên thế giới Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quỹ đạo Trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, sự xuất hiện của phương pháp viễn thám được bắt đầu khi loài người phát minh ra kỹ thuật chụp ảnh vào năm 1826. Từ thế kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789-1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hoá ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt Trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp. Tiếp đó là bức ảnh chụp bề mặt Trái đất từ khinh khí cầu vùng Bostom năm 1860 của James Wallace Black. Năm 1894, Aine Laussedat đã khởi dẫn một chương trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình [11]. Sự ra đời và phát triển của ngành hàng không đã tạo nên một công cụ tuyệt vời trong việc chụp ảnh từ trên không những vùng lựa chọn và có điều khiển. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi. Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay được thực hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright - nhà nhiếp ảnh người Ý, bằng việc thu nhận ảnh di động trên vùng gần Centocalli thuộc nước Ý. Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914-1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh. Năm 1929, ở Liên Xô đã thành lập Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad, Viện đã sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật thổ nhưỡng. Vào giữa những năm 1930 người ta đã sáng chế ra chụp ảnh màu và đồng thời thực hiện nhiều 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 khí quyển. Các loại máy ảnh tự động có độ chính xác cao dần dần được đưa vào thay thế các máy ảnh chụp bằng tay. Những năm sau đó các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ. Đồng thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới là đo đạc ảnh (photogrametry). Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này ngoài việc phát triển công nghệ radar còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar đã được sử dụng rộng rãi trong quân sự (ngày nay được ứng dụng trong lĩnh vực thăm dò tài nguyên đã trở nên phong phú và đa dạng). Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho khả năng triết lọc thông tin nhiều hơn. Việc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu Trái đất bằng viễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện đại. Các trung tâm nghiên cứu mặt đất được ra đời như cơ quan vũ trụ Châu Âu ESA, chương trình vũ trụ NASA. Ngoài ra, còn kể đến các chương trình nghiên cứu Trái đất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc. Bức ảnh đầu tiên chụp về Trái đất từ vũ trụ được cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959. Đến đầu những năm 60, khi mà các vệ tinh Trái đất đầu tiên được phóng vào quỹ đạo đã mở ra một hướng mới cho việc ứng dụng những thành tựu của công nghệ vũ trụ trong việc nghiên cứu các đối tượng của bề mặt Trái đất. Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo Trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, được chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TIR0S-1) được phóng lên quỹ đạo Trái đất vào tháng 4/1960 đã mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng, nó cung cấp những hình ảnh đầu tiên về mây và bề mặt Trái đất. Vào các năm 1962, 1964 các chương trình MA-6 và GT-4 được thực hiện, trong các chương trình này người ta chụp được 1100 tấm ảnh màu chất lượng cao, có tỷ lệ 1/2.400.000, phục vụ cho việc nghiên cứu các đối tượng địa chất như kiến tạo, núi lửa, địa mạo. Vệ tinh khí tượng NOAA, đã hoạt động từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tượng Trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật từng ngày. Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu Trái đất và các hành tinh, khí quyển. Vệ tinh Gemini (1965) đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu Trái đất với khả năng cung cấp các ảnh nổi thực hiện theo phương đứng và xiên. Tiếp theo, tầu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích thước ảnh 70mm, chụp về Trái đất đã cung cấp các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái đất từ vũ trụ. Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm. Giai đoạn từ năm 1970 - 1982 là thời kỳ hoàn thiện phương pháp giải đoán ảnh hàng không, bước sang giai đoạn nghiên cứu và sử dụng các tài liệu chụp ảnh mặt đất từ vệ tinh để nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên Trái đất. Đặc biệt năm 1972, khi vệ tinh Erts (tiền thân của hệ thống vệ tinh Landsat sau này) được phóng vào ngày 23/7/1972 đi vào hoạt động và cung cấp những hình ảnh đa phổ dạng số đầu tiên về bề mặt Trái đất, đã mở ra một trang mới của công nghệ xử lý ảnh số trong nghiên cứu tài nguyên, môi trường. Tiếp theo là các thế hệ vệ tinh mới hơn như Landsat2, Landsat3, Landsat4 và Landsat5. Ngay từ đầu Erts-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV với ba kênh phổ khác nhau. Từ năm 1982 các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với bẩy kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu Trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đã được phổ biến với giá rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường qua các dữ liệu vệ tinh. Trong vòng hơn thập kỷ gần đây kỹ thuật viễn thám được hoàn thiện dần dần không những với những thiết bị thu nhận đặc biệt mà nhiều nước đã phóng vệ tinh điều tra tài nguyên như nước Pháp (vệ tinh Spot), nước Nhật (vệ tinh Mos), Ấn Độ (vệ tinh IRS). Dữ liệu ảnh vệ tinh Spot của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế hệ Spot1, Spot2, Spot3, Spot4 và Spot5, đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ là đơn kênh với độ phân giải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m và đa kênh Spot-XS với độ phân giải không gian 20x20m. Đặc tính của ảnh vệ tinh Spot là cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tượng nổi trong không gian ba chiều. Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt Trái đất đạt kết quả cao, nhất là trong việc phân tích các yếu tố địa hình. Tổ chức EOS phóng vệ tinh mang máy thu MODIS (100 kênh) lên quỹ đạo, nhiều phần mềm xử lý ảnh số đã ra đời làm cho viễn thám trở thành một kỹ thuật quan trọng trong việc điều tra điều kiện và đánh giá tài nguyên thiên nhiên, quản lý và bảo vệ môi trường. Có thể nói từ những thế hệ vệ tinh đầu tiên cung cấp những tấm ảnh còn có nhiều hạn chế về chất luợng (hình ảnh chưa rõ nét, độ phân giải không gian thấp, chưa có nhiều kênh phổ...) cho đến nay sau vài thập kỷ, phương pháp viễn thám đã có những tiến bộ vượt bậc cả vệ kỹ thuật thu nhận hình ảnh lẫn công nghệ xử lý vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong nhiều quốc gia cả về diện rộng và chiều sâu. Thời đại bùng nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp với hệ thống thông tin địa lý cho khả năng nghiên cứu Trái đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao hơn. 2.3.2 Lịch sử phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam Kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976. Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở nước ta là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô - Việt vào tháng 7 năm 1980. Một phần thành tựu khoa học quan trọng của chuyến bay là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF-6 vào mục đích thành lập một loạt các bản đồ chuyên đề như: bản đồ địa chất, bản đồ đất, bản đồ sử dụng đất, bản đồ tài nguyên nước, bản đồ về thuỷ văn…[10]. Máy chụp ảnh MKF-6 đặt trên máy bay AN-30 đã chụp ảnh mặt đất trên 5 khu vực thí nghiệm tại một số tỉnh Miền Nam Việt Nam, độ cao chụp ảnh 5000m. Ngoài ảnh đa phổ MKF-6 chúng ta còn sử dụng ảnh đa phổ vệ tinh Landsat, SPOT, Cosmos. Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn như các lĩnh vực khí tượng, đo đạc bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt. Cũng từ giai đoan này viễn thám ở nước ta đã chuyển dần từng bước từ công nghệ tương tự sang công nghệ số kết hợp hệ thống thông tin địa lý, vì vậy hiện nay chúng ta có thể xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuất công nghiệp. Nhiều ngành, nhiều cơ quan đã trang bị các phần mềm mạnh phổ biến trên thế giới như: ENVI, ERDAS, PCI, OCAPI…cùng với các phần mềm để xây dựng hệ thống thông tin địa lý. Đến nay ở nước ta đã có Trạm thu ảnh vệ tinh và Trung tâm dữ liệu viễn thám Quốc gia, hai sản phẩm chính của dự án “Xây dựng hệ thống giám sát tài nguyên và môi trường tại Việt Nam”. Đây là bước khởi đầu quan trọng, đặt nền móng cơ bản cho việc ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở tầm Quốc gia. Kể từ đây, Việt Nam trở thành nước thứ 5 ở Đông Nam Á có Trạm thu ảnh vệ tinh SPOT và ENVISAT. 2.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với GIS trên thế giới Việc sử dụng kết hợp viễn thám và GIS cho nhiều mục đích khác nhau đã trở nên rất phổ biến trên toàn thế giới trong thời đại ngày nay. GIS bắt đầu đươc xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỷ XX và đã được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới. Sau khi vệ tinh quan sát Trái đất Landsat đầu tiên được phóng vào năm 1972, các dữ liệu viễn thám được xem là nguồn thông tin đầu vào quan trọng của GIS nhờ những tiến bộ về kỹ thuật của nó. Ngày nay, Trái đất được nghiên cứu thông qua một dải quang phổ rộng với nhiều bước sóng khác nhau từ dải sóng nhìn thấy được đến dải sóng hồng ngoại nhiệt. Các thế hệ vệ tinh mới được bổ sung thêm các tính năng quan sát trái đất tốt hơn với những quy mô không gian khác nhau. Vệ tinh cung cấp một lượng thông tin khổng lồ và phong phú về các phản ứng quang phổ của các hợp phần của trái đất như đất, nước, thực vật. Chính các phản ứng này sau đó sẽ phản ánh bản chất sinh lý của trái đất và các hiện tượng diễn ra trong tự nhiên bao gồm cả các hoạt động của con người. Nhờ khả năng phân tích không gian, thời gian và mô hình hoá, GIS cho phép tạo ra những thông tin có giá trị gia tăng cho các thông tin được triết xuất từ dữ liệu vệ tinh. Có thể nói lâm nghiệp là một trong những lĩnh vực đầu tiên áp dụng thành tựu của công nghệ viễn thám. Hiện nay, việc sử dụng tư liệu viễn thám trong thành lập bản đồ rừng, theo dõi biến động, chặt phá rừng...đã trở thành công nghệ phổ biến trên thế giới. Tích hợp dữ liệu viễn thám với hệ thống thông tin địa lý (GIS) có thể dự báo những khu vực có nguy cơ cháy rừng; dự báo sự suy giảm diện tích rừng trên quy mô toàn cầu do biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số. Xét một ví dụ về kết hợp giữa viễn thám và GIS trong nghiên cứu cháy rừng: nhờ có công nghệ viễn thám con người đã sử dụng những tấm ảnh viễn thám chụp được để phân loại rừng. Còn dữ liệu GIS sẽ cung cấp các thông tin về địa hình, khí hậu, mạng lưới thuỷ văn, những thông tin về khu vực nghiên cứu. Trên cơ sở đó các thông tin tích hợp sẽ chỉ ra các khu vực có nguy cơ cháy rừng ở mức độ khác nhau. Trong nghiên cứu địa chất: người ta sử dụng tư liệu viễn thám kết hợp với GIS để thành lập các bản đồ kiến tạo, các cấu trúc địa chất… Trong lĩnh vực nông nghiệp và sử dụng đất: đối với nhiều quốc gia trên thế giới để quản lý và quy._.