HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 205 THÀNH LẬP TỰ ĐỘNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ ĐẤT ĐÔ THỊ BẰNG CHỈ SỐ IBI TỪ ẢNH LANDSAT TM: TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU TẠI THÀNH PHỐ HUẾ - TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Nguyễn Hoàng Khánh Linh Email: klinhhue@yahoo.com Khoa TNĐ&MTNN, trường ĐHNL Huế Abstract: Urbanization has enormously risen in many provinces of Vietnam in recent years due to incessantly development of economics. Therefore, the percentage of land use types was largely changed, especially urban land use. This type of land tends to accelerate quickly in a short time because of conversion of agricultural land use group. Understanding and monitoring urban land use change would be useful for devising suitable development strategies. In this term, producing a timely and accurate urban land use map from remote satellite data has a crucial meaning. For this reason, IBI index (Index Based Built-up Index) of Landsat TM was calculated from SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index),MNDWI (Modified Normalized Difference Wate Index) and NDBI (Normalized Difference Built-up Index). The results showed that IBI index helped growing up the capacity in generating urban land use map and decreasing effectively noises; the overall accuracy achieved at 91,04%. Compared with supervised classification method of maximum likelihood algorithm, this application is able to serve as an alternative and effective approach. Keywords: IBI index, Landsat TM, urban land use. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đô thị hóa là một quá trình tất yếu xảy ra khi kinh tế tăng trưởng. Theo Masek [1], diện tích đất đô thị tăng lên một cách nhanh chóng ở hầu hết các nước trên thế giới vì đây là nơi tập trung các hoạt động kinh tế cũng như đầu mối giao thông quan trọng. Đất đô thị thường được lấy từ nhóm đất nông lâm nghiệp nên việc gia tăng loại đất này ảnh hưởng trực tiếp đến cân bằng hệ sinh thái, đa dạng sinh học đồng thời dẫn đến đến hiện tượng đảo nhiệt đô thị, một trong những nguyên nhân làm biến đổi khí hậu. Do đó, việc cung cấp thông tin về tình hình phân bố sử dụng đất đô thị kịp thời và chính xác có vai trò hết sức quan trọng, giúp các nhà quản lý và quy hoạch xây dựng được chiến lược phát triển bền vữ ng. Thành phố Huế là một trong những trung tâm văn hóa, du lịch, giáo dục-đào tạo lớn của miền Trung. Đồng thời, lại nằm trên hàng lang kinh tế Đông Tây giữa Thái Lan, Lào, Myanma và Việt Nam nên những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa trên địa bàn này diễn ra tương đối mạnh. Thêm vào đó, thành phố Huế là nơi tập trung nhiều quần thể di tích lịch sử đã được UNESCO công nhận là di sản văn hóa thế giới. Vì vậy, công tác quản lý và phát triển đô thị bền vững càng được đặt ra với yêu cầu cao hơn. Xuất phát từ những vấn đề trên, nghiên cứu này được thực hiện nhằm thành lập tự động bản đồ phân bố đất đô thị trên địa bàn thành phố Huế thông qua các chỉ số được xác định từ ảnh vệ tinh Landsat TM. 2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Thành phố Huế nằm trong hệ thống tọa độ địa lý: từ 16 o 25 đến 16 o 33 vĩ độ Bắc, từ107 o 32 đến 107 o 38 kinh độ Đông. Ranh giới hành chính: phía Tây, Tây - Bắc và Tây - Nam HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 206 giáp huyện Hương Trà, phía Đông - Bắc giáp huyện Phú Vang, phía Nam và Đông - Nam giáp huyện Hương Thủy. Tổng diện tích tự nhiên của thành phố Huế theo địa giới hành chính là 70.99 km 2 ; dân số năm 2010 là 338.094 người; mật độ dân số là 4,762.56 người/km 2 [2]. Hình 1: Vị trí địa lý của thành phố Huế Thành phố Huế thuộc vùng ven biển miền Trung có dạng địa hình chuyển tiếp từ thềm núi xuống đồng bằng ven biển. Dựa vào nguồn gốc hình thành và hình thái địa mạo, khu vực nghiên cứu được phân thành hai kiểu địa hình là địa hình gò đồi và địa hình đồng bằng duyên hải với độ cao giảm dần từ Nam, Tây Nam sang Bắc, Đông Bắc [3]. 3. DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU Hình 2: Tổ hợp màu giả của ảnh Landsat TM ngày 11/02/2010 (RGB:432), khu vực thành phố Huế Dữ liệu sử dụng cho nghiên cứu này là ảnh vệ tinh Landsat TM5, với số hiệu cảnh ảnh cho khu vực nghiên cứu thành phố Huế là P = 125 và R = 49. Ảnh được thu nhận vào ngày 11/02/2010 với chất lượng thu nhận khá tốt, độ che phủ mây là 0%. Ảnh Landsat TM5 được hiệu chỉnh khí quyển để hiệu chỉnh các thay đổi trong phản xạ phổ. Sau đó, kết quả ảnh hiệu HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 207 chỉnh khí quyển được đưa về hệ tọa độ UTM, WGS84 - 48N và nắn chỉnh hình học theo bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2010, tỉ lệ 1/50.000 dựa vào phương pháp nội suy lân cận và đa thức bậc một. Sai số bình phương trung bình RMSE (Root Mean Square Error) của việc nắn chỉnh là 0.47. Để thuận tiện cho việc phân tích và xử lý, ảnh được đưa về kích thước (376 hàng x 403 cột) phủ trùm khu vực thành phố Huế. Quá trình phân tích và xử lý ảnh được thực hiện trên phần mềm ENVI 4.7. Bên cạnh ảnh viễn thám, bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Thừa thiên Huế năm 2010 (tỉ lệ 1/50.000) cũng được sử dụng làm dữ liệu tham khảo. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bản đồ sử dụng đất đô thị thành lập từ ảnh viễn thám có thể được xây dựng bằng nhiều phương pháp khác nhau. Phổ biến nhất là sử dụng phương pháp phân lớp đa quang phổ. Tuy nhiên, độ chính xác chung của phương pháp này thường chỉ đạt được trong khoảng 80% [4]. Do tính phức tạp, đồng thời do sự lẫn phản xạ phổ của bề mặt đất đô thị: đất trống với thực vật, đất dân cư và thực vật,… ở các ảnh viễn thám có độ phân giải trung bình dẫn đến hiện tượng điểm ảnh bị phân loại không chính xác [5]. Vì vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm tăng độ chính xác cho bản đồ sử dụng đất đô thị được thành lập từ ảnh viễn thám Landsat. Ví dụ như nghiên cứu của Masek [1], sử dụng phương pháp phân loại không kiểm định cùng với chỉ số khác biệt thực vật NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) để thành lập bản đồ sử dụng đất đô thị. Trong khi đó, tác giả Xu [6] thực hiện phân tách lớp đất đô thị bằng phương pháp phân loại có kiểm định kết hợp với phân tích đặc tính quang phổ của các lớp sử dụng đất. Năm 2004, Guindon [7] đề xuất phương pháp mới bằng cách kết hợp kết quả phân loại không kiểm định và phân mảnh lớp sử dụng đất để tăng độ chính xác cho các lớp sử dụng đất. Năm 2005, Xian và Crane [8] sử dụng thuật toán cây hồi quy để thành lập bề mặt không thấm ở đô thị. Tuy nhiên, độ chính xác chung của những nghiên cứu này cũng mới chỉ đạt đến khoảng 85%. Hoặc như nghiên cứu của Zha và các đồng nghiệp [9], bản đồ sử dụng đất đô thị được thành lập tự động từ chỉ số khác biệt xây dựng NDBI (Normalized Difference Built-up Index) dựa trên cơ sở đất xây dựng có hệ số phản xạ ở dải sóng giữa hồng ngoại (MIR) cao hơn hẳn so với dải sóng cận hồng ngoại (NIR). Tuy nhiên, thông tin về lớp sử dụng đất đô thị thường bị nhiễu bởi yếu tố thực vật, đặc biệt là loại thực vật có hàm lượng nước th ấp do khả năng phản xạ phổ của lá cây khô trong dải sóng giữa hồng ngoại cũng rất cao [10]. Vì vậy, lớp thông tin đất đô thị phải được lọc lại bằng chỉ số NDVI. Có thể thấy, đô thị là một đơn vị sinh thái rất phức tạp được cấu thành từ nhiều hợp phần khác nhau. Dẫn đến đặc điểm của đất đô thị đa dạng về hình dáng, kích thước và cấu trúc tạo nên thách thức lớn cho việc giải đoán ảnh viễn thám. Nhằm nâng cao độ chính xác cho giải đoán ảnh, Ridd [11] đã mô hình hóa đô thị từ ba hợp phần: cây xanh (green Vegetation), bề mặt không thấm (Impervious surface material) và đất (exposed Soil) nhằm đánh giá sự thay đổi của đô thị. Theo đánh giá của tác giả Xu [10], mặc dù mô hình V-I-S được ứng dụng khá phổ biến cho nghiên cứu về đô thị, nhưng việc không tính đến hợp phần nước sẽ gây khó khăn nhất định cho các nghiên cứu tiếp theo. Hơn nữa, nước là một thành phần không thể thiếu của bất kỳ một hệ sinh thái nào. Vì vậy, tác giả đã đề xuất phương pháp xây dựng bản đồ sử dụng đất đô thị dựa vào ba hợp phần: cây xanh, nước và đất xây dựng. Căn cứ vào ba hợp phần này, lần lượt các chỉ số gồm: chỉ số thực vật SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), chỉ số nước MNDWI (Modified Normalized Difference Wate Index) và HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 208 chỉ số khác biệt xây dựng NDBI (Normalized Difference Built-up Index) được tính toán từ ảnh viễn thám Landsat. Công thức tính các chỉ số: [9] (1) [12] (2) [13] (3) Trong đó: MIR: kênh 5 của Landsat TM; NIR: kênh 4 của Landsat TM; Red: kênh 3 của Landsat TM; Green: kênh 2 của Landsat TM; l: hệ số hiệu chỉnh có giá trị từ 0 đến 1 (l = 0 tại nơi có mật độ thực vật cao; l = 1 tại nơi có mật độ thực vật thấp); Trong lĩnh vực phân tích ảnh viễn thám, rất nhiều chỉ số được tạo ra từ các kênh phổ để quan sát trạng thái của lớp phủ và lớp sử dụng đất phù hợp với từng mục đích nghiên cứu. Ví dụ: để quan sát lớp thực vật, thông thường các nghiên cứu sử dụng chỉ số NDVI; hoặc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến sự thay đổi của nước thì chọn chỉ số NDWI (Normalized Difference Wate Index). Tuy nhiên, trong trường hợp này, để thành lập bản đồ phân bố đất đô thị, tác giả Xu đã chọn chỉ số SAVI để quan sát sự thay đổi của thực vật và chỉ số MNDVI để quan sát sự thay đổi của nước. Vì theo nghiên cứu cho thấy, chỉ số SAVI có khả năng làm tăng đặc tính của thực vật ngay cả ở những vùng có lớp phủ thực vật dưới 15%, trong khi đó chỉ số NDVI chỉ đạt hiệu quả với những vùng có độ che phủ thực vật trên 30% [14]. Điều đó có nghĩa là chỉ số SAVI có độ nhạy với thực vật lớn hơn so với chỉ số NDVI, vì vậy rất phù hợp cho các nghiên cứu về đô thị. Với chỉ số NDWI, bằng nghiên cứu của mình, tác giả Xu [13] đã cho thấy lớp nước được phân tách từ ảnh viễn thám thường bị nhiễu bởi lớp đất xây dựng do cả nước và đất xây dựng đều phản xạ ở vùng sóng ánh sáng lục (kênh 2 ) nhiều hơn so với vùng cận hồng ngoại (kênh 4). Để giải quyết vấn đề này, tác giả Xu [13] đã sử dụng kênh hồng ngoại giữa (kênh 5) để làm tăng đặc tính nước ở vùng đô thị . Trên cơ sở đó, tác giả Xu [10] đã thành lập công thức tính chỉ số xây dựng như sau: (4) 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5.1. Kết quả phân lớp đất đô thị Dựa vào các công thức được nêu ở trên, lần lượt ảnh của chỉ số thực vật SAVI, chỉ số nước MNDWI và chỉ số xây dựng NDBI khu vực thành phố Huế được tạo ra (hình 3). Trong đó, hệ số hiệu chỉnh l của chỉ số SAVI có giá trị bằng 0.5 trên cơ sở đánh giá tỷ lệ thực vật khu vực thành phố Huế từ ảnh Landsat (hình 1). HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 209 (a) (b) (c) (d) Hình 3: Ảnh khu vực thành phố Huế với: a) chỉ số SAVI; b) chỉ số MNDWI; c) chỉ số NDBI; d) tổ hợp màu giả của ba chỉ số (RGB: SAVI, MNDWI, NDBI); Bảng 1: a) Hệ số tương quan giữa ba chỉ số NDBI, SAVI, MNDWI; b) Hệ số tương quan giữa kênh 2, kênh 3, kênh 4 ảnh Landsat TM (a) Chỉ số NDBI SAVI MNDWI NDBI 1.000 - 0.375 - 0.437 SAVI - 0.375 1.000 - 0.650 MNDWI - 0.437 - 0.650 1.000 (b) Chỉ số Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Kênh 2 1.000 + 0.965 + 0.200 Kênh 3 + 0.965 1.000 +0.174 Kênh 4 + 0.200 +0.174 1.000 Quan sát hình 3d dễ dàng nhận thấy các lớp đất xây dựng, nước và thực vật ở khu vực thành phố Huế được phân biệt rất rõ. Để làm sáng tỏ điều này, phương pháp phân tích thành phần chính (PCA - Principle Componetn Analysis) được sử dụng để so sánh hệ số tương quan giữa ba chỉ số vừa được thành lập và giữa các kênh 4, 3, 2 của ảnh Landsat. Kết quả ở bảng 1 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 210 cho thấy, giữa các chỉ số SAVI, MNDWI và NDBI có mối tương quan nghịch và mạnh hơn so với mối tương quan giữa các kênh 4, 3, 2. Do đó, ảnh mới được tạo ra từ tổ hợp ba chỉ số SAVI, MNDWI và NDBI có khả năng giảm thông tin lặp nhiều hơn so với ảnh gốc (hình 2) đồng thời nâng cao khả năng phân lập các loại đất trên địa bàn thành phố Huế (bảng 2). Bảng 2: Số liệu thống kê của ba loạ i đất chính từ tổ hợp ảnh NDBI, SAVI, MNDWI Chỉ số Lớp đất có thực vật Lớp đất xây dựng Lớp đất có mặt nước Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn NDBI -0.297655 0.093483 0.573947 0.208799 -0.377739 0.198357 SAVI 0.950153 0.165201 -0.032092 0.097082 -0.282917 0.152929 MNDWI -0.303852 0.201422 -0.346998 0.107636 0.683277 0.122179 Căn cứ vào kết quả của ba chỉ số SAVI, MNDWI và NDBI, chỉ số xây dựng cơ sở IBI được thiết lập theo công thức (4) và có giá trị từ -1 đến + 0.554. Kiểm tra số liệu thống kê cho thấy, đất đô thị thường có giá trị số lớn hơn 0 (DN > 0); ngược lại, những loại đất khác có giá trị số từ 0 đến -1 (-1 < DN ≤ 0). Để thuận lợi cho việc thành lập bản đồ sử dụng đất đô thị, chỉ số IBI được tăng lên trong khoảng -1 đến +1. Thực hiện phân tách lớp đất đô thị với nhiều ngưỡng khác nhau, cuối cùng ngưỡng giá trị 0.6 được lựa chọn (hình 4). Theo đó, chỉ những điểm ảnh chứa thông tin về đất đô thị mới được hiển thị và được gán giá trị bằng 1; những điểm ảnh còn lại không phải đất đô thị được gán giá trị bằng 0 và không được thể hiện trên ảnh. Hình 4 cho thấy kết quả phân tách đất đô thị trên địa bàn thành phố Huế, màu trắng sáng thể hiện nơi có mật độ xây dựng cao; trong khi đó màu xám thể hiện khu vực có mật độ xây dựng thấp. Đất có mật độ xây dựng cao tập trung ở vùng trung tâm ở phía Bắc và phía Nam sông Hương, ngoài ra còn phân bố rải rác ở các cụm đô thị mới và dọc đường quốc lộ 1A. Hình 4: Ảnh phân bố đất đô thị trên địa bàn thành phố Huế 5.2. Đánh giá độ chính xác bản đồ phân bố đất đô thị Nhằm kiểm tra độ chính xác, 480 mẫu ngẫu nhiên từ ảnh phân lớp đất đô thị khu vực thành phố Huế được so sánh với bản đồ hiện trạng sử dụng đất của tỉnh Thừa Thiên Huế năm HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 211 2010, kết quả độ chính xác chung đạt 91.04%, chỉ số Kappa = 0.904. Kết quả ở hình 5 cho thấy sự chồng khít giữa lớp đất đô thị đã được vectơ hóa với dữ liệu ảnh Landsat TM . Hình 5: Ảnh chồng ghép dữ liệu lớp đất đô thị trên tổ hợp màu giả của ảnh Landsat (RGB: 432) Để có cơ sở so sánh mức độ hiệu quả của phương pháp sử dụng chỉ số IBI, bản đồ phân bố đất đô thị một lần nữa được thành lập từ ảnh Landsat TM ngày 11/02/2010 theo phương pháp phân loại có kiểm định với thuật toán hợp lý cực đại. Mẫu giải đoán ảnh được thiết lập bằng cách tham khảo bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Thừa Thiên Huế năm 2010 tỉ lệ 1/50.000. Kết quả cuối cùng cho thấy, độ chính xác chung của phương pháp này chỉ đạt đến 79.63%, chỉ số Kappa = 0.746. 6. KẾT LUẬN Sự kết hợp của ba chỉ số SAVI, MNDWI và NDBI, một mặt làm giảm thông tin lặp giữa các kênh phổ mặt khác lại làm tăng độ tương phản quang phổ của các lớp sử dụng đất nhất là lớp thực vật, xây dựng và nước. Nên so với phương pháp phân tích đa quang phổ, b ản đồ phân lớp đất đô thị khu vực thành phố Huế được thành lập theo phương pháp chỉ số xây dựng cơ bản IBI có độ chính xác cao hơn và nhanh chóng hơn đáp ứng nhu cầu cập nhật thông tin về tình hình sử dụng đất đô thị cho công tác quản lý đất đai. Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm được nêu ở trên, phương pháp sử dụng chỉ số IBI cũng có nhược điểm đó là chỉ có thể thành lập mỗi bản đồ cho loại đất đô thị. Tài liệu tham khảo [1] Masek, J.G., F.E. Linsay, and S.N. Goward, 2000. Dynamics of urban growth in the Washington DC metropolitan area, 1973-1996, from Landsat observation. International Journal of Remote Sensing 21(18): 3473-3486. [2] Niên giám thống kê tỉnh Thừa Thiên Huế 2010. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 212 [3] Nguyễn Thanh, Trần Hữu Tuyên, Đỗ Quang Thiên, 2000, Đánh giá địa chất công trình độ ổn định vùng đồng bằng cửa sông ven biển Thuận An - Tư Hiền và đầm phá Tam Giang - Cầu Hai (Tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học về vùng cửa sông ven biển Thuận An và đầm phá Tam Giang - Cầu Hai), Hà Nội 2000. [4] Xu, H., 2007. Extraction of urban built-up land features from Landsat imagery using a thematic oriented index combination technique. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing 73 (12): 1381-1391. [5] Dengsheng Lu, Emilio Moran, Scott Hetrick, 2011. Detection of impervious surface change with multitemporal Landsat images in an urban-rural frontier. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 66: 298-306 [6] Xu, H., 2002. Spatial expansion of urban/town in Fuqing and its driving force analysis. Remote Sensing Technology and Appication, 17(2): 86-92. [7] Guindon, B., Y. Zhang, and C. Dillabauch, 2004. Landsat urban mapping based on a combined spectral-spatial methodology. Remote Sensing of Environment, 92(2):218-232. [8] Xian, G., and M. Crane, 2005. Assessment of urban growth in the Tampa Bay watershed using remote sensing data. Remote Sensing of Environment, 97(2):203-205. [9] Zha, Y., Gao, J. and Ni, S., 2003. Use of normalized difference built-up index in automatically mapping urban areas from TM imagery. International Journal of Remote Sensing, 24: 583 – 594 [10] Xu, H., 2008. A new index for delineating built-up land features in satellite imagery. International Journal of Remote Sensing, 29(14): 4269-4276. [11] Ridd, M.K., 1995. Exploring a V-I-S (vegetation – impervious surface – soil) model for urban ecosystem analysis through remote sensing: comparative anatomy for cities. International Jounal of Remote Sensing, 16, pp.2165-2185. [12] Heute, A.R., 1988. A soil-adjusted vegetation index (SAVI), Remote Sensing of Environment, 25(3):295-309. [13] Xu, H., 2005. A study on information extraction of water body with the Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI), Journal of Remote Sensing, 9(5):511-517. [14] Ray, T. W., 1994. Vegetation in remote séning FAQs. Applications, ER, Mapper, Ltd., Perth, unpaginated CD-ROM. . GIS TOÀN QUỐC 2011 205 THÀNH LẬP TỰ ĐỘNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ ĐẤT ĐÔ THỊ BẰNG CHỈ SỐ IBI TỪ ẢNH LANDSAT TM: TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU TẠI THÀNH PHỐ HUẾ - TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Nguyễn Hoàng Khánh. Hình 4: Ảnh phân bố đất đô thị trên địa bàn thành phố Huế 5.2. Đánh giá độ chính xác bản đồ phân bố đất đô thị Nhằm kiểm tra độ chính xác, 480 mẫu ngẫu nhiên từ ảnh phân lớp đất đô thị khu. đô thị bền vững càng được đặt ra với yêu cầu cao hơn. Xuất phát từ những vấn đề trên, nghiên cứu này được thực hiện nhằm thành lập tự động bản đồ phân bố đất đô thị trên địa bàn thành phố Huế