Đang tải... (xem toàn văn)
Bản đồ lớp phủ mặt đất là sự biểu thị khái quát, thu nhỏ tất cả các thành phần vật chất tự nhiên và nhân tạo bao phủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thực vật (mọc tự nhiên hoặc được trồng), các công trình kinh tế xã hội được xây dựng của con người, thổ nhưỡng, nước, dải đất cát…trên mặt phẳng trong một phép chiếu xác định.
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Độ phủ trùm của một số loại vệ tinh viễn thám quang học 12 Bảng 1.2 Hệ thống phân loại lớp phủ mặt đất để sử dụng với dữ liệu viễn thám 20 Bảng 2.1 Thông tin các kênh ảnh của Landsat 22 Bảng 3.1 Thông số ảnh viễn thám ở khu vực nghiên cứu 41 Bảng 3.2 Hình ảnh mẫu phân loại 44 Bảng 3.3 Thống kê diện tích lớp phủ khu vực thành phố Huế năm 2022 52 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đặc tính phản xạ phổ của thực vật 4 Hình 1.2: Khả năng phản xạ phổ và hấp thu của nước 5 Hình 1.3 Đặc tính phản xạ phổ của thổ nhưỡng 6 Hình 1.4 Viễn thám chủ động và viễn thám bị động 7 Hình 1.5 Vệ tinh địa tĩnh(trái) và Vệ tịnh quỹ đạo gần cực (phải) .8 Hình 1.6 Các khuôn dạng dữ liệu trong viễn thám .9 Hình 1.7 So sánh sự khác biệt giữa các độ phân giải không gian 9 Hình 1.8 So sánh sự khác nhau giữa các độ phân giải bức xạ 10 Hình 1.9 Mô hình trộn màu cơ bản .11 Hình 1.10 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS 13 Hình 1.11 Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS 14 Hình 2.1 Quy trình thành lập bản đồ lớp phủ .24 Hình 3.1 Bản đồ hành chính thành phố Huế 31 Hình 3.2 Ảnh vệ tinh Landsat OLI 8 42 Hình 3.3 Ảnh Cắt theo ranh giới hành chính thành phố Huế 43 Hình 3.4 Kết quả chọn vùng mẫu .45 Hình 3.5 Bảng đánh giá độ chính xác giữa các mẫu 46 Hình 3.6 Kết quả chọn mẫu phân loại 47 Hình 3.7 Ảnh sau khi thay đổi màu 48 Hình 3.8 Hình ảnh xử lý sau khi lọc nhiễu 49 Hình 3.9 Ma Trận Đánh Giá Độ Chính Xác Phân Loại .50 Hình 3.10 Ảnh bản đồ lớp phủ bề mặt thành Phố Huế năm 2022 .51 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của đề tài .1 2 Mục tiêu của đề tài 2 3 Nội dung nghiên cứu 2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 5 Cơ sở dữ liệu .3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 1.2 Hệ thống thông tin địa lý .12 1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin địa lý 12 1.2.2 Một số thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 13 1.2.3 Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 17 CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 22 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 22 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 22 2.2 Nội dung nghiên cứu 22 2.3 Phương pháp nghiên cứu 22 2.3.1 Phương pháp thu thập số liệu 22 2.3.2 Phương pháp xây dựng bản đồ lớp phủ thành phố Huế 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu .30 3.1.1 Điều kiện tự nhiên .30 3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội .36 3.1.3 Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội .39 3.2 Xây dựng bản đồ lớp phủ thành phố Huế năm 2022 40 3.2.1 Phần mềm ENVI 40 3.2.2 Thông tin ảnh viễn thám khu vực nghiên cứu 41 3.2.3 Kết quả xây dựng bản đồ lớp phủ bề mặt thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế năm 2022 .42 3.2.3 Ứng dụng phần mềm Arcgis thành lập bản đồ lớp phủ hoàn chỉnh 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 KẾT LUẬN 54 KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 LỜI MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là quốc gia có nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, trên 39 triệu ha đất tự nhiên trong đó diện tích đất sử dụng vào các mục đích kinh tế - xã hội, là môi trường sống của con người và sinh vật Nằm trong vùng nhiệt đới ẩm nên Việt Nam có nguồn nước mặt phong phú, mạng lưới sông ngòi dầy đặc, hệ động thực vật đa dạng nhiều loại động/thực vật quý hiếm được ghi vào danh sách bảo tồn Đặc điểm địa hình Việt Nam có hơn ¾ diện tích là đồi núi và rừng che phủ hơn 30%, rừng Việt Nam là kho tài nguyên quý báu, là bộ phận quan trọng của môi trường sinh thái Là một nước đang trong kì hội nhập và phát triển, quá trình đô thị hóa đang diễn ra mạnh mẽ ở Việt Nam Những năm gần đây, dân số Việt Nam tăng một cách nhanh chóng, đồng thời sự phát triển kinh tế góp phần đẩy mạnh lĩnh vực kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng Các yếu tố trên (bao gồm yếu tố tự nhiên và nhân tạo) đã tạo nên bề mặt lớp phủ da dạng, phong phú ở Việt Nam Theo thời gian lớp phủ mặt đất biến động không ngừng cùng với sự phát triển của xã hội Đây là nguồn tài nguyên đặc biệt có thể khai thác sử dụng nhưng không thể tăng thêm về mặt số lượng Do đó việc theo dõi, nghiên cứu, quản lý và sử dụng các loại tài nguyên này một cách hiệu quả và hợp lý là một vấn đề quan trọng Ngày nay khoa học công nghệ và sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật giúp con người quản lý tốt hơn các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong đó có kỹ thuật viễn thám Công nghệ viễn thám đang được sử dụng để theo dõi và đánh giá những biến đổi của bề mặt trái đất, quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường Nhờ dữ liệu ảnh viễn thám chúng ta có thể xây dựng thành lập bàn đồ lớp phủ mặt đất từ đó tiến hành giải đoán, phân tích, đánh giá biến động của lớp phủ theo thời gian và không gian Bản đồ lớp phủ mặt đất là sự biểu thị khái quát, thu nhỏ tất cả các thành phần vật chất tự nhiên và nhân tạo bao phủ trên bề mặt trái đất bao gồm các yếu tố thực vật (mọc tự nhiên hoặc được trồng), các công trình kinh tế - xã hội được xây dựng của con người, thổ nhưỡng, nước, dải đất cát…trên mặt phẳng trong một phép chiếu xác định Bản đồ lớp phủ là một trong những nguồn tài liệu quan trọng giúp các nhà hoạch định, quy hoạch có cái nhìn tổng quan về hiện trạng lớp phủ qua từng thời kì Do tính chất thay đổi của bề mặt lớp phủ trong quá trình phát triển kinh tế xã hội và đô thị hóa của từng địa phương nên việc xây dựng bản đồ lớp phủ là một việc làm cần thiết Trước yêu cầu đòi hỏi phải cập nhật thông tin một cách đầy đủ, nhanh chóng và chính xác nhất nên việc áp dụng phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ sử dụng tư liệu ảnh 1 viễn thám kết hợp với các công cụ phần mềm xử lý ảnh cũng như các phần mềm thành lập bản đồ trở thành phương pháp thành lập bản đồ có ý nghĩa thực tiễn và mang tính khoa học cao Ứng dụng công nghệ viễn thám với nhiều loại ảnh vệ tinh khác nhau đã tạo một bước tiến mới trong qua trình thành lập bản đồ Bản đồ lớp phủ là bản đồ xác định các đơn vị phân bố trong không gian, được sắp xếp theo một hệ thống nhất định Thành lập bản đồ lớp theo phương pháp thủ công sẽ gặp nhiều khó khăn, do không có đủ điều kiện để tiến hành lấy mẫu phân tích đều khắp vùng Ảnh vệ tinh với hàm lượng thông tin lớn đang là nguồn dữ liệu phong phú và trực quan giúp cho các nghiên cứu về bề mặt và các quá trình tự nhiên trên mặt đất một cách hiệu quả Hiện nay việc áp dụng phương pháp xây dựng thành lập bản đồ lớp phủ bằng công nghệ viễn thám( sử dụng ảnh vệ tinh) là một phương pháp hiện đại, có nhiều ưu thế vượt trội so với các phương pháp truyền thống như tiết kiệm kinh phí, thời gian, sức lao động và đem lại hiệu quả cao Nó trở thành một nhu cầu thiết yếu trong công tác nghiên cứu khoa học, đặc biệt là nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên và địa lý Trong đó, các loại tài nguyên đất, nước và các vấn đề môi trường là một trong những hướng được quan tâm nhiều Việc xây dựng bản đồ lớp phủ sẽ là cơ sở cho công tác quy hoạch tổng thể kinh tế xã hội của các địa phương đặc biệt Tuy nhiên việc ứng dụng kiến thức đã học của sinh viên ra thực tế còn rất hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ khu vực thành phố Huế bằng kỹ thuật phân loại giám sát có tính ứng dụng thực tiễn cao 2 Mục tiêu của đề tài - Thành lập bản đồ lớp phủ Thành Phố Huế - Khảo sát khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh Landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ - Ứng dụng viễn thám và GIS trong việc thành lập bản đồ lớp phủ 3 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về thực phủ, viễn thám và GIS - Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh, các số liệu thống kê từ đó tiến hành giải đoán thành lập bản đồ lớp phủ - Rút ra các kết luận về kết quả đạt được và đánh giá phương pháp thực hiện 4 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu: Thu thập, tổng hợp các thông tin và tài liệu có liên quan Xử lý logic các tài liệu để định hướng giải quyết các vấn đề đặt ra - Phương pháp kế thừa: Tiếp thu và vận dụng các kết quả đã có về cơ sở dữ liệu nền địa lý và các kĩ thuật phân tích - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thử nghiệm lấy các số liệu thực tế làm sáng tỏ cơ sở lý thuyết đặt ra 5 Cơ sở dữ liệu - Phần mềm ENVI - Ảnh vệ tinh Landsat8 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về viễn thám 1.1.1 Giới thiệu chung Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện 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, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trêntrái đất" Dưới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau * Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976) * Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978) * Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát ".( Lillesand và Kiefer, 1986) Viễn thám là khoa học nghiên cứu phương pháp thu thập, đo lường và phân tích thông tin của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Hầu hết các đối tượng tự nhiên đều hấp thụ, phản xạ hay bức xạ sóng điện từ vớ cường độ và theo những cách khác nhau Các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Thông tin thu được trong viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên trên các bước sóng khác nhau đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu được 1 Viễn thám là một mônkhoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất vào năm 1960 Tuy nhiên viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu từ việc chụp ảnh sử dụng phim ảnh, giấy ảnh Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ sự tiến bộ ngành chụp ảnh hàng không 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 người hoạt động trong việc làm ảnh và đo ảnh Đó chính là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới đó là đo đạc ảnh (photogrametry) Đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối tượng từ tư liệu ảnh chụp Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị chính xác cao, đáp ứng cho việc phân tích ảnh Vì vậy, sự ra đời của viễn thám gắn liền với công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ nghiên cứu Trái Đất và các hành tinh, khí quyển Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng phần mềm viễn thám được đẩy mạnh do đáp ứng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng ảnh radar Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số, dạng radar.Thời đại bùng nổ internet, công nghệ thông tin với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp vớ Hệ thống thông tin Địa Lý (GIS), cho khả năng nghiên cứu Trái Đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao 1.1.2 Nguyên lý cơ bản của viễn thám Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của các đối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng Các phần mềm xử lý ảnh số được phát triển nhằm cho ra thông tin về phổ bức xạ của vật thể hoặc các hiện tượng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh, xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ và tách lọc thông tin từ các dữ liệu ảnh số Dựa vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra a Đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện chiếu sang, môi trường, khí quyển và bề mặt đối tượng cũng như bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền, thực vật, cấu trúc bề mặt, …) Như vậy, các đối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau Phương pháp viễn thám dựa chủ yếu trên nguyên lý này để nhận biết, phát hiện các đối tượng, hiện tượng trong tự nhiên Các thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của đối tự nhiên sẽ giúp các nhà chuyên môn lựa chọn được kênh phổ tối ưu chứa nhiều thông tin về đối tượng nghiên cứu Đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng, tiến tới phân loại chúng Năng lượng mặt trời (Eo) chiếu xuống mặt đất dưới dạng sóng điện từ, khi năng lượng này tác động lên bề mặt một đối tượng nào đó thì một phần bị phản xạ trở lại (Epx), một phần bị đối tượng hấp thụ và chuyển thành dạng năng lượng khác (Eht), phần còn lại bị truyền qua hay còn gọi là hiện tượng thấu quang năng lượng (Etq) Có thể mô tả quá trình trên theo công thức [ 1] Eo = Epx + Eht + Etq (1.1) Phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của đối tượng, năng lượng phản xạ phổ có thể phản xạ toàn phần, phản xạ một phần hoặc tán xạ toàn phần Vì vậy cần phải lưu ý khi giải đoán ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, nhất là khi xử lý ảnh cần phải có các thông tin về các khu vực đang khảo sát và phải biết rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị sử dụng, điều kiện chụp ảnh vì các yếu tố này có vai trò nhất định trong việc giải đoán hoặc xử lý ảnh Đồng thời, năng lượng ảnh của đối tượng được ghi nhận bằng năng lượng phản xạ phổ của các bước sóng khác nhau sẽ khác nhau Chú ý: Để nghiên cứu sự phụ thuộc của năng lượng phản xạ vào bước sóng, người ta đưa ra khái niệm về khả năng phản xạ phổ Khả năng phản xạ phổ r(A) của bước sóng A được định nghĩa bằng công thức: r(A) = [Epx(A)/Eo(A)].100% (1.2) Các đối tượng nghiên cứu trên mặt đất rất đa dạng và phức tạp nhưng suy cho cùng nó được cấu thành bởi ba loại đối tượng cơ bản, đó là: thổ nhưỡng, thực vật và nước b Đặc tính phản xạ phổ của thực vật Đặc tính chung nhất của thực vật là khả năng phản xạ phổ phụ thuộc vào chiều dài bước sóng và các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của thực vật Đây là đối tượng được quan tâm nhất Các trạng thái lớp phủ thực vật khác nhau có tính chất phản xạ phổ khác nhau Bức xạ mặt trời E(o) khi tới bề mặt lá cây một phần bị phản xạ ngay E(1) Bức xạ ở vùng sóng chàm và sóng đỏ bị chất diệp lục hấp thụ để thực hiện quá trình quang hợp Bức xạ ở vùng sóng lục khi gặp diệp lục trong lá cây sẽ phản xạ trở lại (Eg) Bức xạ ở vùng sóng hồng ngoại (Eir > 720nm) cũng sẽ phản xạ khi gặp chất diệp lục của lá Như vậy, năng lượng phản xạ từ thực vật (Epx) bao gồm: Epx = E1 + Eg + Eir (1.3) 3