HỌC PHẦN CƠ SỞ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐẠI HỌC ĐH3QS Nội dung gồm 4 chương: Phần I: CƠ SỞ VIỄN THÁM Chương 1: Các khái niệm cơ bản về kỹ thuật viễn thám Chương 2: Ảnh vệ tinh quang học và xử lý ảnh vệ tinh quang học Phần II: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) Chương 3: Khái niệm cơ bản về GIS Chương 4: Nhập và phân tích dữ liệu trong GIS Phân bổ thời gian: theo ĐCCT Tài liệu học tập: - Sách, giáo trình chính: Giáo trình “ Cơ sở GIS và viễn thám”, trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. - Tài liệu tham khảo: + Nguyễn Ngọc Thạch, 1997: Viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên và môi trường, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. + Phạm Vọng Thành, 2009. Viễn Thám (dùng cho ngành quản lý đất đai) trường ĐH nông nghiệp I Hà Nội. + Dương Đăng Khôi, Giáo trình hệ thống thông tin địa lý, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, 2012. + GS.TS Nguyễn Trường Xuân, Cơ sở hệ thống thông tin địa lý, đại học Mỏ - Địa chất. + Cục Bản đồ Bộ Tổng Tham Mưu, Hệ thống thông tin địa lý. + PGS.TS Phạm Vọng Thành , Hệ thống thông tin địa lý, đại học Mỏ - Địa chất. + Lê Bảo Tuấn, Hệ thống thông tin địa lý, đại học Huế, Đại học khoa học. 1 Phần I. CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VIỄN THÁM 1.1 KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA VIỄN THÁM 1.1.1 Khái niệm về viễn thám Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời. Sự phát triển của khoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự khi nghiên cứu các ảnh chụp sử dụng phim và giấy ảnh từ khinh khí cầu, máy bay. Ngày nay, cùng sự phát triển của khoa học kỹ thuật, viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp, Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách gián tiếp với đối tượng nghiên cứu. Từ những ảnh chụp phim ban đầu thu nhận từ khinh khí cầu, máy bay, …hiện nay, nguồn dữ liệu chính trong viễn thám là ảnh số thu nhận từ các hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng xét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có một đặc điểm chung, nhấn mạnh “viễn thám là khoa học nghiên cứu các thực thể, hiện tượng trên trái đất từ xa mà không cần tác động trực tiếp vào nó”. Một số định nghĩa tiêu biểu về viễn thám của các nhà khoa học khác nhau như: 1. Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một sự vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher and others, 1976); 2. Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barrer and Curtis, 1976); 3. Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách xa vật không cần tiếp xục với nó. Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (Landgrete, 1978); 4. Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của Trái đất bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt Trái đất (Janes Capbell, 1996); 5. Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhân thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi những phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng hoặc hiện tượng khi khảo sát (Likkesand and Kiefer, 1986); Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc được phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor). Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu được ảnh số (digital number). Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang. Hiện nay, vật mang rất đa dạng, có thể là khinh khí cầu, máy bay, vệ tinh, tàu vũ trụ, 1.1.2 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển Một số tài liệu nghiên cứu cho rằng, lịch sử phát triển của viễn thám có thể tính từ thế ký thứ 4 trước công nguyên khi Aristote sáng tạo ra camera – obscura (obscura - dark). Mặc dù những thành tựu đáng kể trong lý thuyết quang học đã đạt được từ thế kỷ 17 cũng như thấu kính quang học đã xuất hiện sớm hơn, bước phát triển thực sự đầu tiên của khoa học viễn thám là vào giữa thế kỷ 19. Vào năm 1839, Louis Daguerre đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh photo, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh 2 đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 bởi nhà nhiếp ảnh người Pháp Gaspard Tournachon. Ông đã sử dụng khinh khí cầu ở độ cao 80 m để chụp ảnh vùng Bievre nước Pháp. Từ sự việc này, năm 1858 được coi là năm khai sinh của kỹ thuật viễn thám. Năm 1860, James Black đã chụp ảnh vùng Boston, Mỹ cũng từ khinh khí cầu. Năm 1863, Mackwell đã tìm ra các định luật về sóng điện từ, kết quả này là cơ sở vật lý cơ bản của lý thuyết viễn thám. Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay phục vụ mục đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo sự ra đời của rất nhiều thiết kế về các loại máy chụp ảnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới: đo đạc ảnh (photogrammetry). Năm 1929 ở Liên Xô cũ 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. Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2 đã chứng kiến những bước nhảy thực sự trong kỹ thuật viễn thám. Ngành khoa học đo đạc ảnh đã phát triển lên tầm cao mới: tạo ra các dụng cụ cảm biến bước sóng hồng ngoại, các hệ thống radar, Trong thời gian này đã chứng kiến những cuộc thử nghiệm nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho chụp ảnh màu hồng ngoại. Dựa trên kỹ thuật này, một kỹ thuật do thám hàng không đã ra đời. Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống siêu cao tần (RADAR) đã được thiết kế và sử dụng để theo dõi và phát hiện những vật thể chuyển động, nghiên cứu tầng ion. Vào những năm 50 của thế kỷ 20 người ta tập trung nghiên cứu nhiều vào việc phát triển các hệ thống radar tạo ảnh có cửa mở thực (RAR), đồng thời hệ thống radar có cửa mở tổng hợp (Syntheric Aparture Radar - SAR) cũng được xúc tiến nghiên cứu. Vào năm 1956, tại Mỹ đã tiến hành thử nghiệm khả năng dủng ảnh hàng không trong việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật. Đến những năm 1960, các cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và đa phổ đã được tiến hành. Năm 1972, một mốc quan trọng trong lịch sử phát triển viễn thám được đánh dấu với việc Mỹ đã phóng thành công lên quỹ đạo vệ tinh nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên LANDSAT. Sự kiện này mang đến khả năng thu nhận thông tin có tính chất toàn cầu về môi trường xung quanh. Cho đến hiện nay, đã có 8 vệ tinh trong chương trình LANDSAT được thực hiện, trong đó có 7 vệ tinh được phóng thành công lên quỹ đạo. Hiện nay, vệ tinh LANDSAT 8 sau khi phóng thành công lên quỹ đạo đầu năm 2013 đang hoạt động tốt và cung cấp một kho dữ liệu lớn trong nghiên cứu tài nguyên Trái đất. Trong những năm 60, 70 thế kỉ 20, tàu Apollo đã chụp Trái đất dưới dạng ảnh nổi và đa phổ, cho ra các thông tin hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng không vũ trụ Liên Xô (cũ) và Nga ngày nay đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái đất từ vũ trụ. Các nghiên cứu đã được thực hiện trên các tàu vũ trụ có người như Soynz, Meteor, Cosmos hoặc trên các trạm Salyut. Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ độ phân giải cao, như MSU - E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có 5 kênh phổ khác nhau, với kích thước 18 x 18 cm. Ngoài ra các ảnh chụp từ các thiết bị chụp KATE - 140, MKF - 6M trên trạm quỹ đạo Salyut cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ từ 0.4 µm đến 0.89 µm. Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20m. Kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 để điều tra quy hoạch rừng. Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter 3 Cosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Liên Xô – Việt Nam tháng 07 năm 1980. Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này được trình bày trong hội nghị khoa học về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ năm 1980, trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF - 6M vào mục đích thành lập một loạt bản đồ chuyên đề như địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước, thủy văn, rừng, Cột mốc quan trọng nhất đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự kiện vệ tinh viễn thám VNREDSat 1 (Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster - monitoring Satellite - 1A) được phóng thành công lên quỹ đạo vào 07/05/2013 tại sân bay vũ trụ Kourou (Pháp). Hiện nay, VNREDSat 1 bắt đầu cung cấp dữ liệu ảnh phục vụ nhu cầu quốc phòng, an ninh cũng như nghiên cứu, giám sát tài nguyên môi trường ở nước ta. Từ những năm 1990 nhiều ngành đã đưa kỹ thuật viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn như các ngành khí tượng, đo đạc và bản đồ, địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên rừng và đã thu được những kết quả rõ rệt. Kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lí GIS đã được ứng dụng để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học và nhiều dự án có liên quan đến điều tra khảo sát điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, giảm thiểu tới mức thấp nhất thiên tai ở một số vùng. Hiện nay, viễn thám ở nước ta đã chuyển dần từ công nghệ tương tự (analog) sang công nghệ số kết hợp với GIS giúp xử lý nhiều loại ảnh đạt yêu cầu cao về độ chính xác với quy mô sản xuất công nghiệp. 1.1.3 Phân loại viễn thám Sự phân biêt các loại viễn thám căn cứ vào các yếu tố sau: - Hình dạng quỹ đạo của vệ tinh. - Độ cao bay của vệ tinh - Loại nguồn phát và thu nhận tín hiệu. - Dải phổ của các thiết bị thu . Bài giảng này giới thiệu ba phương thức phân loại viễn thám sau: Phân loại theo nguồn năng lượng được sử dụng (loại nguồn phát và tín hiệu thu nhận), kỹ thuật viễn thám bao gồm: - Viễn thám bị động: sử dụng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng do vật thể bức xạ (ở điều kiện nhiệt độ thường, các vật thể tự phát ra bức xạ hồng ngoại). - Viễn thám chủ động: thiết bị thu nhận phát ra nguồn năng lượng tới vật thể rồi thu nhận tín hiệu phản xạ lại. Hình1.1: Viễn thám bị động và chủ động b. Phân loại theo vùng bước sóng sử dụng (theo dải phổ của các thiết bị thu): ứng với vùng bước sóng sử dụng , viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản: 4 - Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ: nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ mặt trời, ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt trái đất. Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh quang học. - Viễn thám hồng ngoại nhiệt: nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Ảnh thu được bởi kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh nhiệt. - Viễn thám siêu cao tần: trong viễn thám siêu cao tần hai kỹ thuật chủ động và bị động đều được áp dụng. Viễn thám bị động thu lại sóng vô tuyến cao tần với bước sóng lớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng. Vì có bước sóng dài nên năng lượng thu nhận được của kỹ thuật viễn thám siêu cao tần bị động thấp hơn viễn thám trong dải sóng nhìn thấy. Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động (Radar), vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lại năng lượng do sóng phản xạ lại từ các vật thể. Cường độ năng lượng phản xạ được đo lường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau. Ảnh thu được từ kỹ thuật viễn thám này được gọi là ảnh Radar. Hình 1.2: Các bước sóng sử dụng trong viễn thám c. Phân loại theo đặc điểm quỹ đạo: có hai nhóm chính là viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) (hình 1.3). Căn cứ vào đặc điểm quỹ đạo vệ tinh, có thể chia ra hai nhóm vệ tinh là: + Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có tốc độ góc quay bằng tốc độ góc quay của trái đất, nghĩa là vị trí tương đối của vệ tinh so với trái đất là đứng yên. + Vệ tinh quỹ đạo cực (hay gần cực) là vệ tinh có mặt phẳng quỹ đạo vuông góc hoặc gần vuông góc so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Tốc độ quay của vệ tinh khác với tốc độ quay của trái đất và được thiết kế riêng sao cho thời gian thu ảnh trên mỗi vùng lãnh thổ trên mặt đất là cùng giờ địa phương và thời gian lặp lại là cố định đối với một vệ tinh (ví dụ LANDSAT là 18 ngày, SPOT là 23 ngày ) Trên hai nhóm vệ tinh nói trên đều có thể áp dụng nhiều phương pháp thu nhận thông tin khác nhau tùy theo sự thiết kế của nơi chế tạo. 5 Hình 1.3. Vệ tinh địa tĩnh (trái) và Vệ tinh quỹ đạo gần cực (phải) 1.1.4 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám a. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thám là thu nhận năng lượng phản hồi của sóng điện từ chiếu tới vật thể, thông qua bộ cảm biến (sensor) giá trị phản xạ phổ này sẽ được chuyển về giá trị số. Bộ cảm biến là các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lượng phản xạ hay phát xạ của các vật thể từ mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện từ. Bộ cảm biến chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm biến sẽ chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn – giá trị pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định. Nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám được mô tả như hình 1.4 dưới đây. Hình 1.4 Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám 6 Sóng điện từ dùng trong viễn thám tuân theo các định luật bức xạ điện từ (định luật Plank, định luật Wien, Stefan – Bontzmann, …) và hệ phương trình Maxwell. Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần phân loại vật thể một cách chính xác hơn. b. Các thành phần chính của một hệ thống viễn thám Một hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Trình tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống viễn thám được mô tả trong hình sau: Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống viễn thám Nguồn năng lượng (A): thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng cần nghiên cứu. Trong viễn thám chủ động sử dụng năng lượng phát ra từ nguồn phát đặt trên vật mang, còn trong viễn thám bị động, nguồn năng lượng chủ yếu là bức xạ mặt trời. Những tia phát xạ và khí quyển (B): bức xạ điện từ từ nguồn phát tới đối tượng nghiên cứu sẽ phải tương tác qua lại với khí quyển nơi nó đi qua. Sự tương tác với đối tượng (C): sau khi truyền qua khí quyển đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tùy thuộc vào đặc điểm của đối tượng và sóng điện từ. Sự tương tác này có thể là sự truyền qua, sự hấp thụ hay bị phản xạ trở lại khí quyển. Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm biến (D): sau khi năng lượng được phát ra hoặc bị phản xạ từ đối tượng, cần có bộ cảm biến để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm sẽ mang thông tin của đối tượng. Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E): năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần được truyền tải (thường dưới dạng điện từ) đến một trạm thu nhận dữ liệu để xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này là dữ liệu thô. Phân loại và phân tích ảnh (F): ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng trong các mục đích khác nhau. Để nhận biết được các đối tượng trên ảnh cần phải giải đoán chúng. Ảnh được phân loại bằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau (phân loại bằng mắt, phân loại thực địa, phân loại tự động, ). Ứng dụng (G): đây là thành phần cuối cùng của hệ thống viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin thu nhận được trong qúa trình xử lý ảnh vào các lĩnh vực, bài toán cụ thể. 1.1.5 Các ứng dụng của viễn thám 7 Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, lĩnh vực ứng dụng của viễn thám rất đa dạng. Hiện nay, kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, lâm nghiệp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất, môi trường, … và thu được những thành tựu to lớn. Trong nông – lâm nghiệp, kỹ thuật viễn thám được ứng dụng nhằm xác định các loài thực vật, dự báo mùa vụ và đánh giá khả năng sinh trưởng của cây trồng, kiểm kê rừng, đánh giá mật độ lớp phủ, dự báo và phát hiện cháy rừng, …Trong địa chất, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi nhằm phát hiện và lập bản đồ phân bố các loại khoáng sản, lập bản đồ cấu trúc các lớp địa chất, địa mạo, nghiên cứu dự báo động đất, núi lửa, …Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biển và tài nguyên nước là một trong những lĩnh vực đạt được những kết quả quan trọng nhất. Kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để nghiên cứu biến động đường bờ, nghiên cứu quần thể động – thực vật biển, theo dõi các dòng chảy và độ đục/trong của nước, … Ở nước ta, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những thập kỷ cuối của thế kỷ XX, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lệ. Ngày nay, tư liệu ảnh vệ tinh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên nước, tài nguyên rừng, dự báo năng suất lúa, … Lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều cơ quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùng lãnh thổ khác nhau, từ khu vực nhỏ đến tỉnh, vùng và toàn quốc. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các vùng như Tây Nguyên, đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng,… được thành lập trong khuôn khổ các chương trình điều tra tổng hợp, đều đã sử dụng ảnh vệ tinh như một nguồn tài liệu chính. Những bản đồ này được thành lập trong những năm 1989, 1990 và do các cơ quan nghiên cứu khoa học và điều tra cơ bản thực hiện. Bản đồ được thành lập chủ yếu ở tỉ lệ 1: 250 000. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc năm 1990 tỉ lệ 1: 1 000 000 được thành lập bằng nhiều nguồn tài liệu, trong đó ảnh vệ tinh LANDSAT - TM. Bản đồ này do Tổng cục Quản lý ruộng đất (nay thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường), cùng một số các cơ quan khác thực hiện. Bên cạnh đó, năm 1993 Tổng cục Quản lý đất đai, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Điều tra Quy hoạch rừng, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) đã thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc tỉ lệ 1: 250 000 bằng ảnh LANDSAT - TM. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh và các khu vực hẹp hơn của một số địa phương cũng được thành lập bằng ảnh vệ tinh. Những bản đồ này thường được thành lập ở các tỉ lệ 1:100 000 (cấp tỉnh) đến 1: 25 000 (khu vực cụ thể) và do các Viện thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số Trường Đại học thực hiện trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu và các dự án. Năm 2000, một số Sở Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng ảnh vệ tinh. Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên Môi trường đã thành lập bình đồ ảnh vũ trụ tỷ lệ 1: 10 000 phục vụ kiểm kê đất đai của 13 tỉnh trong đợt kiểm kê đất năm 2005. Từ 1979 ảnh vệ tinh được bắt đầu sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và trở thành một công cụ quan trọng trong điều tra quy hoạch và thiết kế kinh doanh 8 rừng. Ảnh vệ tinh LANDSAT TM được sử dụng rất nhiều trong xây dựng các bản đồ rừng cấp vùng và toàn quốc (1985 -1990). trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1991-1995”, nghiên cứu biến động rừng ngập mặn trong 20 năm ở Minh Hải, dự án Mê Công “Theo dõi, đánh giá biến động lớp phủ rừng” (Forest Cover Monitoring). Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ được sử dụng trong Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 2001 - 2005” để lập bản đồ rừng và sử dụng đất cho 64 tỉnh, thành phố hoàn toàn bằng công nghệ xử lý ảnh số. Ảnh vệ tinh SPOT được sử dụng trong các Chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1996- 2000” để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất cấp tỉnh tỷ lệ 1:100.000, dự án phục hồi rừng ngập mặn Cà Mau, dự án “Phát triển hệ thống thông tin rừng nhiệt đới – Information System Development Project for Tropical Forests”. Ảnh vệ tinh độ phân giải cao Quickbird được sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất tỷ lệ 1:10000 cho 2 lâm trường M’drac và Nam Nung (2004 - 2005), các xã vùng đệm thuộc dự án Bảo vệ và Phát triển những vùng đất ngập nước ven biển miền Nam Việt Nam do WB tài trợ (2005). Đối với nông nghiệp. Ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu được triển khai trong các công trình nghiên cứu đơn lẻ hay môt số các dự án do nước ngoài tài trợ. Trong khuôn khổ các dự án “Quy hoạch nguồn nước lưu vực Srepok” và “Phát triển bền vững đất nông nghiệp Tây Nguyên” Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp đã phối hợp với một số cơ quan, tổ chức trong và ngoài nước lập bản đồ sử dụng đất trên cơ sở giải đoán bằng mắt ảnh vệ tinh LANDSAT MSS, TM và SPOT. Viện đã sử dụng kết hợp các phần mềm xử lý ảnh viễn thám và GIS xây dựng bản đồ lớp phủ một số xã thí điểm tỉnh Bắc Kạn từ ảnh SPOT. Một dự án thử nghiệm “Hệ thống thông tin cây trồng Việt Nam” đã thực hiện ở huyện Đại Từ, Thái Nguyên với mục tiêu cung cấp nhanh chóng, xác thực số liệu về qui mô diện tích cây trồng (trọng tâm là cây chè) từ tư liệu viễn thám, so sánh số liệu thu thập từ nguồn này với thống kê và đề xuất một số giải pháp phát triển vùng sản xuất chè. Dự án đã góp phần chứng minh khả năng lớn của công nghệ viễn thám và GIS trong đáp ứng kịp thời nhu cầu giám sát diễn biến diện tích cây trồng nông nghiệp và dự báo những vùng có thay đổi lớn ở cấp quốc gia, đồng thời tạo cơ sở khoa học tin cậy cho những quyết định về quy hoạch nông nghiệp nông thôn và những quyết sách về chuyển đổi cơ cấu nông nghiệp và phát triển nông sản hàng hóa. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã giao cho viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp chủ trì dự án “ Điều tra hiện trạng sản xuất một số cây công nghiệp lâu năm toàn quốc (chè, cà phê, cao su, hồ tiêu và điều) ”. Ảnh viễn thám SPOT 5 với độ phân giải 10m đa phổ và 2,5m toàn sắc được sử dụng trong điều tra diện tích các loại cây công nghiệp lâu năm trọng điểm. Nghiên cứu biến động sử dụng đất. Nghiên cứu biến động sử dụng đất là một trong những lĩnh vực quan trọng và khó khăn trong điều tra, giám sát môi trường, trong đó ảnh vệ tinh đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu. Nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, điều tra cơ bản, giáo dục ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công nghệ viễn thám để thực hiện nhiệm vụ này như Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý, Nghiên cứu biển thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Liên đoàn Bản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường , đã tiến hành nhiều thử nghiệm dưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án và đã thu được những kết quả ban đầu quan trọng. 9 Trong chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường, Trung tâm Viễn thám - Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số cơ quan khác đã sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để khảo sát biến động của bờ biển, lòng sông, biến động rừng ngập mặn, diễn biến rừng, biến động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một số vùng). thành lập các bản đồ rừng ngập mặn tỉ lệ 1: 100 000 phủ trùm toàn dải ven biển và tỉ lệ lớn hơn cho từng vùng, bản đồ đất ngập nước toàn quốc tỉ lệ 1: 250.000. Sử dụng ảnh radar theo dõi lúa. Cho đến nay ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học như ảnh NOAA/AVHRR hoặc SPOT/Vegetation cho việc theo dõi sự tăng trưởng mùa màng, nói chung, và mùa vụ lúa nói riêng. Tuy nhiên độ phân giải không gian của chúng (1 km) không cho phép theo dõi từng thửa ruộng. Các tư liệu viễn thám quang học khác như LANDSAT và SPOT có thể sử dụng cho mục đích này, nhưng phần lớn thời gian gieo trồng lúa ở vùng nhiệt đới là mùa mưa, nhiều mây. Vì vậy không hoặc ít khi có được ảnh quang học có chất lượng tốt. Để khắc phục hạn chế này, các tư liệu viễn thám radar được sử dụng vì ảnh radar cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời, thích hợp cho việc giám sát sự tăng trưởng cây lúa, lập bản đồ và dự báo năng suất mùa vụ. Tại Việt Nam, thông qua một dự án hợp tác giữa viện nghiên cứu lúa IRRI, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Đại học Cần Thơ đã chọn một khu vực tại Đồng Bằng Sông Cửu Long làm thử nghiệm theo dõi lúa (1998). Trong khuôn khổ chương trình công nghệ thông tin IT 2000, Trung tâm liên ngành viễn thám và GIS thực hiện dự án nghiên cứu “Sử dụng tư liệu Radasat trong theo dõi lúa ở đồng bằng sông Cửu Long”. Có thể nói từ năm 2000 trở về trước, các nghiên cứu ở Việt Nam dừng ở mức lập bản đồ các vùng trồng lúa từ ảnh radar. Sau này, vấn đề theo dõi sinh trưởng và dự báo năng suất lúa bằng các tư liệu radar được thực hiện ở một số tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long (Sóc Trăng, An Giang). Trong đó tập trung chủ yếu vào nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám SAR đa thời gian để tìm hiểu mối quan hệ của chúng với chu kỳ sinh trưởng của cây lúa. Trong khuôn khổ dự án thử nghiệm sử dụng ảnh ENVISAT ASAR theo dõi và dự báo lúa ở Bắc Bộ Việt Nam (2005), Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp phối hợp với SARMAP đã tiến hành khảo sát trên 100 điểm ở Thái Bình. Nhìn chung, kết quả sử dụng tư liệu ảnh radar ở nước ta, nhất là trong nông nghiệp còn rất khiêm tốn do công nghệ xử lý khá mới mẻ và phức tạp, đặc điểm manh mún, xen kẽ trong phương thức canh tác. Nhưng về lâu dài, nó rất phù hợp với Việt Nam bởi cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tài nguyên và môi trường ở nước ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quả song còn ít, tản mạn và trên thực tế chưa đáp ứng được nhu cầu. Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trung vào lĩnh vực hiện chỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đề cập đến ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh của môi trường. Thực tế đó đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Để đạt được nhiệm vụ trên việc đầu tư công nghệ mới nhằm xây dựng đồng bộ hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu và áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ là yêu cầu cần thiết với nước ta hiện nay. 10 [...]... khác nhau 15 Hình 1.10 minh họa hình ảnh các vật mang cơ bản được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám có độ cao hoạt động khác nhau Vệ tinh nhân tạo bao gồm những vật mang được phóng vào không gian và chuyển động theo những quỹ đạo nhất định phục vụ công tác liên lạc viễn thông, định vị và hàng hải, thám sát khí tượng và quan sát mặt đất… Vệ tinh viễn thám cho phép nhìn thấy một vùng rộng trên mặt đất bao... nhận sự tương tác xa, và cho rằng tương tác điện và từ truyền qua một môi trường nào đó, và môi trường đó đóng vai trò cơ bản trong quá trình điện và từ Maxwell đã phát triển những ý kiến của Faraday một cách sâu sắc và đã xây dựng nên những thuyết định lượng, dùng công cụ toán học Sự liên quan chặt chẽ giữa điện trường và từ trường được xây dựng trên cơ sở lý thuyết chắc chắn, và được biểu diễn bằng... liệu viễn thám từ vệ tinh này sang vệ tinh khác cho đến khi thực hiện được việc truyền dữ liệu đến trạm thu trên mặt đất thích hợp Hình 1.13 Các phương pháp truyền và thu dữ liệu vệ tinh Dữ liệu nhận được bởi các trạm thu trên mặt đất là dữ liệu số cần được loại bỏ mọi nhiễu, hiệu chỉnh khí quyển, biến dạng hình học và chuyển đổi vào khuôn dạng chuẩn của ảnh viễn thám Sau đó ảnh vệ tinh được ghi vào... cho ngời sử dụng ở nhiều cấp đọ khác nhau - Dữ liệu ảnh viễn thám được truyền trực tiếp nếu trạm thu mặt đất nằm trong tầm nhìn của vệ tinh (A) - Trong trường hợp ngược lại, dữ liệu được lưu trữ bởi vệ tinh (B) và sẽ phát về trạm thu trên mặt đất vào thời điểm mà tầm nhìn giữa vệ tinh và trạm thu được đảm bảo Phương pháp truyền dữ liệu viễn thám cơ bản này được gọi là MDR (Mission Data Recorder) MDR... Ảnh có tỷ lệ nhỏ khi tỷ số này nhỏ và ngược lại gọi là ảnh tỷ lệ lớn (ví dụ ảnh có tỷ lệ 1:5000 được xem là ảnh có tỷ lệ lớn và cung cấp nhiều chi tiết hơn ảnh có tỷ lệ 1: 10 000) c Bộ cảm biến sử dụng trong viễn thám vệ tinh * Máy quét quang cơ Máy quét quang cơ là thiết bị sử dụng một bức xạ kế đa phổ để tạo ảnh hai chiều dựa trên sự phối hợp chuyển động giữa vệ tinh và hệ thống gương quét vuông góc... 919km và Landsat 4 và 5 ở độ cao 705 km, chu kỳ lặp là 18 ngày Các bộ cảm MSS là những hệ thống máy quang học mà trong đó các yếu tố tách sóng riêng biệt được quét qua bề mặt Trái đất theo hướng vuông góc với hướng bay MSS có 4 bộ lọc và tách sóng trong khi TM có 7 bộ Landsat MSS có độ phân giải là 79m x 79m, và gồm 4 kênh 1,2,3 và 4, trong đó kênh 1 và kênh 2 nằm trong vùng nhìn thấy còn kênh 3 và kênh... máy bay (tạo ảnh hàng không) có thể xem là dạng đầu tiên của viễn thám và tồn tại như một phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong thành lập bản đồ địa hình và chuyên để phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường cũng như quy hoạch và quản lý đô thị… Ngoài ra còn nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở lên như: thang trượt của các cần cẩu; máy bay... các hệ thống quét và không quét Sau đó chúng lại tiếp tục được chia thành loại tạo ảnh và không tạo ảnh Loại bộ cảm sử dụng nhiều trong viễn thám hiện nay là các loại máy chụp ảnh, máy quét đa phổ quang cơ, máy quét điện tử Hình 1.6.Sơ đồ phân loại bộ cảm Đặc trưng chủ yếu của bộ cảm biến là số kênh phổ được sử dụng, độ phân giải không gian, bề rộng tuyến chụp * Các phương pháp quét cơ bản thường sử... lượng bức xạ và phản xạ từ các vật thể trên bề mặt đất tạo ra ảnh quang học hay ảnh rađa, các bộ cảm được bố trí trên vật mang là một phương tiện dùng để đưa các bộ cảm đến một độ cao và vị trí mong muốn sao cho việc thu nhận thông tin từ mặt đất đạt hiệu quả cao nhất, đáp ứng cho nhiều mục đích ứng dụng khác nhau Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sử dụng trong viễn thám Chụp ảnh... Dạng quỹ đạo Số kênh phổ có khả năng ghi nhận được c Truyền và thu dữ liệu vệ tinh Khác với phương pháp chụp ảnh hàng không, ảnh viễn thám được truyền từ vệ tinh về các trạm thu trên mặt đất thông qua việc sử dụng anten phát sóng điện từ có tần số rất cao, từ vài GHz đến vài chục GHz để làm sóng tải (do dữ liệu cần truyền rất lớn), chuyển ảnh và các thông tin liên quan về các trạm thu (vì vệ tinh luôn