MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đất đai là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá mà thiên nhiên đã ban tặng cho con người. Đất đai là nền tảng để định cư và tổ chức các hoạt động kinh tế xã hội, nó không chỉ là đối tượng lao động mà còn là tư liệu sản xuất không thể thay thế được. Trong khoảng 3 thập niên gần đây, cùng với sự phát triển của xã hội loài người, môi trường trái đất nói chung hay việc sử dụng và khai thác các nguồn tài nguyên đất đai nói riêng đã có nhiều biến đổi theo chiều hướng phát triển không bền vững.
Xã hội phát triển, dân số tăng nhanh kéo theo những đòi hỏi ngày càng tăng và tìm mọi cách để khai thác đất đai nhằm thỏa mãn những nhu cầu ngày càng tăng đó. Bởi vậy đất đai, đặc biệt là đất nông nghiệp với hạn chế về diện tích có nguy cơ bị suy thoái dưới tác động của thiên nhiên, sự thiếu ý thức của con người trong quá trình sản xuất và đặc biệt hơn nữa là quá trình đô thị hóa đang diễn ra mạnh mẽ. Trước những áp lực đó, đất đai và các lớp phủ mặt đất thay đổi 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 làm tăng thêm về mặt số lượng.
Một trong những khó khăn trong công tác quản lý đất đai là khi đánh giá chuyển đổi mục đích sử dụng đất từ các loại đất khác sang đất ở, đặc biệt đối với các khu vực có mức độ đô thị hóa mạnh. Bởi vì, quá trình đô thị hóa không chỉ làm gia tăng bề mặt không thấm mà còn xuất hiện cả những mảnh đất trống trong đô thị do các dự án “treo”, đất khai hoang, chuyển mục đích sử dụng nhưng chưa sử dụng, bỏ hoang đất nông nghiệp. Lập bản đồ đất xây dựng và đất trống là nhiệm vụ quan trọng vì sự có mặt của các đối tượng này là chỉ báo của mức độ phát triển đô thị cũng như chất lượng môi trường. Một trong những phương pháp thường được sử dụng trong lập bản đồ sử dụng đất đô thị là phân loại ảnh, nhưng khả năng phân biệt được đất trống và đất xây dựng thường có độ chính xác không tốt vì tính phức tạp của hành vi phản xạ phổ của các đối tượng thực vật, đất trống và đất xây dựng, đặc biệt là những pixel hỗn hợp, nên phương pháp dùng ảnh chỉ số sẽ cho kết quả nhanh 1 chóng và hiệu quả hơn.
Những khó khăn khi thành lập bản đồ khu vực đất xây dựng khu vực đô thị là mật độ dân cư cao, nhiều nhà tầng, hạn chế khả năng đo vẽ trực tiếp; do đó viễn thám trở thành công cụ đắc lực trợ giúp nhiệm vụ này. Trong quá trình đô thị hoá, sự chuyển đổi sử dụng đất ở quận Hoàng Mai diễn ra mạnh mẽ; chủ yếu là đất nông nghiệp thành đất xây dựng, làm cho cảnh quan đô thị bị phân mảnh sâu sắc và mang nét đặc trưng riêng. Quận thuộc khi vực nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều nên đặc tính phản xạ phổ của lớp phủ cũng không giống với các khu vực khác. Với những lý do trên tác giả tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chiết tách đất xây dựng và đất trống quận Hoàng Mai – thành phố Hà Nội từ dữ liệu ảnh viễn thám”.
Mục tiêu nghiên cứu Chiết tách đất xây dựng và đất trống quận Hoàng Mai – thành phố Hà Nội từ dữ liệu ảnh viễn thám bằng 2 phương pháp phân tích từ ảnh chỉ số và phân loại ảnh, qua đó đánh giá độ chính xác của các phương pháp. Yêu cầu nghiên cứu - Công tác điều tra thu thập số liệu phải đúng hiện trạng, đảm bảo trung thực, khách quan; - Kết quả đánh giá chiết tách đất xây dựng và đất trống phải đảm bảo đầy đủ, chính xác. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về Viễn thám 1.
Khái niệm về Viễn thám Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều từ ngữ khác nhau, nhưng nói chung đều thống nhất theo quan điểm chung là “Khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó”. Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng” (Trần Hùng và cs, 2008). Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng. Có nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám như: Theo Nguyễn Khắc Thời (2011), viễn thám (Remote Sensing - RS) 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.
Công nghệ viễn thám 3 Có nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám như: Theo Lê Văn Trung (2010): “Viễn thám được định nghĩa như là một khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đối tượng (vật thể) mà không có những tiếp xúc trực trực tiếp với chúng.” (Nguyễn Xuân Trung Hiếu, 2013) 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. Tuy nhiên những năng lượng như từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng. 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, tiến tới phân loại chúng. Nguyên lý thu nhận hình ảnh trong viễn thám 4 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 nhìn thấy đến sóng radar; - 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 trực thăng và phản lực đến các ảnh vệ tinh có người điều khiển hoặc tự động; - 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: Xử lý ảnh bằng mắt và bằng số. 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 có thể thực hiện qua 3 bước chính sau: - 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 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 thực hiện được bằng hai phương pháp.
Phương pháp xử lý thông tin viễn thám a. 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 hình ảnh như hình dạng, vị trí, cấu trúc, đặc điểm, chất lượng, điều 5 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 như: - 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 hoặc thị sai của cặp ảnh lập thể; - Xác định các chỉ số: Là việc tính toán các chỉ số mới (ví dụ như 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… b. Giải đoán ảnh bằng mắt 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: Chuẩn kích thước, chuẩn hình dạng, chuẩn bóng, chuẩn độ đen, chuẩn màu sắc, chuẩn cấu trúc, chuẩn phân bố, chuẩn mối quan hệ tương hỗ. Để trợ giúp cho công tác đoán đọc người ta thành lập các mẫu đoán đọc.