Chương 1: Cơ sở lý luận về nghiên cứu biến đổi lớp phủ mặt đất với sự trợ giúp của viễn thám và GIS Chương 2: Các nhân tố ảnh hưởng tới biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Kiến Thụy. Chương 3: Ứng dụng viễn thám, GIS và Markov-CA mô hình hóa biến đổi lớp phủ mặt đất huyện Kiến Thụy 2000 -2020 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI LỚP PHỦ MẶT ĐẤT VỚI SỰ TRỢ GIÖP CỦA VIỄN THÁM VÀ GIS 1. KHÁI NIỆM VÀ MỘT SỐ HỆ PHÂN LOẠI LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 1. Khái niệm về lớp phủ mặt đất Khái niệm lớp phủ mặt đất của tổ chức lƣơng thực thế giới (FAO) là một khái niệm cơ bản, bởi vì trong nhiều hệ thống phân loại và chú giải có sự nhầm lẫn giữa lớp phủ mặt đất và sử dụng đất.
Theo đó, lớp phủ mặt đất đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Lớp phủ mặt đất là những đối tượng vật chất quan sát được trên bề mặt trái đất. Trên thực tế mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớp phủ mặt đất đặc trƣng và mỗi một đối tƣợng đều chịu sự tác động của tự nhiên và con ngƣời với mức độ mạnh, yếu khác nhau. Sự tác động này đã làm cho lớp phủ mặt đất luôn biến đổi. Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngƣợc lại cũng có những ảnh hƣởng không nhỏ đến cuộc sống của con ngƣời, nhƣ diện tích rừng suy giảm đã gây ra lũ lụt; sự gia tăng của các khu công nghiệp và các hoạt động nông nghiệp nhƣ tăng vụ lúa, nuôi trồng thuỷ sản không hợp lý là một trong những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu.
Hệ phân loại lớp phủ mặt đất Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng các lớp thông tin lớp phủ mặt đất và đảm bảo tính thống nhất về nội dung thông tin, ngƣời ta xây dựng các hệ phân loại lớp phủ mặt đất. Nhìn chung các hệ phân loại lớp phủ mặt đất đã có đều dựa trên nguyên tắc sau: - Hệ phân loại dễ hiểu, dễ hình dung phân chia đối tƣợng bề mặt thành các nhóm chính theo trạng thái vật chất của các đối tƣợng nhƣ mặt nƣớc, mặt đất, lớp phủ thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo. - Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tƣ liệu viễn thám bao gồm các loại ảnh vệ tinh nhƣ Spot, Landsat, ảnh hàng không… 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Các đối tƣợng trong hệ phân loại đáp ứng đƣợc yêu cầu phân tách đƣợc đối tƣợng trên các tƣ liệu thu thập ở các thời gian khác nhau. - Hệ thống phân loại áp dụng đƣợc cho nhiều vùng rộng lớn - Hệ thống phân loại phân chia các đối tƣợng theo các cấp bậc nên phù hợp với việc phân tích đối tƣợng trên các tƣ liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu cầu thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau.
Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với điều kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 1. Biến động lớp phủ mặt đất Biến động đƣợc hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái (diện tích, hình thái) này sang trạng thái khác của sự vật, hiện tƣợng tồn tại trong môi trƣờng tự nhiên cũng nhƣ xã hội. Phát hiện biến động là quá trình nhận dạng sự biến đổi, sự khác biệt về trạng thái của sự vật, hiện tƣợng bằng cách quan sát chúng tại những thời điểm khác nhau.
Việc lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất là rất quan trọng. Hiện nay có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu biến động, nhƣng hầu hết các kết quả nghiên cứu biến động đều đƣợc thể hiện trên bản đồ biến động và các bảng tổng hợp kết quả. Các phƣơng pháp nghiên cứu khác nhau sẽ cho các bản đồ khác nhau. Để nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất có nhiều phƣơng pháp khác nhau với nhiều nguồn tài liệu khác nhau nhƣ: từ các số liệu thống kê hàng năm, số liệu kiểm kê, hay từ các cuộc điều tra.
Các phƣơng pháp này thƣờng tốn nhiều thời gian, kinh phí và không thể hiện đƣợc sự thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của lớp phủ mặt đất, và vị trí không gian của sự thay đổi đó. Phƣơng pháp sử dụng tƣ liệu viễn thám đã khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm đó. Việc sử dụng tƣ liệu viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất là giám sát thay đổi lớp phủ mặt đất đƣa đến sự thay đổi về giá trị bức xạ và những thay đổi về giá trị bức xạ do thay đổi lớp phủ mặt đất phải lớn hơn sự thay đổi về bức xạ gây ra bởi các yếu tố khác. Những yếu tố khác này bao gồm sự thay đổi về điều kiện khí quyển, độ ẩm mặt đất, góc chiếu của mặt trời.
Tuy nhiên, có thể giảm thiểu ảnh hƣởng của các yếu tố này bằng việc lựa chọn dữ liệu thích hợp. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các nguyên nhân gây ra biến động Biến động của lớp phủ mặt đất bao giờ cũng bao gồm nhiều yếu tố tƣơng tác lẫn nhau nhƣ: sự kết hợp của mục đích sử dụng đất tùy theo thời gian, không gian cụ thể tùy vào mục đích , môi trƣờng và điều kiện của con ngƣời. Các quá trình tự nhiên diễn ra trên bề mặt đất nhƣ: hạn hán, xói mòn, … cũng quan trọng nhƣ các tác động của con ngƣời( phụ thuộc vào chính sách, điều kiện kinh tế, …) Các nguyên nhân chính dẫn đến biến động lớp phủ mặt đất gồm: - Sự thay đổi đa dạng của tự nhiên; - Vấn đề con ngƣời; - Vấn đề chính sách, thể chế; - Vấn đề kinh tế và công nghệ; - Vấn đề văn hóa; - Vấn đề toàn cầu hóa.
Các phƣơng pháp đánh giá biến động lớp phủ mặt đất - Phương pháp so sánh sau phân loại: Bản chất của phƣơng pháp này là từ kết quả phân loại bởi sử dụng các phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng của hai thời điểm khác nhau, thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại hai thời điểm. Sau đó, chồng ghép bản đồ lớp phủ để tính toán, thành lập bản đồ biến động sử dụng công nghệ GIS. - Phương pháp phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian: Phƣơng pháp này thực chất là chồng xếp các ảnh đa thời gian của một khu vực, tạo thành ảnh biến động sử dụng phần mềm xử lý ảnh. Sau đó tiến hành phân loại trên ảnh biến động và thành lập bản đồ biến động.
- Phương pháp phân tích vector thay đổi phổ: Khi có sự biến động tại một điểm nào đó, sự thay đổi đó đƣợc thể hiện bằng sự khác biệt về giá trị phổ giữa hai thời điểm. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Phương pháp số học Đây là phƣơng pháp nghiên cứu đơn giản. Để xác định biến động giữa hai thời điểm sử dụng tỉ số giữa các ảnh trên cùng một kênh hoặc sự khác nhau trên cùng một kênh của các thời điểm ảnh. Sử dụng các phép biến đổi số học để thành lập bản đồ biến động, các phép tính đƣợc sử dụng ở đây là phép trừ và phép chia.
Nếu ảnh thay đổi là kết quả của phép trừ thì khi đó giá trị độ xám của các pixel trên ảnh là dãy số âm và dƣơng. Các kết quả âm và dƣơng biểu thị mức độ biến đổi của các vùng, giá trị 0 biểu thị sự không biến động. Với giá trị độ xám từ 0 đến 255 thì giá trị pixel thay đổi trong khoảng từ -255 đến +255. Thông thƣờng để tránh kết quả giá trị âm thì thƣờng cộng thêm một hằng số không đổi.
VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI LỚP PHỦ MẶT ĐẤT 1. Công nghệ viễn thám 1. Khái niệm viễn thám Viễn thám (Remote sensing) là phƣơng pháp công nghệ nhằm xác định thông tin về hình dáng, kích thƣớc và tính chất của một vật thể, một đối tƣợng từ một khoảng cách cố định, không có sự tiếp xúc trực tiếp với chúng. Đặc tính cơ bản của tư liệu viễn thám Dữ liệu viễn thám bao gồm dữ liệu ảnh hàng không và dữ liệu ảnh vệ tinh.
Viễn thám vệ tinh sử dụng các bộ cảm gắn trên vệ tinh nhân tạo hoạt động ở nhiều bƣớc sóng từ 400nm-25cm để thu dữ liệu về các đối tƣợng nghiên cứu trên Trái Đất. Trong luận văn, học viên đã sử dụng các ảnh Landsat, SPOT là các ảnh đƣợc thu trong dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại. Các thông số quan trọng nhất đặc trƣng cho thông tin của một ảnh vệ tinh cần đƣợc lựa chọn cho đối tƣợng nghiên cứu, đó là độ phân giải không gian, độ phân giải phổ, độ phân giải thời gian, độ phân giải bức xạ. Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên Đồ thị phản xạ phổ đƣợc xây dựng với chức năng là một hàm số của giá trị phổ phản xạ và bƣớc sóng, đƣợc gọi là đƣờng cong phổ phản xạ.
Hình dáng của đƣờng cong phổ phản xạ cho biết một cách tƣơng đối rõ ràng tính chất phổ của một 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đối tƣợng và hình dạng đƣờng cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận đƣợc các tín hiệu phổ. Hình dạng của đƣờng cong phổ phản xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của các đối tƣợng. Trong thực tế, các giá trị phổ của các đối tƣợng khác nhau, của một nhóm đối tƣợng cũng rất khác nhau, song về cơ bản chúng dao động quanh giá trị trung bình. Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tƣợng lớp phủ mặt đất trên ảnh vệ tinh là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ.
Khả năng khai thác thông tin từ ảnh viễn thám trong nghiên cứu biến đổi lớp phủ mặt đất Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thám ngày càng phát triển và phạm vi ứng dụng của nó ngày càng rộng lớn. Ngày nay, tƣ liệu viễn thám hoàn toàn có khả năng là tƣ liệu độc lập để thành lập bản đồ vì những thông tin mà chúng ta khai thác đƣợc từ tƣ liệu viễn thám là những thông tin có giá trị đối với nội dung bản đồ. Trong đó, thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất là một trong những ứng dụng tiêu biểu và quan trọng của tƣ liệu viễn thám.