Chương 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM – GIS TRONG ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ VÀ SỬ DỤNG ĐẤT 1. Khái niệm viễn thám và ảnh viễn thám Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học vànghệthuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư 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.
Sau đó là thực hiện phân tích,xử lý và ứng dụng các thông tin này vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Viễn thám không chỉ tìm hiểu bề mặt của Trái Đất hay các hành tinh mà nó còn có thể thăm dò được cả trong các lớp sâu bên trong các hành tinh. Người ta có thể sử dụng máy bay dân dụng, chuyên dụng hay các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc tế.
Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Ảnh viễn thám (ảnh vệ tinh) là ảnh số thể hiện các vật thể trên bề mặt trái đất được thu nhận bởi các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh. Như vậy viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tượng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét tới vài nghìn km.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cơ sở vật lý của khoa học viễn thám Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là những nguồn tư liệu chính trong viễn thám. Các thiết bị dùng để thu nhận sóng điện từ bộ cảm được gọi là vật mang (platform). Máy bay và vệ tinh là những vật mang thông dụng trong kỹ thuật viễn thám.1: Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh của viễn thám Tín hiệu điện từ thu nhận từ đối tượng nghiên cứu mang theo các thông tin về đối tượng.
Các thiết bị viễn thám thu nhận, xử lý các thông tin này, từ các thông tin phổ nhận biết, xác định được các đối tượng.2: Các giải sóng chủ yếu sử dụng trong viễn thám LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Ở những vùng còn lại trong giải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ truyền tới được bộ cảm. Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO2, son khí (aerosol) mà độ truyền dẫn sóng điện từ của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng. Tại những vùng đó bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất đồng nghĩa với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin. Các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và giải cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt các bức xạ được ghi nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tuỳ thuộc vào độ phân giải không gian của bộ cảm.Các xung này được tách thành các bước sóng thiết kế sẵn cho bộ cảm và tạo ra các dữ liệu đa phổ từ bề mặt này.Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp thụ, phân tách và bức xạ sóng điện bằng các cách thức khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ.
Đặc trưng nàysẽ được phân tích theo nhiều cách khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bề mặt đất. Kể cả đối với giải đoán bằng mắt thì việc hiểu biết về đặc trưng phổ của các đối tượng sẽ cho phép giải thích được mối quan hệ giữa đặc trưng phổ và sắc, tông mầu trên ảnh tổ hợp mầu để giải đoán đối tượng. Đối với các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt, các bức xạ được ghi nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tuỳ thuộc vào độ phân giải không gian của bộ cảm. Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3 - 0,4 μm), sóng ánh sáng (0,4 - 0,7 μm), dải sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt.
Các bước sóng ngắn gần đây được sử dụng trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt được sử dụng trong đo nhiệt, sóng micro mét được sử dụng trong kỹ thuật Rada. Một trong những ứng dụng đặc biệt quan trọng của dữ liệu viễn thám là nghiên cứu SDĐ. Hiện nay, viễn thám đã phát triển trở thành một phương LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 pháp tiên tiến và hiện đại trong nghiên cứu sử dụng đất và theo dõi biến động đất đai.
Cơ sở khoa học của nghiên cứu biến động từ tư liệu viễn thám là dựa vào đặc trưng phổ phản xạ của các đối tượng tự nhiên. Dựa vào tính chất phản xạ sóng điện từ của đối tượng trên bề mặt trái đất mà kỹ thuật viễn thám có thể phân tích, so sánh và nhận diện chúng từ các thông tin phổ phản xạ… 1. Đặc điểm của ảnh vệ tinh Ảnh viễn thám đặc trưng bởi dữ liệu không gian với hai dạng cấu trúc là dạng raster và dạng vector: Cấu trúc dạng raster: Mô tả bề mặt Trái Đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới gồm các hàng và cột. Những phần tử nhỏ này được gọi là pixel.
Giá trị của pixel chính là thuộc tính của đối tượng, nghĩa là trên cùng một đơn vị diện tích mà số ô pixel càng nhiều thì đối tượng nhìn càng rõ càng chính xác và ngược lại.Một mặt phẳng chứa đầy các pixel thì tạo thành một raster.Cấu trúc dạng này thường được dùng để mô tả các đối tượng hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu dữ thông tin dạng ảnh.Thông thường có một số mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), Tin (Triangulated Irregular Network) cũng thuộc dạng raster. Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý và phân tích.Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép tính bản đồ dễ dàng.Tuy nhiên nó lại kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng.Khi độ phân giải càng thấp tức là kích thước ô pixel lớn thì sự sai lệch càng lớn. Cấu trúc vector: Mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng. Về mặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng dạng điểm (point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region hay polygon).
Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y. Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục. Vùng là khoảng không gian được LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau. Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao.
Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao).Cấu trúc này giúp cho người sử dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn.Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ. Ảnh viễn thám có một số đặc điểm nổi bật như sau: Tỷ lệ: Là tỷ số khoảng cách giữa hai điểm của một ảnh tương ứng với khoảng cách trên mặt đất của hai điểm đó. Tỷ lệ hình ảnh được xác định bởi các yếu tố như: Độ dài tiêu cự hiệu dụng của thiết bị viễn thám; độ cao mà từ đó hình ảnh được thu nhận; yếu tố phóng đại được sử dụng trong in phóng ảnh. Độ sáng và tone ảnh: Sự khác nhau về cường độ của bức xạ điện từ phát ra từ địa hình tạo nên sự khác nhau về độ sáng của hình ảnh, độ sáng của hình ảnh tỷ lệ với cường độ bức xạ phát ra từ các đối tượng.
Độ sáng: Đó là lượng ánh sáng tác động vào mắt của chủ thể mà có thể xác định được một cách tương đối. Để đo cường độ ánh sáng người ta thường dùng quang kế (photometro). Khi phân tích ảnh, để phân biệt độ sáng của ảnh có thể hiệu chỉnh bằng thang cấp độ xám, ảnh được phân ra các vùng có tông sáng, trung bình hay tối dựa vào thang độ xám. Tone ảnh: là tổng hợp lượng ánh sáng được phản xạ về mặt đối tượng, là dấu hiệu quan trọng để xác định đối tượng.
Độ phân giải không gian và năng lực phân giải: Độ phân giải được hiểu như là khả năng để phân biệt hai đối tượng ở liền nhau trong một bức ảnh, nói chính xác hơn là khoảng cách tối thiểu giữa các đối tượng mà có thể nhận biết và phân biệt được trên ảnh. Năng lực phân giải và độ phân giải không gian là hai khái niệm có sự liên hệ rất chặt chẽ. Khái niệm phân giải được áp dụng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 cho một hệ thống tạo ảnh hay một thành phần của hệ thống, trong khi đó độ phân giải không gian được áp dụng cho một ảnh được tạo ra bởi hệ thống đó. Độ phân giải: Đây là đặc điểm quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lượng ảnh, độ phân giải chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc điểm khu vực bay chụp, hệ thống chụp ảnh, độ cao bay chụp, tốc độ bay chụp, điều kiện khí quyển tại thời điểm chụp.
Giới thiệu chung các hệ thống vệ tinh và tư liệu viễn thám Viễn thám là một khoa 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 quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thế kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh.