Ứng dụng Viễn thám và GIS đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị Quận Cầu Giấy

Luận văn nghiên cứu hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy bằng công nghệ viễn thám và GIS. Phân tích dữ liệu, thành lập bản đồ và đề xuất giải pháp.

• Tác giả: Nguyen Tinh Thuy An
• Người hướng dẫn: Pgs. Ts Nguyen Ngoc Thach
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý
• Đề tài: Ứng dụng Viễn thám và GIS nghiên cứu và đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái quát về ứng dụng Viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây xanh đô thị

Viễn thám và Hệ thông tin địa lý (GIS) là những công nghệ tiên tiến đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quản lý môi trường và phát triển đô thị. Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Tịnh Thủy An từ Đại học Quốc gia Hà Nội đã sử dụng những công nghệ này để nghiên cứu và đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội. Việc áp dụng viễn thám và GIS giúp thu thập, phân tích dữ liệu không gian một cách hiệu quả, từ đó đưa ra những kết luận khoa học về tình trạng cây xanh tại khu vực đô thị này. Đây là một hướng tiếp cận hiện đại, cho phép theo dõi và quản lý tài nguyên xanh một cách toàn diện và chính xác hơn so với phương pháp truyền thống.

1.1. Khái niệm về viễn thám và hệ thông tin địa lý

Viễn thám là kỹ thuật thu thập dữ liệu từ xa thông qua các ảnh vệ tinh, cho phép quan sát bề mặt Trái Đất mà không cần tiếp xúc trực tiếp. GIS (Hệ thông tin địa lý) là công cụ xử lý, quản lý và phân tích dữ liệu không gian. Kết hợp hai công nghệ này, các nhà khoa học có thể chiết xuất thông tin chi tiết về phân bố cây xanh, đánh giá chất lượng và theo dõi sự thay đổi qua thời gian một cách hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu cây xanh đô thị

Cây xanh đô thị đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng môi trường, điều hòa nhiệt độ và tăng chất lượng cuộc sống cho cộng đồng thành phố. Việc đánh giá hiện trạng cây xanh quận Cầu Giấy giúp cơ quan quản lý có cơ sở khoa học để lập kế hoạch phát triển cây xanh bền vững và phù hợp với nhu cầu phát triển đô thị.

II. Phương pháp nghiên cứu và dữ liệu ảnh vệ tinh

Luận văn sử dụng quy trình nghiên cứu khoa học được thiết kế để chiết xuất thông tin cây xanh từ ảnh vệ tinh. Dữ liệu chính được sử dụng bao gồm ảnh Sentinel-2A và Landsat 8, những nguồn dữ liệu đáng tin cậy trong nghiên cứu viễn thám. Quá trình phân tích được thực hiện trên các phần mềm chuyên dụng như eCognition và ArcGIS. Những chỉ số thực vật phổ biến như NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) được tính toán để xác định các khu vực có cây xanh. Kết quả cuối cùng là bản đồ hiện trạng cây xanh chi tiết, thể hiện phân bố không gian và biến động khu vực cây xanh giai đoạn 2013-2016 tại quận Cầu Giấy.

2.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh và công cụ xử lý

Ảnh Sentinel-2A và Landsat 8 cung cấp độ phân giải cao, cho phép phát hiện chi tiết các khu vực cây xanh. Phần mềm eCognition được sử dụng cho phân mảnh ảnh và phân loại định hướng đối tượng, trong khi ArcGIS giúp tạo lập bản đồ và thực hiện phân tích thống kê không gian về cây xanh đô thị.

2.2. Các chỉ số thực vật trong phân loại ảnh

Chỉ số NDVI được sử dụng để xác định mức độ xanh tươi của thực vật, giúp phân biệt cây xanh khỏi các đối tượng khác. Các chỉ số khác như CIRed edge cũng được áp dụng để nâng cao độ chính xác trong phân loại ảnh và chiết xuất thông tin cây xanh.

III. Kết quả đánh giá hiện trạng cây xanh quận Cầu Giấy

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiện trạng cây xanh quận Cầu Giấy có những đặc điểm nổi bật cần được chú ý. Luận văn đã thành lập bản đồ hiện trạng cây xanh năm 2016 và bản đồ biến động khu vực cây xanh trong giai đoạn 2013-2016. Những dữ liệu thống kê chi tiết đã được phân loại theo đặc điểm thực vật, vị trí và chức năng của mảng xanh. Kết quả cũng cho thấy mức độ đáp ứng tiêu chuẩn cây xanh đô thị tại quận. Các số liệu này là cơ sở khoa học quan trọng để đánh giá độ ổn định của hệ thống cây xanh hiện tại và xác định những khu vực cần được tăng cường cây xanh.

3.1. Phân bố không gian cây xanh theo chức năng

Cây xanh công cộng bao gồm cây trồng trên đường phố, trong công viên và các khu vực mở công cộng. Cây xanh hạn chế và chuyên dụng được trồng tại các khu vực có chức năng đặc biệt. Thống kê theo vị trí và chức năng mảng xanh giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống cây xanh đô thị quận Cầu Giấy.

3.2. Biến động cây xanh giai đoạn 2013 2016

Bản đồ biến động khu vực cây xanh cho thấy những thay đổi về diện tích cây xanh trong ba năm. Một số khu vực có sự tăng diện tích do các dự án trồng cây, nhưng cũng có những khu vực giảm do phát triển đô thị. Những biến động này cần được theo dõi và đánh giá để đảm bảo tính bền vững của cây xanh đô thị.

IV. Kiến nghị phát triển cây xanh bền vững tại Cầu Giấy

Dựa trên kết quả đánh giá hiện trạng cây xanh, luận văn đề xuất những phương án làm tăng diện tích và chất lượng cây xanh tại quận Cầu Giấy. Các kiến nghị này bao gồm việc xác định những khu vực trống có tiềm năng để trồng thêm cây xanh, lựa chọn loài cây phù hợp với điều kiện khí hậu và môi trường đô thị. Việc sử dụng công nghệ viễn thám và GIS cho phép các chuyên gia lập kế hoạch phát triển cây xanh một cách khoa học và hiệu quả. Những phương án đề xuất cũng tính đến nhu cầu cân bằng giữa phát triển đô thị và bảo vệ môi trường xanh. Với sự hỗ trợ của công nghệ này, quận Cầu Giấy có thể xây dựng một hệ thống cây xanh đô thị hiện đại, bền vững và đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế.

4.1. Xác định khu vực ưu tiên trồng thêm cây xanh

Bằng cách phân tích bản đồ hiện trạng cây xanh và dữ liệu không gian, các nhà nghiên cứu có thể xác định những khu vực có mật độ cây xanh thấp nhưng có điều kiện thuận lợi để phát triển. Quận Cầu Giấy nên ưu tiên các khu vực có mật độ dân cư cao, các trường học, bệnh viện để tăng cây xanh nhằm cải thiện chất lượng môi trường sống.

4.2. Lựa chọn loài cây phù hợp và quản lý bền vững

Lựa chọn loài cây xanh phù hợp với điều kiện khí hậu Hà Nội, chịu được ô nhiễm không khí đô thị là rất quan trọng. Việc đánh giá thường xuyên bằng viễn thám và GIS giúp theo dõi sức khỏe cây, phát hiện sớm các vấn đề và đảm bảo hệ thống cây xanh đô thị phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây xanh đô thị Chương 2: Cơ sở khoa học của ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây xanh đô thị. Chương 3: Đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy, Hà Nội. CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU CÂY XANH ĐÔ THỊ 1. Khái quát về viễn thám và hệ thông tin địa lý 1.

Viễn thám 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 [4]. 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. 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 gọi là bộ cảm. Thiết bị để đưa bộ cảm vào vũ trụ gọi là vật mang. Máy bay và vệ tinh là những vật mang thông dụng trong kỹ thuật 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. Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO2, 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. Ở những vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ truyền tới được bộ cảm một cách đầy đủ nhất.

Các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải sóng 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, tùy thuộc vào độ phân giải trong 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 từ bằng các cách khác nhau và các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Đặc trưng này sẽ 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 nhiều về đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu để giải đoán đối tượng. Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng Đối với các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi bộ cảm vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và dải cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt, các bức xạ được thu nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy 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- 0,4µm), sóng ánh sáng nhìn thấy (0,4- 0,7µm), dải sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt. Các bước sóng gần đây được sử dụng trong phân loại thạch học.

Sóng hồng ngoại nhiệt được sử dụng trong đo nhiệt, sóng micromet được sử dụng trong kỹ thuật radar. Lớp phủ thực vật là đối tượng được quan tâm nhiều bởi chiếm đa số diện tích bề mặt tự nhiên. Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo chiều dài bước sóng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin và một số sắc tố khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là: sắc tố, cấu trúc tế bào, thành phần nước. Năng lượng mặt trời khi chiếu xuống Trái Đất thì lá cây hấp thụ khoảng 85% ánh sáng nhìn thấy, phản xạ 10%, cho đi qua lá 5%. Lá cây hấp thụ mạnh ở khoảng phổ hẹp (0,4 - 0,47 µm) khoảng phổ tím, chàm - tím và ( 0,59 - 0,68 µm) khoảng phổ da cam, đỏ - da cam, đỏ. Cực đại của sự hấp thụ tại 0,43µm và 0,62µm.

Đường cong phản xạ phổ của thực vật Trên đồ thị hình 1.3 nhận thấy khả năng phản xạ phổ của thực vật ở vùng bước sóng nhìn thấy và bước sóng hồng ngoại là thấp hơn nhiều so với khả năng phản xạ phổ của thực vật ở vùng bước sóng cận hồng ngoại. Ở vùng phổ hồng ngoại sự ảnh hưởng của thành phần nước tới khả năng phản xạ phổ thể hiện rõ rệt nhất khi thành phần nước hấp thụ đáng kể năng lượng mặt trời. Hàm lượng nước trong lá cây giảm đi thì khả năng phản xạ phổ của thực vật cũng tăng mạnh. Tuy nhiên, khả năng phản xạ phổ của mỗi loại thực vật là khác nhau và đặc tính chung nhất về khả năng phản xạ phổ của thực vật là: Ở vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại khả năng phản xạ phổ có sự khác biệt rõ rệt.

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy phần lớn ánh sáng bị hấp thụ bởi sắc tố trong tế bào (Clorophin) có trong lá cây, một phần nhỏ thấu quang qua lá còn lại là phản xạ. Ở vùng cận hồng ngoại cấu trúc lá ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá cây, ở đây khả năng phản xạ phổ tăng lên rõ rệt. Ở vùng hồng ngoại, nhân tố ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của lá là hàm lượng nước, khi độ ẩm trong lá cao thì năng lượng hấp thụ là cực đại. Hệ thông tin địa lý Hệ thông tin địa lý - HTTĐL (Geographic Information System – GIS) là một tổ chức tổng thể của các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Tư liệu địa lý, Người điều hành…được thiết kế hoạt động một cách hiệu quả nhằm tiếp nhận lưu trữ, điều kiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý.

HTTĐL có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý (Viện nghiên cứu môi trường Mỹ 1994-ESRI ). - G: Geographic: dữ liệu không gian thể hiện vị trí, hình dạng (điểm, đường, vùng). - I : Information: thuộc tính, không thể hiện vị trí (như mô tả bằng văn bản, số, tên.) - S: System: sự liên kết bên trong giữa các thành phần khác nhau (phần cứng, phần mềm,…) Quan niệm mới nhất (2000): GIS bao gồm 6 hợp phần - Phần cứng - Phần mềm - Mạng - Cơ sở dữ liệu (chiếm 80% giá trị của một hệ thống GIS) - Người điều hành - Quy trình nghiên cứu Một hệ thống được gọi là GIS nếu nó có các công cụ hỗ trợ cho việc thao tác với dữ liệu không gian - Cơ sở dữ liệu GIS là sự tổng hợp có cấu trúc các dữ liệu số hóa không gian và phi không gian về các đối tượng bản đồ, mối liên hệ giữa các đối tượng không gian và các tính chất của một vùng của đối tượng [3]. Phần cứng Phần cứng hệ thống thông tin địa lý bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị nhập, xuất, lưu trữ dữ liệu.

Trong đó hệ thống máy tính có thể chỉ gồm 1 máy tính hoặc mạng máy tính gồm nhiều máy kết hợp lại với nhau. Các thiết bị nhập, xuất, lưu trữ dữ liệu như scanner, máy in, máy ghi đĩa, các loại ổ cứng, đĩa quang,. Tùy theo quy mô và tầm quan trọng của hệ thống mà việc đầu tư vào phần cứng sẽ được cân nhắc. Phần mềm Phần mềm hệ thông tin địa lý bao gồm hệ điều hành hệ thống, phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu, phần mềm hiển thị đồ hoạ… Phần mềm trong GIS bảo đảm đủ 4 chức năng nhập, lưu trữ, phân tích và xử lý, hiển thị dữ liệu không gian hoặc phi không gian.

Phần mềm phải đảm bảo việc nâng cấp khi cần thiết, liên kết với các DBMS khác. Nhưng không phải lúc nào dữ liệu của chúng và các DBMS cũng tương thích với nhau do đó phải có thêm những phần mềm chuyển đổi format dữ liệu. Thông thường dựa trên mục tiêu xây dựng cơ sở dữ liệu người ta lựa chọn các giải pháp cho phần cứng và phần mềm hệ thống thông tin địa lý. Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu là các thông tin được lưu dưới dạng số theo một khuôn dạng nào đó mà máy tính có thể hiểu và đọc được.

Dữ liệu thông tin được định vị địa lý là chìa khóa của sự khác nhau giữa GIS và các hệ thông tin khác. GIS lưu thông tin về thế giới như 1 tập các lớp theo chủ đề được liên kết với nhau bởi địa lý. Cách này tuy đơn giản nhưng rất linh hoạt và rất mạnh được chứng minh là vô giá trong việc giải quyết các vấn đề của thế giới thực từ việc theo vết lưu chuyển xe cộ, lưu chi tiết của ứng dụng quy hoạch, đến việc mô hình sự tuần hoàn của khí quyển. Cách tiếp cận những lớp (layer) cho phép chúng ta tổ chức thế giới phức tạp thành dạng đơn giản hơn, giúp chúng ta dễ dàng hiểu mối quan hệ giữa các thành phần tự nhiên.

i) Các kiểu dữ liệu Kiểu dữ liệu cơ bản trong GIS phản ảnh dữ liệu truyền thống xuất hiện trên bản đồ. GIS sử dụng 2 dạng cơ bản của dữ liệu. Dữ liệu không gian: mô tả vị trí tương đối và tuyệt đối của 1 đặc tính địa lý. Dữ liệu phi không gian (thuộc tính): mô tả các thông tin về đặc tính của các hình ảnh bản đồ.

Chúng được liên kết với các hình ảnh không gian thông qua các chỉ số xác định chung, thông thường gọi là mã địa lý (GeoCode) được lưu trữ trong cả hai bản ghi không gian và phi không gian. Số liệu thuộc tính phi không gian bao gồm các định tính và số liệu hình ảnh, điểm, đường, vùng hoặc mạng lưới lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu.