ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học không gian vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến đƣợc áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nƣớc trên thế giới. Công nghệ viễn thám ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, lĩnh vực từ khí tƣợng, thủy văn, địa chất, môi trƣờng cho đến nông – lâm – ngƣ nghiệp, trong đ c ứng dụng ảnh viễn thám để thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất với độ chính xác khá cao, từ đ có thể giúp các nhà quản lý có thêm nguồn tƣ liệu để giám sát biến động sử dụng đất, quan sát sự thay đổi của thực vật trên bề mặt. Bản đồ lớp phủ mặt đất là tài liệu quan trọng và cần thiết cho công tác quản lý nhà nƣớc về đất,theo dõi diễn biến thực vật độ che phủ thảm thực vật, cần thiết cho việc quản lý, định hƣớng phát triển kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng. Việc lập bản đồlớp phủ mặt đất đã đƣợc các nhà nghiên cứu thành lập dựa trên các tƣ liệu ảnh vệ tinh khác nhau, đòi hỏi sự đầu tƣ lớn về thời gian, nhân lực, và kinh phí trong công tác thu thập, tổng hợp số liệu và đo vẽ bản đồ, thông tin trên bản đồ còn lạc hậu và tính chính xác chƣa cao.
Trong khi đ , việc thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất bằng phƣơng pháp giải đoán ảnh viễn thám(landsat 8) kết hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) đƣợc xem là có hiệu quả cao trong xử lý thông tin, giám sát quá trình thay đổi, giúp cập nhật thông tin và đánh giá biến động thực phủ mặt đất. Với những ƣu điểm nhƣ: chi phí rẻ, khả năng cập nhập thông tin dễ dàng, nhanh chóng, chính xác, diện tích vùng phủ rộng, tính chất đa thời kỳ của tƣ liệu, tính chất phong phú của thông tin đa phổ, có thể chụp ảnh những khu vực mà việc đi lại rất kh khăn nhƣ đầm lầy, núi cao, hải đảo,… sự kết hợp của thông tin viễn thám với công nghệ GIS áp dụng đƣợc đối với nhiều khu vực mà phƣơng pháp truyền thống không thể thực hiện đƣợc. Trƣớc yêu cầu đòi hỏi phải cập nhật thông tin một cách đầy đủ, nhanh chóng và chính xác nhất về các loại lớp phủ thực vật trên mặt đất, việc sử dụng tƣ liệu viễn thám(ảnh Landsat 8) kết hợp với công nghệ GIS để xử lý ảnh và thành lập bản đồ đã trở thành một phƣơng pháp c ý nghĩa thực tiễn và mang tính khoa học cao. Xuất phát từ thực tiễn đ ngƣời viết thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất tại xã Vân Hòa, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội” nhằm góp phần nâng cao những hiểu biết về công nghệ viễn thám và GIS trong việc thành lập bản đồ lớp phủ đồng thời phục vụ công tác quản lý giám sát tài nguyên.
1 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng Quan Về Viễn Thám Và Gis 1.1 Khái quát về viễn thám 1.1 Định nghĩa Viễn thám (Remote sensing) đƣợc hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tƣợng, một khu vực hoặc một hiện tƣợng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận bằng nghiên cứu. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, các phƣơng tiện. Những phƣơng pháp này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng, khu vực hoặc hiện tƣợng nhƣng mọi định nghĩa đều có nét chung nhấn mạnh “ viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tƣợng, hiện tƣợng trên trái đất’’.
Dƣới đây là định nghĩa về viễn thám theo quan niệm của nhiều tác giả khác nhau. + Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đ (Ficher và nnk, 1976). + Viễn thám là quan sát về một đối tƣợng bằng một phƣơng tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976). + Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tƣợng, đƣợc đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với n.
Năng lƣợng đƣợc đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lƣợng điện từ phát ra từ vật quan tâm. + Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nƣớc của trái đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu đƣợc 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 B. + Viễn thám là “ khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tƣợng, qua phân tích dữ liệu thu đƣợc bởi phƣơng 2 tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc các hiện tƣợng khi khảo sát”, ( Lillesand và Kiefer, 1986). Phƣơng pháp viễn thám là phƣơng pháp sử dụng năng lƣợng điện từ nhƣ ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn nhƣ một phƣơng tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tƣợng ( Floy Sabin 1987).
Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện từ và trọng lực vì những quan trắc đ thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trƣờng lực nhiều hơn là đo các bức xạ điện từ.Lịch sử phát triển Bảng 1. Tóm tắt sự phát triển của viễn thám qua các sự kiện Thờigian Sự kiện (Năm) 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ khinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự 12-4-1961 Liên xô ph ng tàu vũ trụ c ngƣời lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ. 1960-1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám 1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phƣơng pháp xử lý ảnh số 1980-1990 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat 1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo 1990 đến Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ nay phân giải bộ bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới.3 Nguyên lý cơ bản của viễn thám Hình 1.
Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám. Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lý ảnh viễn thám có thể chia thành 5 phần cơ bản nhƣ sau: + Nguồn cung cấp năng lƣợng. + Sự tƣơng tác của năng lƣợng với khí quyển + Sự tƣơng tác với các vật thể trên bề mặt đất + Chuyển đổi năng lƣợng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh + Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lí. Năng lƣợng của s ng điện từ khi lan truyền qua môi trƣờng khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ dƣới các hình thức khác nhau tuỳ thuộc vào từng bƣớc sóng cụ thể.
Trong viễn thám, ngƣời ta thƣờng quan tâm đến khả năng truyền s ng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tƣọng và cơ chế tƣơng tác giữa s ng điện từ với khí quyển sẽ c tác động mạnh đến thông tin do bộ cảm biến thu nhận đƣợc. Khí quyển c đặc điểm quan trọng đ là tƣong tác khác nhau đối với bức xạ điện từ c bƣớc s ng khác nhau. Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lƣợng cung cấp chủ yếu là do mặt trời và sự có mặt cũng nhƣ thay đổi các các phân tử nƣớc và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân gây chủ yếu gây nên sụ biến đổi năng lƣợng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lƣợng mặt tròi khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển đƣợc truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền s ng điện từ luôn bị khí quyển hấp thụ, tán xạ và khúc xạ trƣớc khi đến bộ cảm biến.
Các loại khí nhƣ oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn, hơinƣớc… và các phân tử lơ lửng trong khí 4 quyển là tác nhân chính ảnh hƣỏng đến sự suy giảm năng lƣọng s ng điện từ trong quá trình lan truyền. Để hiểu rõ cơ chế tƣơng tác giữa s ng điện từ và khí quyển và việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám, bảng 1-2 thể hiện đặc điểm cuả dải phổ điện từ thƣờng đƣợc sử dụng trong kỹ thuật viễn thám.2 Khái quát về GIS Hệ thông tin địa lý (Geographical Information System gọi tắt là GIS) là một hệ thống phần mềm, phần cứng máy tính, dữ liệu và con ngƣời để thực hiện, phân tích và biểu diễn thông tin bị ràng buộc bởi vị trí không gian. + Vị trí không gian: Thông thƣờng là vị trí các yếu tố địa lý. + Thông tin: Sự phân tích dữ liệu trực quan.
+ Hệ thống: Sự liên kết phần mềm, phần cứng, dữ liệu. + Con ngƣời: Sự tƣ duy của con ngƣời là chìa kh a để tạo nên sức mạnh của GIS. GIS là sự thống nhất của năm thành phần cơ bản nhƣ hình 1. Thành phần cơ bản của GIS 1.3 Giới thiệu về vệ tinh Landsat Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia (NASA) đƣợc sự hỗ trợ của Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chƣơng trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên trái đất ERTS (ERTS - Earth Resources Technology Satellite: Vệ tinh kỹ thuật thăm dò tài nguyên trái đất).
Vệ tinh ERTS-1 đƣợc phóng vào ngày 5 23/6/1972. Sau đ NASA đổi tên chƣơng trình ERTS thành Landsat, ERTS -1 đƣợc đổi tên thành Landsat 1. Vệ tinh Landsat bay qua xích đạo lúc 9h39 phút sáng. Cho đến nay, NASA đã ph ng đƣợc 7 vệ tinh trong hệ thống Landsat (bảng 1.2 Số vệ tinh NASA đã phóng Bộ cảm Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Landsat Landsat 1 23/6/1972 6/1/1978 MSS Landsat 2 2/1/1975 25/2/1982 MSS Landsat 3 5/3/1978 31/3/1983 MSS Landsat 4 6/7/1982 15/6/2001 TM, MSS Landsat 5 01/3/1984 Đang hoạt động TM, MSS Landsat 6 05/3/1993 Bị hỏng ngay khi phóng ETM Landsat 7 15/4/1999 Đang hoạt động ETM+ Landsat 8 11/02/2013 Đang hoạt động OLI và TIRs Tƣ liệu vệ tinh Landsat là tƣ liệu viễn thám đang đƣợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và Việt Nam.
Vệ tinh Landsat 8. Nguồn (http://ledaingoc.com/2014/10/anh-ve-tinh-landsat-8-phuc-vu- hien.