Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên có hạn về diện tích, là tư liệu sản xuất không thể thay thế trong nông nghiệp và là nền tảng không gian để phân bố các hoạt động kinh tế – xã hội. Dưới tác động của sự gia tăng dân số và quá trình đô thị hóa mạnh mẽ tại khu vực ngoại thành Hà Nội, cơ cấu sử dụng đất và hiện trạng lớp phủ bề mặt tại huyện Đông Anh biến đổi liên tục. Huyện Đông Anh có tổng diện tích tự nhiên 18.568,12 ha, gồm 23 xã và 01 thị trấn, giữ vai trò cửa ngõ giao thương phía Bắc của Thủ đô. Mặc dù công tác theo dõi hiện trạng lớp phủ mặt đất được thực hiện định kỳ, phương pháp thống kê truyền thống vẫn bộc lộ các hạn chế như tốn kém nhân lực, thời gian kéo dài và khó đáp ứng yêu cầu cung cấp thông tin không gian mang tính đồng thời ở tầm vĩ mô.
Việc ứng dụng công nghệ viễn thám (Remote Sensing - RS) kết hợp hệ thống thông tin địa lý (GIS) cho phép thu nhận dữ liệu đa phổ, đa thời gian, hỗ trợ các nhà quản lý cập nhật khách quan, kịp thời hiện trạng bề mặt phục vụ công tác quản lý và quy hoạch sử dụng đất. Xuất phát từ thực tiễn trên, tác giả Lê Ngọc Linh đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Quản lý đất đai tại Khoa Tài nguyên và Môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam (năm 2022) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đức Thuận với đề tài: "Nghiên cứu hiện trạng lớp phủ huyện Đông Anh – thành phố Hà Nội từ dữ liệu ảnh viễn thám".
Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể như sau:
-
Mục tiêu nghiên cứu: Sử dụng công nghệ viễn thám để nghiên cứu hiện trạng lớp phủ huyện Đông Anh – thành phố Hà Nội.
-
Yêu cầu nghiên cứu:
- Công tác điều tra thu thập số liệu phải đúng thực tế, đảm bảo trung thực và khách quan nhất.
- Kết quả đánh giá hiện trạng lớp phủ dựa theo dữ liệu ảnh vệ tinh phải đảm bảo đầy đủ, chính xác theo bề mặt lớp phủ.
-
Đối tượng nghiên cứu: Lớp phủ bề mặt trên địa bàn huyện Đông Anh năm 2022 bằng nguồn tư liệu ảnh vệ tinh Landsat thu nhận ngày 23/04/2022.
-
Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ quỹ đất thuộc phạm vi ranh giới hành chính của huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khóa luận tiếp cận nghiên cứu dựa trên định nghĩa về lớp phủ mặt đất (Land cover) của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO, 1998), xác định lớp phủ là lớp vật chất quan sát được trên bề mặt Trái Đất bao gồm thực vật tự nhiên, cây trồng, mặt nước, nền đất trống và các công trình nhân tạo do con người xây dựng. Về mặt phân loại học, nghiên cứu tham chiếu hai hệ thống phân loại tiêu chuẩn:
- Hệ thống phân loại của Anderson và cộng sự (1976): Cấu trúc phân cấp gồm Cấp 1 (Khu dân cư, Đất sản xuất nông nghiệp, Đất cây bụi, Đất rừng, Mặt nước, Đất ngập nước, Đất trống, Băng tuyết) và các phân lớp chi tiết ở Cấp 2.
- Hệ thống phân cấp của FAO (1998): Phân chia 14 nhóm mã lớp phủ từ bề mặt nhân tạo, cây trồng thân cỏ, cây trồng thân gỗ, đồng cỏ, rừng ngập mặn cho đến vùng nước nội địa và đất trống cằn cỗi.
Khung lý thuyết về viễn thám dựa trên nguyên lý thu nhận bức xạ điện từ phản xạ hoặc phát xạ từ các đối tượng mặt đất về bộ cảm biến (sensor) đặt trên vệ tinh quỹ đạo. Nghiên cứu tổng quan các hệ thống vệ tinh quan sát Trái Đất phổ biến như Landsat (bộ cảm MSS, TM, ETM+, OLI/TIRS trên Landsat 8 và OLI-2/TIRS-2 trên Landsat 9), Sentinel (Sentinel-1, Sentinel-2 mang bộ cảm MSI với 13 kênh phổ, Sentinel-3), SPOT (SPOT 1 đến SPOT 7) và IKONOS.
| Hệ thống vệ tinh |
Bộ cảm biến tiêu biểu |
Độ phân giải không gian |
Số kênh phổ chính |
| Landsat 8 / 9 |
OLI, TIRS / OLI-2, TIRS-2 |
15 m (toàn sắc), 30 m (đa phổ), 100 m (nhiệt) |
11 kênh phổ |
| Sentinel-2 |
MSI (MultiSpectral Instrument) |
10 m, 20 m, 60 m |
13 kênh phổ |
| SPOT 5 |
HRV / HRG |
2,5 m - 5 m (toàn sắc), 10 m (đa phổ) |
4 kênh phổ |
| IKONOS-2 |
Optical Sensor |
1 m (toàn sắc), 4 m (đa phổ) |
4 kênh phổ |
Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua các quy trình kỹ thuật:
- Phương pháp thu thập dữ liệu: Thu thập ảnh vệ tinh Landsat 8 chụp ngày 23/04/2022; bản đồ hiện trạng sử dụng đất và số liệu kiểm kê đất đai năm 2021; tài liệu điều kiện tự nhiên, kinh tế – xã hội của huyện Đông Anh.
- Phương pháp điều tra thực địa: Sử dụng máy định vị vệ tinh GPS cầm tay để đo đạc và thu thập 210 điểm mẫu thực địa phân bố trên các dạng lớp phủ.
- Phương pháp xử lý tư liệu ảnh: Sử dụng phần mềm ENVI để thực hiện cộng gộp các kênh phổ đơn thành tệp dữ liệu đa phổ (Layer Stacking), tăng cường chất lượng hiển thị ảnh, hiệu chỉnh hình học đưa về hệ tọa độ chuẩn (WGS 84 / UTM Zone 48N) và cắt ảnh theo ranh giới hành chính huyện Đông Anh.
- Phương pháp giải đoán và phân loại ảnh số: Lựa chọn ngẫu nhiên 160 điểm khảo sát thực địa để xây dựng khóa giải đoán và khoanh vùng các tệp mẫu huấn luyện (ROI). Đánh giá độ phân tách mẫu bằng công cụ đồ thị phổ (Display Mean Plot) và không gian đặc trưng (Feature Space Layers), tiến hành gộp mẫu qua 2 lần. Áp dụng thuật toán phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại (Maximum Likelihood Classification), sau đó thực hiện lọc nhiễu và gộp lớp.
- Phương pháp đánh giá độ chính xác: Sử dụng 50 điểm khảo sát thực địa độc lập còn lại làm tập dữ liệu tham chiếu để thiết lập ma trận sai số (Confusion Matrix). Độ chính xác toàn cục ($T$) và chỉ số thống kê Kappa ($\kappa$) được tính toán theo công thức của John R. Jensen (1996):
$$T = \frac{\sum_{i=1}^{k} O_{ii}}{n} \times 100%$$
$$\kappa = \frac{T - E}{1 - E}$$
Trong đó: $n$ là tổng số pixel kiểm chứng, $O_{ii}$ là giá trị chính xác tại đường chéo ma trận, $E$ là kỳ vọng toán học của việc phân loại ngẫu nhiên.
| Giá trị chỉ số Kappa ($\kappa$) |
Mức độ tin cậy |
| $0,0 < \kappa < 0,2$ |
Độ tin cậy kém |
| $0,2 \le \kappa < 0,4$ |
Độ tin cậy trung bình - kém |
| $0,4 \le \kappa < 0,6$ |
Độ tin cậy trung bình |
| $0,6 \le \kappa < 0,8$ |
Độ tin cậy tốt |
| $0,8 \le \kappa < 1,0$ |
Độ tin cậy rất tốt |
| $\kappa = 1,0$ |
Độ tin cậy tuyệt đối |
- Phương pháp biên tập bản đồ: Chuyển đổi dữ liệu ảnh phân loại từ định dạng Raster sang dữ liệu Vector trong ENVI, xuất sang cấu trúc Shapefile để biên tập, trình bày bản đồ hiện trạng lớp phủ trên phần mềm ArcGIS.
- Phương pháp phân tích thống kê: Xử lý, tổng hợp số liệu diện tích các khoanh lớp phủ chiết tách được từ kết quả giải đoán.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về lớp phủ mặt đất, mục đích và yêu cầu của bản đồ lớp phủ trong quản lý nhà nước về đất đai. Tác giả phân tích chi tiết hai hệ thống phân loại lớp phủ chuẩn mực của Anderson et al. (1976) và FAO (1998). Đồng thời, chương này trình bày bức tranh toàn diện về công nghệ viễn thám quang học và viễn thám radar: bản chất tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển và địa vật; cấu trúc phần cứng, phần mềm, dữ liệu, nhân lực và thể chế của hệ thống thông tin địa lý (GIS).
Tác giả so sánh chi tiết ưu điểm và nhược điểm giữa hai phương pháp giải đoán ảnh viễn thám: giải đoán bằng mắt dựa vào các dấu hiệu trực tiếp (hình dáng, màu sắc, kích thước, cấu trúc), gián tiếp và tổng hợp; giải đoán bằng xử lý số với ưu thế về tốc độ xử lý định lượng và khả năng tự động hóa nhưng đòi hỏi thuật toán và dữ liệu mẫu đại diện cao. Bên cạnh đó, chương 1 tổng quan các nghiên cứu ứng dụng viễn thám - GIS trên thế giới (Hy Lạp, Iran) và tại Việt Nam trong theo dõi xói mòn lưu vực, giám sát dung tích hồ chứa Kẻ Gỗ, lập bản đồ nhạy cảm môi trường tràn dầu Bình Định, quản lý tài nguyên rừng tại Đồng Nai và giám sát biến động môi trường khai thác than tại Quảng Ninh.
Chương 2: Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 xác định cụ thể phạm vi không gian nghiên cứu trên toàn bộ 18.568,12 ha diện tích huyện Đông Anh và phạm vi thời gian dựa trên ảnh Landsat 8 ngày 23/04/2022. Tác giả xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ gồm các bước tuần tự: thu thập dữ liệu đa nguồn $\rightarrow$ tiền xử lý ảnh (cộng gộp kênh, hiệu chỉnh hình học, cắt ranh giới) $\rightarrow$ khảo sát 210 điểm thực địa bằng GPS $\rightarrow$ xây dựng khóa giải đoán và tạo tệp mẫu $\rightarrow$ kiểm tra độ phân tách mẫu $\rightarrow$ phân loại Maximum Likelihood $\rightarrow$ lọc nhiễu $\rightarrow$ đánh giá độ chính xác qua ma trận sai số $\rightarrow$ chuyển đổi Raster sang Vector $\rightarrow$ biên tập bản đồ trên ArcGIS và thống kê diện tích.
Chương này mô tả chi tiết phương pháp phân chia ngẫu nhiên 210 điểm điều tra thực địa: 160 điểm phục vụ chọn vùng mẫu huấn luyện và 50 điểm độc lập dùng làm dữ liệu kiểm chứng tính toán chỉ số Kappa. Khung toán học của ma trận sai số, công thức tính độ chính xác toàn cục và tiêu chuẩn 6 mức đánh giá của chỉ số Kappa được thiết lập làm cơ sở kiểm định kết quả.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 trình bày các kết quả phân tích về điều kiện tự nhiên, môi trường, kinh tế – xã hội và thực nghiệm phân loại lớp phủ tại địa bàn nghiên cứu:
- Điều kiện tự nhiên và địa hình: Đông Anh nằm ở phía Đông Bắc Hà Nội, có địa hình thoải dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam; cao nhất 13,7 m (đồi gò Chùa, xã Bắc Hồng), thấp nhất 4,3 m (đồng Phong Châu, xã Liên Hà), độ cao trung bình 8 m. Tỷ lệ đất cao chiếm 13,4%, đất vàn chiếm 56,2% và đất trũng chiếm 30,4% diện tích.
- Khí hậu và thủy văn: Khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, nhiệt độ trung bình năm 25°C (cao nhất 40°C, thấp nhất 2,7°C). Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 chiếm 85% tổng lượng mưa cả năm. Hệ thống thủy văn bao gồm sông Hồng (đoạn qua huyện dài 16 km, lưu lượng $2.309\text{ m}^3\text{/s}$), sông Đuống (dài 5 km, lưu lượng $3.027\text{ m}^3\text{/s}$), sông Cà Lồ (dài 9 km), sông Thiếp và đầm Vân Trì (diện tích 130 ha, mực nước sâu trung bình 6 m). Nước ngầm có trữ lượng lớn ở độ sâu 94 m, hàm lượng sắt từ 7 - 11 mg/lít.
- Đặc điểm tài nguyên đất đai: Theo tài liệu thổ nhưỡng, đất huyện Đông Anh được chia thành 8 loại đất chính:
| STT |
Loại đất thổ nhưỡng |
Ký hiệu |
Diện tích (ha) |
Tỷ lệ cơ cấu (%) |
| 1 |
Đất xám bạc màu |
B |
3.261,33 |
30,63 |
| 2 |
Đất phù sa sông Hồng không được bồi hàng năm, có tầng loang lổ |
Ph l |
1.849,92 |
17,38 |
| 3 |
Đất phù sa sông Hồng không được bồi hàng năm, không glây, không loang lổ |
Ph |
1.774,07 |
16,66 |
| 4 |
Đất phù sa sông Hồng không được bồi hàng năm có tầng glây |
Ph g |
1.351,22 |
12,69 |
| 5 |
Đất phù sa sông Hồng được bồi đắp hàng năm |
Phb |
956,07 |
8,98 |
| 6 |
Đất phù sa sông Hồng không được bồi hàng năm, úng nước |
Ph n |
594,00 |
5,58 |
| 7 |
Đất phù sa sông Hồng ít được bồi đắp hàng năm |
Ph ib |
477,22 |
4,48 |
| 8 |
Đất nâu vàng phát triển trên nền phù sa cổ |
F |
382,88 |
3,60 |
- Kết quả xử lý và phân loại ảnh viễn thám: Tác giả tiến hành xếp chồng các kênh phổ ảnh Landsat 8 (23/04/2022), nắn chỉnh hình học và cắt theo ranh giới huyện. Khóa giải đoán được xây dựng kết hợp dữ liệu GPS. Tệp mẫu được chọn lọc và kiểm tra độ phân tách qua công cụ Display Mean Plot, trải qua 2 lần gộp mẫu nhằm loại bỏ hiện tượng chồng lấn phổ giữa các đối tượng. Phép phân loại xác suất cực đại (Maximum Likelihood) kết hợp bộ lọc sau phân loại đã tách chiết thành công các lớp phủ mặt đất chính.
- Đánh giá độ chính xác và thành lập bản đồ: Sử dụng 50 điểm thực địa kiểm chứng, kết quả đánh giá ma trận sai số cho thấy độ chính xác toàn cục và chỉ số Kappa đạt ngưỡng tin cậy cao. Dữ liệu phân loại được chuyển sang định dạng vector Shapefile và hoàn thiện bản đồ hiện trạng lớp phủ huyện Đông Anh thời điểm ngày 23/04/2022 trên nền tảng ArcGIS, kèm bảng thống kê diện tích chi tiết các loại hình lớp phủ.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã hoàn thành các nội dung chuyên môn và đạt được những kết quả cụ thể:
- Tổng hợp và số liệu hóa toàn diện các yếu tố điều kiện tự nhiên, tài nguyên thổ nhưỡng (8 nhóm đất với diện tích chi tiết), mạng lưới thủy văn và hiện trạng kinh tế – xã hội của huyện Đông Anh.
- Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ tích hợp viễn thám và GIS trong phân loại lớp phủ bề mặt cấp huyện bằng nguồn tư liệu ảnh vệ tinh quang học miễn phí Landsat 8 (độ phân giải 30 m).
- Ứng dụng thành công thuật toán Maximum Likelihood kết hợp 210 điểm điều tra GPS thực địa (160 điểm huấn luyện mẫu, 50 điểm kiểm định độc lập), giải quyết hiện tượng nhầm lẫn phổ qua quy trình đánh giá và gộp mẫu 2 lần.
- Thành lập được bản đồ hiện trạng lớp phủ huyện Đông Anh tại thời điểm ngày 23/04/2022 đạt tiêu chuẩn kỹ thuật bản đồ chuyên đề và xuất số liệu diện tích các loại hình lớp phủ phục vụ công tác quản trị dữ liệu đất đai.
- Đóng góp giải pháp công nghệ giúp các cơ quan quản lý tài nguyên địa phương rút ngắn thời gian điều tra, giảm kinh phí ngân sách so với phương pháp đo vẽ thủ công truyền thống, đồng thời nâng cao tính khách quan trong công tác kiểm kê và giám sát biến động sử dụng đất định kỳ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận chỉ ra một số hạn chế gắn liền với phạm vi và điều kiện thực hiện đề tài:
- Hạn chế: Dữ liệu nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 với độ phân giải không gian 30 m, mức độ chi tiết quang phổ chỉ cho phép phân loại ở cấp độ vĩ mô, khó tách bạch các khoanh đất có diện tích nhỏ, manh mún hoặc các đối tượng nhân tạo xen kẹt trong khu dân cư nông thôn. Kết quả phân loại phản ánh hiện trạng tại một thời điểm duy nhất (ngày 23/04/2022), chưa phản ánh được sự biến động theo mùa của thảm thực vật nông nghiệp. Năng lực và kinh nghiệm thực tế của sinh viên thực tập còn hạn chế trong việc nhận diện một số đối tượng chuyển tiếp phức tạp ngoài thực địa.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng ứng dụng các nguồn tư liệu ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian và phổ cao hơn (như Sentinel-2 độ phân giải 10 m, ảnh SPOT hoặc ảnh viễn thám siêu cao độ phân giải); thực hiện giải đoán ảnh đa thời gian (multi-temporal) theo chuỗi các năm để xây dựng bản đồ biến động lớp phủ; thử nghiệm kết hợp các thuật toán học máy hiện đại (Random Forest, Support Vector Machine) nhằm tối ưu hóa độ chính xác giải đoán.
Giá trị tham khảo
Bản khóa luận có giá trị tham khảo thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành Quản lý đất đai, Khoa học Môi trường, Địa lý, Địa tin học: Nguồn tài liệu tham khảo về quy trình xử lý ảnh số bằng phần mềm ENVI, kỹ thuật kết nối dữ liệu giữa ENVI và ArcGIS, phương pháp điều tra thực địa kết hợp GPS và quy trình kiểm định độ chính xác phân loại bằng ma trận sai số cùng hệ số Kappa.
- Cán bộ kỹ thuật và cơ quan quản lý tài nguyên môi trường cấp huyện/thị xã: Cung cấp cơ sở dữ liệu nền về điều kiện tự nhiên, 8 loại đất thổ nhưỡng và hệ thống thủy văn huyện Đông Anh; đồng thời là mô hình tham khảo để triển khai công tác giám sát hiện trạng lớp phủ bề mặt phục vụ lập quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất.
Câu hỏi thường gặp
1. Khóa luận sử dụng nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh nào và thu nhận vào thời điểm nào?
Nghiên cứu sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 chụp ngày 23/04/2022 để giải đoán và xác định hiện trạng lớp phủ huyện Đông Anh.
2. Số lượng điểm điều tra thực địa bằng GPS là bao nhiêu và được phân bổ ra sao trong quy trình nghiên cứu?
Tác giả đã thu thập tổng cộng 210 điểm điều tra thực địa bằng thiết bị GPS cầm tay; trong đó 160 điểm được chọn ngẫu nhiên để xây dựng tệp mẫu huấn luyện (ROI) phục vụ phân loại ảnh, và 50 điểm ngẫu nhiên còn lại được dùng làm tập dữ liệu tham chiếu độc lập để đánh giá độ chính xác sau phân loại.
3. Theo phân loại thổ nhưỡng trong tài liệu, loại đất nào chiếm diện tích lớn nhất tại huyện Đông Anh?
Đất xám bạc màu (ký hiệu B) chiếm diện tích lớn nhất với 3.261,33 ha, tương đương 30,63% tổng diện tích các loại đất của huyện, phân bố chủ yếu tại các xã Nam Hồng, Bắc Hồng, Nguyên Khê, Vân Nội, Uy Nỗ, Tiên Dương, Xuân Nộn, Cổ Loa và Xuân Canh.
4. Thuật toán phân loại ảnh số nào được lựa chọn áp dụng trong đề tài?
Tác giả áp dụng phương pháp phân loại có kiểm định theo thuật toán xác suất cực đại (Maximum Likelihood Classification) sau khi đã kiểm tra độ phân tách mẫu qua công cụ Display Mean Plot và Feature Space Layers trên phần mềm ENVI.
5. Độ chính xác của kết quả giải đoán ảnh viễn thám được kiểm định bằng những chỉ số toán học nào?
Độ chính xác được đánh giá thông qua ma trận sai số (Confusion Matrix) dựa trên 50 điểm kiểm chứng thực địa, tính toán hai chỉ số định lượng là Độ chính xác toàn cục ($T$) và Chỉ số thống kê Kappa ($\kappa$) theo phương pháp của John R. Jensen (1996).
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Ngọc Linh đã thực hiện thành công việc ứng dụng tích hợp công nghệ viễn thám và GIS để nghiên cứu hiện trạng lớp phủ huyện Đông Anh từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 23/04/2022. Đề tài đã hoàn thành quy trình phân loại ảnh số có kiểm định bằng thuật toán Maximum Likelihood, kết hợp 210 điểm định vị GPS thực địa để huấn luyện mẫu và kiểm chứng độ chính xác ma trận sai số qua chỉ số Kappa. Kết quả nghiên cứu cung cấp bức tranh chi tiết về điều kiện tự nhiên, 8 loại đất thổ nhưỡng và hiện trạng phân bố lớp phủ bề mặt của địa phương, khẳng định tính hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp địa tin học trong công tác quản lý đất đai cấp huyện.
