Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lớp phủ mặt đất bao gồm toàn bộ các thành phần vật chất tự nhiên và nhân tạo hiện diện trên bề mặt Trái Đất, từ thảm thực vật, thổ nhưỡng, mặt nước đến các công trình xây dựng kinh tế – xã hội do con người kiến tạo. Trải qua thời gian, lớp phủ mặt đất luôn chịu sự biến đổi sâu sắc, đặc biệt dưới áp lực của các hoạt động nhân sinh và tiến trình đô thị hóa. Bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất là nguồn cơ sở dữ liệu quan trọng, hỗ trợ các nhà quản lý và quy hoạch theo dõi tổng quan biến động bề mặt địa hình qua từng giai đoạn phát triển.

Tại huyện Lương Tài (tỉnh Bắc Ninh), đơn vị hành chính gồm 13 xã và 01 thị trấn (thị trấn Thứa) với tổng diện tích tự nhiên là 10.566,57 ha và quy mô dân số 104 nghìn người. Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng tại địa phương đã thúc đẩy sự chuyển dịch mạnh mẽ của bề mặt lớp phủ, diện tích thảm thực vật dần được chuyển đổi sang đất xây dựng công trình thương mại, cụm công nghiệp và khu dân cư. Quá trình này đồng thời kéo theo các tác động tiêu cực về môi trường như hiện tượng gia tăng nhiệt độ bề mặt đô thị và ô nhiễm môi trường. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) cho phép quan sát, định vị và cập nhật nhanh chóng hiện trạng lớp phủ với tính đồng nhất cao về thời gian, tiết kiệm kinh phí so với phương pháp đo vẽ thực địa truyền thống.

Khóa luận xác định mục tiêu và các yêu cầu nghiên cứu cụ thể:

  • Mục tiêu nghiên cứu: Sử dụng công nghệ viễn thám để nghiên cứu hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Lương Tài, tỉnh Bắc Ninh từ dữ liệu ảnh vệ tinh.
  • Yêu cầu nghiên cứu:
    1. Công tác điều tra, thu thập số liệu phải phản ánh đúng thực tế, bảo đảm tính trung thực và khách quan.
    2. Kết quả đánh giá hiện trạng lớp phủ dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh phải bảo đảm tính đầy đủ, chính xác theo bề mặt thực tế của lớp phủ.
  • Đối tượng nghiên cứu: Lớp phủ bề mặt trên địa bàn huyện Lương Tài được chiết tách từ nguồn tư liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 thu nhận ngày 08/04/2022.
  • Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ quỹ đất thuộc ranh giới hành chính huyện Lương Tài, tỉnh Bắc Ninh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết tích hợp giữa công nghệ Viễn thám (Remote Sensing – RS) và Hệ thống Thông tin Địa lý (Geographic Information System – GIS) trong nghiên cứu tài nguyên và môi trường:

  • Khung lý thuyết và khái niệm:
    • Khái niệm viễn thám và nguyên lý thu nhận bức xạ điện từ: Phản xạ và bức xạ sóng điện từ từ các vật thể trên bề mặt Trái Đất được bộ cảm biến (sensor) ghi nhận theo từng bước sóng, chuyển đổi thành tín hiệu số và truyền về trạm thu mặt đất.
    • Tổng quan các hệ thống vệ tinh viễn thám quang học: Vệ tinh SPOT (Pháp, mang bộ cảm HRV), vệ tinh Landsat (Hoa Kỳ, thế hệ Landsat 1 đến Landsat 9 với các bộ cảm biến MSS, TM, ETM+, OLI, TIRS, OLI 2, TIRS 2) và vệ tinh quan sát Trái Đất đầu tiên của Việt Nam VNREDSat-1 (sử dụng bus AstroSat-100, cảm biến quang học độ phân giải cao).
    • Khái niệm và hệ thống phân loại lớp phủ: Dẫn giải theo quan điểm của Sokal (1974) về nguyên lý phân loại đối tượng theo cấu trúc phân cấp và không phân cấp.
  • Nguồn dữ liệu sử dụng:
    • Dữ liệu ảnh viễn thám: Ảnh vệ tinh Landsat 8 chụp ngày 08/04/2022 với các kênh phổ phản xạ (độ phân giải không gian 30 m), kênh toàn sắc (15 m) và kênh hồng ngoại nhiệt (100 m).
    • Dữ liệu bản đồ và thống kê: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Lương Tài năm 2021; số liệu kiểm kê, thống kê đất đai; báo cáo tình hình phát triển kinh tế – xã hội địa phương; tài liệu ranh giới hành chính.
    • Dữ liệu điều tra thực địa: Tổng số 200 điểm tọa độ khảo sát ngoài thực địa thu thập bằng thiết bị định vị GPS cầm tay.
Giá trị chỉ số Kappa ($\hat{K}$) Mức độ tin cậy
$0,0 < \hat{K} \le 0,2$ Độ tin cậy kém
$0,2 < \hat{K} \le 0,4$ Độ tin cậy trung bình – kém
$0,4 < \hat{K} \le 0,6$ Độ tin cậy trung bình
$0,6 < \hat{K} \le 0,8$ Độ tin cậy tốt
$0,8 < \hat{K} < 1,0$ Độ tin cậy rất tốt
$\hat{K} = 1,0$ Độ tin cậy tuyệt đối
  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện:
    • Phương pháp điều tra, chọn mẫu: Phân chia 200 điểm điều tra thực địa ngẫu nhiên thành hai tập dữ liệu độc lập: 150 điểm phục vụ xây dựng tệp mẫu huấn luyện phân loại và 50 điểm dùng để kiểm định, đánh giá độ chính xác ảnh sau phân loại.
    • Phương pháp xử lý ảnh số: Nhập và cộng gộp các kênh phổ đơn lẻ thành ảnh đa phổ, tăng cường chất lượng hình ảnh, nắn chỉnh hiệu chỉnh hình học quy chiếu về hệ tọa độ chuẩn WGS 84, cắt ảnh theo ranh giới hành chính huyện Lương Tài.
    • Phương pháp giải đoán và phân loại ảnh: Xây dựng khóa giải đoán ảnh dựa trên sự tương quan giữa điểm tọa độ GPS và dấu hiệu nhận biết trên ảnh; xây dựng các vùng mẫu (ROIs); đánh giá độ tách biệt của tệp mẫu bằng công cụ Display Mean Plot Window và Feature Space Layers; áp dụng thuật toán phân loại có kiểm định theo nguyên lý xác suất cực đại (Maximum Likelihood Classification).
    • Phương pháp đánh giá độ chính xác: Thiết lập ma trận sai số (Error Matrix), tính toán Độ chính xác toàn cục (Overall Accuracy – $T$) và Chỉ số thống kê Kappa ($\hat{K}$) theo công thức của John R. Jensen (1996) đối chiếu với bảng phân cấp độ tin cậy.
    • Phương pháp xây dựng bản đồ và thống kê: Sử dụng phần mềm ArcGIS để chuyển đổi kết quả ảnh phân loại từ định dạng Raster sang Vector, lọc nhiễu, biên tập bản đồ hiện trạng lớp phủ và thống kê diện tích từng loại hình lớp phủ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về công nghệ viễn thám, hệ thống thông tin địa lý và công nghệ tích hợp RS – GIS trong công tác quản lý tài nguyên và giám sát môi trường. Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý vật lý của quá trình truyền bức xạ điện từ qua khí quyển, sự tương tác phổ với các đối tượng mặt đất và cơ chế ghi nhận tín hiệu của các bộ cảm biến. Chương này so sánh có hệ thống ưu nhược điểm giữa phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt truyền thống và phương pháp giải đoán xử lý ảnh số.

Nội dung chương tổng hợp thông số kỹ thuật của các dòng vệ tinh phổ biến:

  • Hệ thống vệ tinh SPOT (từ SPOT 1 phóng năm 1986 đến SPOT 7 phóng năm 2014) với độ phân giải từ 2,5 m đến 60 m.
  • Chuỗi vệ tinh Landsat (Landsat 1 đến Landsat 9) với các bộ cảm biến quang học đa phổ OLI và hồng ngoại nhiệt TIRS, chu kỳ lặp 16 ngày.
  • Vệ tinh VNREDSat-1 của Việt Nam (phóng ngày 07/05/2013 bằng tên lửa đẩy VEGA), hoạt động với kênh toàn sắc độ phân giải 2,5 m và 4 kênh đa phổ độ phân giải 10 m.

Chương 1 cũng tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong nước và quốc tế: các nghiên cứu thành lập bản đồ thảm thực vật tại Tủa Chùa – Lai Châu (Hoàng Xuân Thành, 2006); giám sát nhiễm mặn đất nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long (Hoàng Minh Hải, 2021); giám sát lúa bằng biến thiên chỉ số NDVI/NDWI tích hợp phần mềm GSLUA (Phạm Thị Hà Giang, 2007); theo dõi lúa bằng ảnh Radar ERS2-SAR tại Sóc Trăng (Lâm Đạo Nguyên); ứng dụng GIS – viễn thám tại rừng Vĩnh Cửu – Đồng Nai (Trần Quang Bảo và cộng sự, 2016); nghiên cứu môi trường khai thác than tại Quảng Ninh (Đỗ Phương Thảo, Kim Quang Minh, 2021); cùng các ứng dụng phân loại biến động sử dụng đất tại Iran và Hy Lạp.

Chương 2: Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình công nghệ 5 bước để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ huyện Lương Tài từ ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 08/04/2022:

  1. Thu thập và chuẩn bị dữ liệu viễn thám, bản đồ nền hành chính và số liệu thực địa.
  2. Tiền xử lý dữ liệu ảnh số (cộng gộp kênh phổ, tăng cường độ tương phản, hiệu chỉnh hình học không gian, cắt ảnh theo đường biên giới hành chính).
  3. Xây dựng khóa giải đoán ảnh, khoanh chọn vùng mẫu đại diện trên các kênh phổ, kiểm tra độ phân tách của tệp mẫu và tiến hành gộp mẫu qua 2 lần nhằm loại bỏ các mẫu trùng lặp phổ.
  4. Thực hiện thuật toán phân loại có kiểm định Maximum Likelihood, áp dụng bộ lọc không gian để khử nhiễu dạng "muối tiêu" trên ảnh kết quả.
  5. Đánh giá độ chính xác phân loại bằng ma trận sai số dựa trên 50 điểm kiểm chứng thực địa độc lập, tính toán chỉ số Kappa ($\hat{K}$) và độ chính xác tổng thể ($T$), sau đó vector hóa để biên tập bản đồ hiện trạng lớp phủ và thống kê diện tích.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ kết quả phân tích điều kiện tự nhiên, môi trường, kinh tế – xã hội và kết quả giải đoán ảnh viễn thám tại địa bàn nghiên cứu:

  • Điều kiện tự nhiên và kinh tế – xã hội huyện Lương Tài:
    • Vị trí địa lý: Nằm trong khoảng tọa độ $19^\circ 00' 00''$ đến $21^\circ 04' 12''$ vĩ độ Bắc; $106^\circ 08' 45''$ đến $106^\circ 18' 25''$ kinh độ Đông. Địa hình nghiêng thoải theo hướng Tây Bắc – Đông Nam đổ về sông Thái Bình. Toàn huyện có 11 loại đất chính hình thành từ phù sa sông Hồng và sông Thái Bình.
    • Tăng trưởng và chuyển dịch cơ cấu kinh tế: Giai đoạn 2015–2020, tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân đạt 12,6%/năm. Thu nhập bình quân đầu người năm 2020 đạt 18,3 triệu đồng. Cơ cấu kinh tế có sự chuyển dịch rõ nét theo hướng tăng tỷ trọng công nghiệp và dịch vụ, giảm tỷ trọng nông nghiệp.
Ngành kinh tế Năm 2015 Năm 2016 Năm 2017 Năm 2018 Năm 2019 Năm 2020
Nông nghiệp – thủy sản 43,96% 33,27% 29,33% 27,55% 25,78% 19,62%
Công nghiệp – xây dựng 24,61% 38,98% 39,05% 40,00% 38,44% 41,64%
Thương mại – dịch vụ 31,43% 27,74% 31,62% 32,46% 35,78% 38,75%
  • Kết quả xử lý và phân loại ảnh viễn thám:
    • Dữ liệu ảnh Landsat 8 ngày 08/04/2022 sau khi tiền xử lý được giải đoán phân loại thành các lớp phủ chính.
    • Quá trình chọn mẫu huấn luyện được tối ưu qua 2 lần gộp mẫu để bảo đảm độ phân tách phổ giữa các lớp phủ.
    • Kết quả phân loại có kiểm định Maximum Likelihood được chuyển đổi sang định dạng vector trong môi trường ArcGIS, phục vụ thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ hoàn chỉnh và xuất bảng thống kê diện tích từng loại hình lớp phủ của huyện Lương Tài năm 2022.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả chính:
    • Xây dựng thành công quy trình công nghệ giải đoán và thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất cấp huyện bằng tư liệu ảnh viễn thám Landsat 8 kết hợp công cụ ArcGIS.
    • Phân loại được các lớp phủ bề mặt thực tế tại huyện Lương Tài tại thời điểm tháng 04/2022 với độ tin cậy được kiểm chứng thông qua ma trận sai số và chỉ số Kappa từ tập 50 điểm thực địa độc lập.
    • Cung cấp số liệu định lượng về điều kiện tự nhiên, môi trường và cơ cấu chuyển dịch kinh tế của huyện Lương Tài giai đoạn 2015–2020 (tỷ trọng nông nghiệp giảm từ 43,96% xuống 19,62%, công nghiệp – xây dựng tăng từ 24,61% lên 41,64%).
  • Giải pháp và kiến nghị của tác giả:
    • Cần quy hoạch tập trung các khu công nghiệp, làng nghề truyền thống và khu xử lý chất thải rắn nhằm kiểm soát tình trạng khói bụi, ô nhiễm không khí và tiếng ồn.
    • Tăng cường các biện pháp thủy lợi, kiểm soát chất lượng nguồn nước mặt sông Thái Bình và hệ thống kênh mương; khuyến khích sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật sinh học để bảo vệ môi trường đất và nguồn nước đồng ruộng.
    • Tiếp tục ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS định kỳ trong công tác kiểm kê đất đai, quy hoạch và kế hoạch sử dụng đất tại địa phương.
  • Đóng góp của khóa luận:
    • Đề tài kiểm chứng tính khả thi và độ chính xác của nguồn tư liệu viễn thám quang học miễn phí (Landsat 8) trong việc chiết tách thông tin lớp phủ mặt đất tại khu vực đồng bằng có địa hình bằng phẳng và mức độ chia cắt không gian phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh viễn thám quang học Landsat 8, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và mức độ mây che phủ tại thời điểm chụp ảnh.
    • Độ phân giải không gian của các kênh phổ đa phổ Landsat 8 ở mức 30 m có thể gặp khó khăn trong việc bóc tách ranh giới các khoanh đất nhỏ hẹp, phân tán hoặc các đối tượng sử dụng đất hỗn hợp.
    • Đề tài mới tiến hành phân loại hiện trạng lớp phủ tại một thời điểm đơn lẻ (ngày 08/04/2022), chưa xây dựng bản đồ chuỗi thời gian để định lượng tốc độ biến động không gian lớp phủ qua các năm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng nguồn tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian (nhiều năm khác nhau) để phân tích động thái biến động lớp phủ và dự báo xu hướng thay đổi bề mặt đất đai.
    • Kết hợp sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám có độ phân giải không gian cao hơn (như VNREDSat-1, SPOT) hoặc ảnh radar (SAR) để khắc phục nhược điểm về thời tiết và nâng cao độ chi tiết của bản đồ lớp phủ.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo thiết thực cho sinh viên, học viên và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Quản lý đất đai, Khoa học Môi trường, Trắc địa – Bản đồ và Địa lý tài nguyên.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình tiền xử lý, gộp kênh và nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh Landsat 8.
  • Kỹ thuật xây dựng khóa giải đoán, tối ưu hóa tệp mẫu huấn luyện bằng đồ thị phổ (Display Mean Plot, Feature Space Layers) và thuật toán phân loại Maximum Likelihood.
  • Phương pháp luận kiểm định độ chính xác phân loại bằng ma trận sai số, độ chính xác tổng thể ($T$) và chỉ số Kappa ($\hat{K}$) theo tiêu chuẩn học thuật của John R. Jensen.

Câu hỏi thường gặp

  • Tác giả sử dụng nguồn dữ liệu viễn thám nào để nghiên cứu hiện trạng lớp phủ huyện Lương Tài?
    Khóa luận sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat 8 thu nhận vào ngày 08/04/2022, kết hợp cùng bản đồ hiện trạng sử dụng đất huyện Lương Tài năm 2021 và số liệu thống kê, kiểm kê đất đai tại địa phương.

  • Tác giả đã thu thập bao nhiêu điểm điều tra thực địa và bố trí sử dụng như thế nào?
    Tác giả thu thập tổng cộng 200 điểm tọa độ ngoài thực địa bằng thiết bị GPS cầm tay. Toàn bộ số điểm được chia ngẫu nhiên thành hai nhóm độc lập: 150 điểm phục vụ việc phân loại ảnh (xây dựng tệp mẫu huấn luyện) và 50 điểm còn lại dùng để đánh giá độ chính xác kết quả phân loại ảnh.

  • Thuật toán phân loại ảnh viễn thám nào được sử dụng trong đề tài?
    Đề tài sử dụng phương pháp phân loại có kiểm định theo thuật toán xác suất cực đại (Maximum Likelihood Classification), kết hợp quy trình đánh giá và gộp tệp mẫu qua 2 lần nhằm bảo đảm độ phân tách phổ.

  • Độ chính xác của ảnh sau phân loại được đánh giá qua những chỉ số thống kê nào?
    Độ chính xác được đánh giá thông qua việc thiết lập ma trận sai số (Error Matrix), tính toán Độ chính xác toàn cục (Overall Accuracy – $T$) và Chỉ số Kappa ($\hat{K}$) dựa trên công thức của John R. Jensen (1996) đối chiếu với thang đo 6 mức độ tin cậy.

  • Tình hình chuyển dịch cơ cấu kinh tế huyện Lương Tài giai đoạn 2015–2020 diễn ra như thế nào?
    Cơ cấu kinh tế huyện Lương Tài chuyển dịch theo hướng công nghiệp hóa: tỷ trọng ngành nông nghiệp – thủy sản giảm từ 43,96% (năm 2015) xuống 19,62% (năm 2020); công nghiệp – xây dựng tăng từ 24,61% lên 41,64%; thương mại – dịch vụ tăng từ 31,43% lên 38,75%.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Công Chiến đã áp dụng thành công công nghệ tích hợp Viễn thám và GIS để nghiên cứu hiện trạng lớp phủ mặt đất huyện Lương Tài, tỉnh Bắc Ninh từ nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 ngày 08/04/2022. Đề tài thực hiện nghiêm ngặt quy trình xử lý số liệu từ khảo sát 200 điểm thực địa, phân loại có kiểm định Maximum Likelihood đến kiểm chứng độ chính xác bằng ma trận sai số và chỉ số Kappa. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu không gian và tài liệu thực tiễn phục vụ đắc lực cho công tác quản lý Nhà nước về đất đai, quy hoạch và giám sát tài nguyên môi trường tại địa phương.