CHƯƠNG 1. Tổng quan bài toán nghiên cứu: 1. Khu vực nghiên cứu: Hà Nội có mức độ tăng trưởng đô thị nhanh, do đó cần có kế hoạch phát triển đô thị toàn diện cùng với các biện pháp quy hoạch thích hợp cần được nhà nước có chính sách đưa ra và thực hiện kịp thời. Lý do chọn Hà Nội: do đây là khu vực phi nông nghiệp chủ yếu được che phủ bởi các bề mặt không thấm nước và thảm thiên nhiên.
Thành phố Hà Nội chủ yếu được chia thành khu vực nông nghiệp (56,6%) và khu vực phi nông nghiệp (40,6%) trong năm 2010 [1]. Các khu vực phi nông nghiệp chủ yếu được che phủ bởi các bề mặt không thấm nước và cảnh quan thiên nhiên. Qua quá trình điều tra hai lớp LC cho Hà Nội, bao gồm khu vực không thấm nước gán với lớp phủ đô thị và các lớp khác còn lại để xác định mật độ phủ đô thị. Nhiều mô hình tăng trưởng đô thị có khái niệm hóa động lực tăng trưởng theo từng giai đoạn hoặc chu kỳ, thay vì tuyến tính trong không gian hoặc thời gian.
Kết quả là rất khó để mô hình hóa sự phức tạp của khu vực đô thị trong một mô hình duy nhất. Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu về cách áp dụng phương pháp phân lớp ảnh vệ tinh Venus, sử dụng các thuật toán phân lớp để phân lớp phủ đô thị cho thủ đô Hà Nội năm 2018 và tính toán độ chính xác cho kết quả đạt được. Phát triển thêm hướng nghiên cứu kết hợp ảnh vệ tinh Venus (composite) để phân lớp. Thu thập và phân loại tập dữ liệu để phân loại lớp phủ đô thị cho ảnh ảnh Venus kết hợp, đưa ra bản đồ phân lớp phủ đô thị và đánh giá độ chính xác so với phân lớp ảnh đơn.
- Định lượng tốc độ tăng trưởng đô thị tại Hà Nội bằng cách sử dụng các số liệu không gian; 2. Giới thiệu tổng quan về viễn thám và dữ liệu viễn thám 2. Khái niệm về viễn thám Khái niệm về viễn thám: Viễn thám là môn khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo qua sự tác 2 động một cách gián tiếp (ví dụ như qua các bước sóng ánh sáng) với đối tượng nghiên cứu cụ thể [3]. Công nghệ viễn thám là một trong những thành tựu khoa học vũ trụ nổi bật, hiện nay đã phát triển đến trình độ cao và ngày càng trở thành một kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội ở nhiều nước trên toàn thế giới.
Dữ liệu viễn thám có thể được sử dụng trong các lĩnh vực: nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, thủy văn, giám sát về độ phủ của đất, biển,… Dữ liệu viễn thám cung cấp nhiều thông tin quan trọng trong nhiều ứng dụng giám sát như xử lý ảnh, phát hiện biến đổi và phân loại lớp phủ. Kỹ thuật viễn thám là một trong những kỹ thuật quan trọng được áp dụng để thu thập thông tin liên quan đến tài nguyên môi trường trên Trái đất. Các dữ liệu ảnh vệ tinh phổ biến, dễ dàng tiếp cận và truy cập qua các ứng dụng bản đồ nổi tiếng như Google Earth, Bing Maps, … Những ứng dụng của viễn thám đã giúp xây dựng các kế hoạch để theo dõi thiên tai và biến đổi của thời tiết khí hậu đồng thời đưa ra các chỉ dẫn phòng vệ. Các ảnh vệ tinh và dữ liệu viễn thám thu thập được bao gồm các dải quang phổ, thông tin không gian và thời gian.
Trong các số liệu liên quan đến các thành phần của ảnh viễn thám, yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chính xác của đối tượng dưới mặt đất là độ phân giải không gian, trong khi đó độ phân giải thời gian sẽ hỗ trợ việc xây dựng các bản đồ che phủ mặt đất được biến đổi theo thời gian, từ đó giúp phát hiện sự thay đổi sử dụng đất và quy hoạch giao thông [3]. Bên cạnh đó, dữ liệu viễn thám còn có thể được sử dụng trong việc xây dựng bản đồ về phá rừng, xác định sự tăng trưởng hay suy giảm loài vật, lập bản đồ về cháy rừng. Tại các khu vực hẻo lánh nơi con người khó tiếp cận, hình ảnh vệ tinh là một nguồn thông tin quan trọng cho mục đích quản lý và giám sát. Trong địa chất, hình ảnh vệ tinh có thể được sử dụng để lập bản đồ cấu trúc và phân tích địa hình.
Ngày nay, công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý (GIS) được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Quản lý tài nguyên và môi trường: 3 - Quản lý tài nguyên đất: lập bản đồ và theo dõi biến động sử dụng đất, lập bản đồ thổ nhưỡng, nghiên cứu xói mòn, thoái hóa đất, sa mạc hóa,… - Quản lý và giám sát tài nguyên nước: lập bản đồ phân bố mạng lưới thủy văn, bản đồ phân bố nước ngầm, theo dõi biến động lòng sông, giám sát chất lượng nước,… - Giám sát tài nguyên và môi trường biển: lập bản đồ các hệ sinh thái nhạy cảm như rừng ngập mặn, đất ngập nước, rạn san hô; theo dõi biến động đường bờ; theo dõi tràn dầu,… Lâm nghiệp: phân loại, kiểm kê rừng, đánh giá trữ lượng, sinh khối, theo dõi diễn biến diện tích rừng, theo dõi cháy rừng,… Nông nghiệp: phân loại và theo dõi biến động sử dụng đất nông nghiệp, theo dõi mùa màng (sinh trưởng, năng suất, lịch gieo trồng, sâu bệnh)… Nghiên cứu địa chất: thành lập bản đồ địa chất, bản đồ phân bố khoáng sản, bản đồ phân bố nước ngầm,… Quản lý biến đổi về thiên tai: theo dõi, dự báo thiên tai như sạt lở, ngập lụt, biến đổi địa chất, cháy rừng… Quản lý đô thị: quản lý cơ sở hạ tầng đô thị, theo dõi biến động đô thị, quy hoạch đô thị, nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt đô thị,… Y tế và chăm sóc sức khỏe cộng đồng: theo dõi diến biến khí hậu, thời tiết (nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa,…), sự thay đổi chất lượng môi trường (không khí, nước,…), qua đó đánh giá, dự báo các tác động đến sức khỏe cộng đồng. Nguyên lý thu nhận dữ liệu viễn thám Hiện nay có rất nhiều bộ cảm biến dữ liệu viễn thám được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Đặc trưng chủ yếu của các bộ cảm biến là số kênh phổ được sử dụng, độ phân giải không gian và bề rộng tuyến chụp. Người ta có thể sử dụng các vệ tinh nhân tạo để thu phát các ảnh viễn thám.
Tùy thuộc vệ tinh, bộ cảm biến sẽ được đặt ở độ cao và chuyển động theo một quỹ đạo nhất định. Các thiết bị này không tiếp xúc trực tiếp với các đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng nghiên cứu [3].1 Quá trình thu nhận dữ liệu trong viễn thám Nguồn ảnh: Nelson Mandela University Một bức ảnh viễn thám cung cấp thông tin về các đối tượng dưới dạng năng lượng bức xạ trong các bước sóng được ghi lại. Việc đo đạc và phân tích quang phổ cho phép trích xuất các thông tin hữu ích về từng lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện và vật thể. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ, phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ viễn cảm, thường gọi tắt là bộ cảm.
Máy chụp ảnh hoặc máy quét là những bộ viễn cảm. Các cảm biến có thể là các máy ảnh hoặc máy quét được gắn trên các vật mang khác nhau. Bộ cảm giữ nhiệm vụ thu nhận các năng lượng bức xạ do vật thể phản xạ từ nguồn cung cấp tự nhiên (mặt trời) hoặc nhân tạo do (do chính vệ tinh phát). Năng lượng này được chuyển thành tín hiệu số (giá trị của pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm nhận được.
Phương 5 tiện dùng để mang các bộ cảm gọi là vật mang, các vật mang này có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh.2 thể hiện một sơ đồ điển hình cho việc thu nhận ảnh viễn thám). Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chính được sử dụng trong viễn thám. Các bước sóng điện từ được chuyển đến cảm biến nằm trên các thiết bị mang. Nguyên lý cơ bản của viễn thám đó là đặc trưng phản xạ hay bức xạ của các đối tượng tự nhiên tương ứng với từng giải phổ khác nhau.
Kết quả của việc giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái của các đối tượng tự nhiên. Những thông tin về đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn các kênh ảnh tối ưu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tượng nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng, tiến tới phân loại chúng.2 Nguyên lý thu nhận của ảnh viễn thám Nguồn ảnh: http://www.vn/goc-ky-thuat/vn/400/464/293/1/gioi-thieu- chung-ve-cong-nghe-vien-tham.aspx Một hệ thống viễn thám làm việc theo mô hình sau: đầu tiên năng lượng, có thể phát ra từ mặt trời hoặc chính bản thân vệ tinh, gặp bề mặt Trái đất. Sau đó nó được hấp thụ một phần, phản xạ và bức xạ trở lại bầu khí quyển. Trong bầu khí quyển tia sáng có thể cũng bị hấp thụ, phản xạ hoặc bức xạ thêm nữa.
Cảm biến vệ 6 tinh sẽ thu nhận tia phản xạ đến nó. Sau đó là quá trình truyền, nhận, xử lý và chuyển đổi năng lượng bức xạ thành dữ liệu ảnh. Cuối cùng, công việc giải thích và phân tích hình ảnh được áp dụng để có thể ứng dụng trong đời sống thực tế.3 mô tả các thành phần cơ bản của hệ thống viễn thám [3].3 Giới thiệu về cấu tạo hệ thống viễn thám điển hình Nguồn ảnh: Natural Resources Canada (https://www.ca) Trong đó: - A: Nguồn năng lượng hoặc ánh sáng - B: Truyền năng lượng qua khí quyển - C: Các vật thể được tương tác - D: Vệ tinh - E: Hệ thống thu nhận - F: Hệ thống phân tích hình ảnh - G: Hệ thống ứng dụng. Nguồn năng lượng chính được dùng trong cảm biến tự động là bức xạ mặt trời.
Sóng điện từ được cảm biến bởi các bộ cảm biến tiếp nhận từ các chuyên chở. Hệ thống cảm biến làm việc trên nhiều kiểu như: một chùm tia ánh sáng, phát ra từ mặt trời hay vệ tinh đến trái đất bức xạ lại với tầng khí quyển. Ở tầng khí quyển, chùm tia sáng cũng có thể bị bức xạ, bị tác động bức xạ bởi các tầng khí quyển khác.
