Đặt vấn đề Đất đai là một tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất đặc biệt. Đất đai là môi trường sống của con người và cả sinh vật, là địa bàn phân bố dân cư, xây dựng các công trình kinh tế, văn hoá, an ninh quốc phòng. Ngày nay, do sự tăng dân số, sự phát triển của các đô thị, sự tăng trưởng kinh tế xã hội và một số vấn đề khác đã và đang tác động rất lớn tới đất đai. Trước những áp lực đó, đất đai và các lớp phủ mặt đất biến động không ngừng cùng với sự phát triển của xã hội.
Đây là nguồn tài nguyên đặc biệt có thể khai thác sử dụng nhưng không thể làm tăng thêm về mặt số lượng. Do đó việc theo dõi, nghiên cứu, quản lý và sử dụng loại tài nguyên này một cách hiệu quả và hợp lý là một vấn đề rất quan trọng. Ngày nay, kỹ thuật viễn thám đang được sử dụng để theo dõi những biến đổi về bề mặt quả đất, quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Sử dụng kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý và kỹ thuật định vị toàn cầu giúp cho việc đánh giá những biến động về lớp phủ một cách nhanh chóng và chính xác.
Theo Cihlar thì phân loại lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh cũng đã được ứng rộng rãi, các thành quả đạt được ghi nhận ở quy mô toàn cầu (Cihlar,2000) Từ đó có thể giúp các nhà quản lý có thêm nguồn tư liệu để giám sát biến động sử dụng đất. Đây được xem như là một trong những giải pháp cho vấn đề được đặt ra. Huyện Đại Từ là địa phương đang diễn ra sự thay đổi mạnh trong sử dụng đất do có dự án khai thác khoáng sản lớn nhất khu vực Đông Nam Á- dự án núi Pháo. Dự án này sẽ diễn ra trong khoảng thời gian dự kiến là 20 năm.
Tuy nhiên, từ khi dự án bắt đầu đến nay, mới khoảng 4 năm nhưng trên địa bàn Huyện đã thay đổi rất nhiều trong quá trình sử dụng đất và ảnh hưởng trông thấy ở lớp thực phủ của đất. h 2 Mặt khác, người dân tại Huyện Đại Từ chủ yếu sống bằng nghề nông, từ khi dự án hình thành, một phần diện tích đất nông nghiệp và đặc biệt là đất rừng đã được thu hồi để phục vụ việc khai thác khoáng sản. Con số này cần được thống kê ở hiện tại và dự báo trong tương lai để các nhà quản lý, hoạch định chính sách có những chiến lược phát triển cho vùng. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, được sự đồng ý của Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong phân tích biến động lớp phủ mặt đất tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 1998 - 2018”.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Phân tích xử lý ảnh viễn thám - Kết quả giải đoán ảnh viễn thám, xây dựng bản đồ lớp phủ huyện Đại Từ năm 1998, 2005, 2010, 2018 - Xây dựng bản đồ biến động lớp phủ huyện Đại Từ giai đoạn 1998 - 2018 1. Ý nghĩa của đề tài - Kết quả nghiên cứu chính xác, đánh giá được đầy biến động lớp phủ - Kết quả đề tài là cơ sở khoa học và thực tiễn giúp các nhà quản lý trong lĩnh vực quản lý tài nguyên rừng đưa ra những chiến lược ứng dụng công nghệ thông tin. Đồng thời là tài liệu tham khảo cho các nhà quản lý tài nguyên rừng của tỉnh Thái Nguyên cũng như sinh viên, học viên trong lĩnh vực lâm nghiệp. - Việc nghiên cứu đề tài là phương pháp tốt để hệ thống và củng cố lại kiến thức đã được học, đồng thời bồi dưỡng thêm về kiến thức, kỹ năng trong công nghệ thông tin.
h 3 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover) 2. Khái niêm: Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy) và các cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá,…) bao phủ bề mặt đất. nước, băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất.
Phân loại lớp phủ mặt đất: Sokal (1974) đã định nghĩa phân loại là việc sắp xếp các đối tượng theo các nhóm hoặc các tập hợp khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa chúng. Một hệ thống phân loại miêu tả tên của các lớp và tiêu chuẩn phân biệt chúng. Các hệ thống phân loại có hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và không phân cấp. Một hệ thống phân cấp thường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp nhiều lớp thông tin, bắt đầu từ các lớp ở quy mô lớn rồi phân chia thành các phụ lớp cấp thấp hơn nhưng thông tin chi tiết hơn.
(The FAO AFRICOVER Progamme, 1998) Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài đã sử dụng hệ thống phân loại phân cấp, có tham khảo theo hệ thống phân loại của Mỹ (Anderson và nnk., 1976), được tổng hợp có chọn lọc phù hợp với điều kiệu thực tiễn ở Việt Nam của Nguyễn Ngọc Thạch (2005).2 Tổng quan về viễn thám 2.1 Khái niệm về viễn thám Viễn thám được định nghĩa như là một khoa học công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định, đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng (Hà Quang Hải, 2006). h 4 Theo Nguyễn Ngọc Thạnh định nghĩa Viễn thám (Remote Sensing - RS) là sự thu thập và phân tích thông tin về một đối tượng mà không cần có sự tiếp xúc trực tiếp đến đối tượng. Viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện từ như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Nguyễn Ngọc Thạch, 2009). Có hai loại viễn thám chính: Cảm biến thụ động và cảm biến hoạt động.
Cảm biến thụ động phát hiện năng lượng tự nhiên (bức xạ) được phát ra hay phản xạ bởi các đối tượng hoặc khu vực xung quanh đang được quan sát (tức là ánh sáng mặt trời ). Cảm biến hoạt động phát ra năng lượng để quét các đối tượng và khu vực trên đó dò ra cảm biến thụ động và đo bức xạ được phản xạ hoặc tán xạ trở lại từ vật được quan sát. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm. Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ.
Viễn thám có thể chia làm 3 loại cơ bản theo bước sóng sử dụng: Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại. Viễn thám hồng ngoại nhiệt Viễn thám siêu cao tần Hình 2.1: Các kênh sử dụng trong viễn thám h 5 2.2 Các loại ảnh viễn thám - Ảnh hàng không: Từ năm 1858 bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục đích thành lập bản đồ địa hình. Những bức ảnh hàng không đầu tiên được chụp từ máy bay được Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli, Italia. Từ đó đến nay, phương pháp sử dụng ảnh hàng không là phương pháp được sử dụng rộng rãi.
- Ảnh vệ tinh Landsat LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý. Cho đến nay đã có nhiều thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển. Bộ cảm TM có các thông số chính được nêu trong bảng sau: Bảng 2. Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải Kênh 1 0.52 micromet Chàm 30m Kênh 2 0.60 micromet Lục 30m Kênh3 0.90 micromet Cận hồng ngoại 30m Kênh 5 1.75 micromet Hồng ngoại 30m Kênh 6 10.5 micromet Hồng ngoại nhiệt 120m Kênh 7 2.35 micromet Hồng ngoại trung 30m - Ảnh vệ tinh Spot Vào đầu năm 1978 chính phủ Pháp quyết định phát triển chương trình SPOT (Système Pour l'Observation de la Terre) với sự tham gia của Bỉ và Thụy Điển.
Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT do Trung tâm Nghiên cứu Không gian của Pháp chế tạo và phát triển. Vệ tinh đầu tiên SPOT-1 được phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT-2, SPOT-3, SPOT- 4 và SPOT- h 6 5 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002 trên đó mang hệ thống quét CCD (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES). Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là 98.70, thời điểm bay qua xích đạo là 10h30' sáng và chu kỳ lặp 26 ngày. Các thế hệ vệ tinh SPOT 1, 2, 3 có bộ cảm HRV (High Resolution Visible) với kênh toàn sắc (0,51 - 0,73m) độ phân giải 10m; ba kênh đa phổ có độ phân giải 20m, phân bố trong vùng sóng nhìn thấy gồm lục (0,50 - 0,59m), đỏ (0,61 - 0,68m), cận hồng ngoại (0,79 - 0,89m).
Mỗi cảnh có độ bao phủ mặt đất là 60km x 60km. Vệ tinh SPOT 4 với kênh toàn sắc (0,49 - 0,73m); ba kênh đa phổ của HRV tương đương với 3 kênh phổ truyền thống HRV; thêm kênh hồng ngoại (1,58 - 1,75m) có độ phân giải 20m. Khả năng chụp nghiêng của SPOT cho phép tạo cặp ảnh lập thể từ hai ảnh chụp vào hai thời điểm với các góc chụp nghiêng khác nhau.Vệ tinh SPOT Vệ tinh SPOT - 5 phóng lên quỹ đạo ngày 03 tháng 5 năm 2002, được trang bị một cặp Sensors HRG (High Resolution Geometric) là loại Sensor ưu việt hơn các loại trước đó. Mỗi một Sensor HRG có thể thu được ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10m với ảnh mầu.
Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc h 7 biệt, có thể đạt được ảnh độ phân giải 2,5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60km đến 80km. Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT, điều mà các loại ảnh vệ tinh cùng thời khác ở độ phân giải này đều không đạt. Kỹ thuật thu ảnh HRG cho phép định vị ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 50m nhờ hệ thống định vị vệ tinh DOGIS và Star Tracker lắp đặt trên vệ tinh. Trên vệ tinh SPOT-5 còn lắp thêm hai máy chụp ảnh nữa.
Máy thứ nhất HSR (High Resolution Stereoscopic) - Máy chụp ảnh lập thể lực phân giải cao. Máy này chụp ảnh lập thể dọc theo đường bay với độ phủ 120 x 600km. Nhờ ảnh lập thể độ phủ rộng này tạo lập mô hình số độ cao (DEM) với độ chính xác 10m mà không cần tới điểm khống chế mặt đất.