ĐẶT VẤN ĐỀ Thảm thực vật rừng có vai trò quan trọng trong đời sống, đặc biệt là vai trò trong các chu trình vật chất tự nhiên, bảo vệ con ngƣời tránh khỏi các thiên tai nhƣ hạn hán lũ lụt, điều tiết dòng chảy, bảo vệ đất khỏi bị xói mòn rửa trôi, điều hòa khí hậu… Thị trấn Xuân Mai thuộc huyện Chƣơng Mỹ thành phố Hà Nội nằm trên điểm giao nhau giữa Quốc lộ 6 và Quốc lộ 21 nay là Đƣờng Hồ Chí Minh, cách trung tâm thủ đô Hà Nội 33 km về phía Tây, là một trong 5 đô thị trong chuỗi đô thị vệ tinh của Hà Nội. Đặc biệt rừng thực nghiệm Núi Luốt nơi học tập, thể dục thể thao, vui chơi giải trí Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam VNUF - Vietnam National University of Forestry). Lớp phủ thực vật tại đây rất đa dạng và phong phú, có thê kể đến một số loài cây đặc trƣng nhƣ: keo Lá Tràm, keo Tai Tƣợng, Thông, Bạch Đàn…. Trong bối cảnh ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu hiện nay, để hạn chế tối đa những tác động do biến đổi khí hậu, chúng ta cần phải nắm rõ các yếu tố ảnh hƣởng đến lớp thảm thực vật rừng nhƣ: nhiệt độ không khí, ánh sáng mặt trời, lƣợng mƣa, độ ẩm đất.… Nhằm cung cấp cơ sở dữ liệu, ứng dụng của viễn thám trong việc quản lý bền vững lớp thảm thực vật, em xin đề xuất đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng ảnh viễn thám xây dựng bản đồ phân bố độ ẩm đất theo các trạng thái thực vật tại rừng thực nghiệm Núi Luốt thị trấn Xuân Mai, TP.
Hà Nội” sẽ làm cơ sở để đƣa ra đƣợc các giải pháp cải thiện độ ẩm đất rừng. 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về công nghệ viễn thám và ArcGIS 1. Khái niệm về viễn thám 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 một phƣơng tiện không tiếp xúc với vật, vùng hoặc hiện tƣợng khi khảo sát (Lillesand và Kiefer, 1986).
Viễn thám 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 tƣ liệu thu nhận đƣợc bằng các phƣơng tiện mà không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng (Giáo trình viễn thám (2011), NXB Nông Nghiệp, Hà Nội PGS.TS Nguyễn Khắc Thời (Chủ biên)). Lịch sử ra đời và phát triển của viễn thám Viễn thám là ngành khoa học có lịch sự phát triển lâu đời, nghiên cứu thông tin về một vật, hiện tƣợng gián tiếp trên dữ liệu thu đƣợc bằng phƣơng pháp chụp ảnh hàng không, ảnh radar ảnh vệ tinh. Viễn thám là môn khoa học, thực sự phát triển hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho các ảnh số, bắt đầu đƣợc thu nhận từ vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất. Thuật ngữ viễn thám đƣợc đƣa ra vào năm 1960 bởi Evenlyn Pruitt thuộc viên hải quân Hoa Kỳ.
Tuy nhiên, lịch sử của viễn thám đã có từ lâu đời. Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là các nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng photo. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi stereo , thực hiện theo phƣơng đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini 1965 , khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, đƣợc thực hiện 2 trên các phƣơng tiện hàng không nhƣ máy bay, khinh khí cầu và tàu lƣợn hoặc một phƣơng tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không.
Các ảnh thu đƣợc từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh đã thể hiện ƣu thế của việc nghiên cứu trái đất. Tiếp theo, tàu Apodo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích thƣớc ảnh 70mm, chụp về trái đất đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất. Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu trái đất và vũ trụ. Việc nghiên cứ trái đất đƣợc đã đƣợc thực hiện trên các con tàu vũ trụ có ngƣời nhƣ Soyuz, các tàu Meteor và Cosmos từ năm 1961 , hoặc trên các trạm trào mừng Salyt.
Sản phẩm thu đƣợc là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải cao, nhƣ MSU-E (trên Meteor - priroda , các bức ảnh chụp từ vệ tinh Comos có dải phổ trên 5 kênh khác nhau, với kích thƣớc ảnh 18 x 18cm. Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, đƣợc thực hiện trên các phƣơng tiện hàng không nhƣ máy bay, khinh khí cầu và tàu lƣợn hoặc một phƣơng tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không. Các ảnh thu đƣợc từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh.
Đầu tiên là các bức ảnh chụp từ khinh khí cầu năm 1858. Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m chụp ảnh vùng Bievre, Pháp. Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860. Năm 1909 phi công Wilbur Wright đã chụp đƣợc bức ảnh đầu tiên từ máy bay khi bay qua vùng Centocelli ở Ý.
Mãi đến chiến tranh thứ nhất (1914-1918), chụp ảnh hàng không đƣợc sử dụng với quy mô lớn và có hệ thống, đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự, công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều ngƣời hoạt động trong l nh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh, đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối tƣợng từ dữ liệu ảnh. Đến cuối chiến tranh thứ nhất, đã có cải tiến đáng kể về máy bay, thiết bị xử lý của máy ảnh và số lƣợng ngƣời có kinh nghiệm chụp 3 ảnh trên không, xử lý ảnh tăng lên đáng kể. Những cải tiến về thiết bị chụp ảnh đƣợc giới thiệu và những năm 1920, 1930 chụp ảnh trên không trở thành thông tin đáng tin cậy để biên tập bản đồ. Chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1954) đã tạo tiền đề cho sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật viễn thám, không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự.
Công nghệ giải đoán ảnh trở nên tinh vi và đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là ảnh màu đã tạo điều kiện thuận tiện cho việc thu thập thông tin về độ sâu, chƣớng ngại vật dƣới đáy biển, điều mà bản đồ hàng hải không làm đƣợc. Tiến bộ của công nghệ radar cho phép phát triển giám sát và nhận ra những thiết bị trong phạm vi hẹp. Trong những năm 1950 hệ thống hồng ngoại đƣợc phát triển, nó cung cấp hình ảnh bức xạ của vật thể và địa vật. Các trung tâm nghiên cứu mặt đất đƣợc ra đời nhƣ cơ quan vũ trụ châu Âu ESA, Chƣơng trình vũ trụ NASA của Mỹ.
Ngoài ra thống kê ở trên có thể kể đến các chƣơng trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám ở các nƣớc nhƣ Canada, Ấn Độ, Nhật, Pháp, Trung Quốc. Sự phát triển của viễn thám đƣợc thể hiện qua Bảng 1. 4 B ng 1: Giai o n phát triển viễn thám. Thời gian (năm) Sự kiện 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1893 Bắt đầu phát minh ra 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 1973 Xây dựng học thuyết và 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 giải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứ sâu về ảnh cho mục đích quân sự 12/04/1961 Liên xô phóng tàu vũ trụ có ngƣời lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám 1960-1970 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1972 Phát triển mạnh mẽ phƣơng pháp xử lý ảnh số 1970-1980 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat 1980-1990 Mỹ phóng vệ tinh SPOT vào quỹ đạo 1986 Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, 1990 đến nay tăng độ phân giải bộ cảm.
Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới. ( Nguyễn Ngọc Thạch, 2005) 5 Vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS sau đổi tên là Landsat-1 , là các vệ tinh thế hệ mới hơn nhƣ Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5. Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV Return Beam Vidicon với ba kênh phổ khác nhau. Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB 1973 và HCMM 1978.
Từ 1982, các ảnh chuyên đề đƣợc thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này tạo nên một ƣu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7, Landsat-8 đặc biệt là ảnh Planet có độ phân giải 3*3 m thích hợp cho việc thành lập bản đồ hiện trạng với độ chính xác cao, đồng thời cung cấp cho chúng ta rất nhiều thông tin bổ ích trong nghiên cứu trái đất (Nguyễn Khắc Thời, 2011). Nguyên lý hoạt động của viễn thám Nguyên lý hoạt động của viễn thám là sử dụng bức xạ điện từ tới vật thể và thu lại tín hiệu phản hồi bằng bộ cảm.
Thiết bị dùng để ghi nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể đƣợc gọi là bộ cảm biến. Bộ cảm biến có thể là máy chụp ảnh hoặc máy quét, phƣơng tiện mang các bộ cảm biến gọi là vật mang, các vật mang cơ bản hiện nay bao gồm máy bay, vệ tinh…… H nh 1.1 Nguy n hoạt động của viễn thám. Nguồn phát năng lƣợng A - yêu cầu đầu tiên cho viễn thám là có nguồn năng lƣợng phát xạ để cung cấp năng lƣợng điện từ tới đối tƣợng quan tâm. Sóng điện từ và khí quyển (B) - khi năng lƣợng truyền từ nguồn phát đến đối tƣợng, nó sẽ đi vào và tƣơng tác với khí quyển mà nó đi qua.