MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đất đai là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của xã hội loài người cũng như mọi sự sống trên Trái đất. Đối với mỗi quốc gia đất đai luôn gắn liền với ranh giới lãnh thổ, với lịch sử đấu tranh hình thành, xây dựng và phát triển của quốc gia đó. Vai trò to lớn của đất đai đã được khẳng định rõ: Là tư liệu sản xuất đặc biệt, là đầu vào quan trọng của tất cả các ngành sản xuất, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trường sống, là địa bàn phân bố khu dân cư, xây dựng cơ sở kinh tế, văn hóa, xã hội và an ninh quốc phòng.
Chính vì vậy đất đai có vai trò vô cùng quan trọng tuy nhiên do sức ép của sự gia tăng dân số cùng với ảnh hưởng của sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa, đất đai và lớp phủ bề mặt đã có những biến đổi theo chiều hướng phát triển không bền vững. Đất đai có những tính chất đặc trưng khiến nó không giống bất kỳ một tư liệu sản xuất nào khác, đó là nguồn tài nguyên tuy có giới hạn về diện tích nhưng lại vô hạn về thời gian sử dụng, vì vậy đối với bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, sử dụng đất đai một cách hợp lý là hết sức cần thiết cho sự phát triển bền vững và hiệu quả. Trong những năm qua Đảng, Nhà nước và toàn dân ta đã thực hiện sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước làm cho đất nước ngày càng phát triển. Bên cạnh đó tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh trên mọi miền Tổ quốc khiến cho đất đai và các lớp phủ mặt đất thay đổi không ngừng, đặc biệt là diện tích đất trồng lúa.
Lúa lại là loại lương thực thứ hai trên thế giới, được canh tác không chỉ ở các nước Châu Á mà còn được trồng ở nhiều nước khác trên thế giới. An toàn lương thực đã trở nên quan trọng do sự phát triển nhanh của dân số thế giới đặc biệt là các nước Châu Á. Từ vấn đề lương thực, lúa gạo được coi là mặt hàng thiết yếu của người dân nên nó liên quan mật thiết đến các vấn đề quan trọng khác của nền kinh tế xã hội. Việt Nam là một nước nông nghiệp và có sản lượng xuất khẩu lúa lớn thứ nhất trên thế giới tuy nhiên cũng là một trong 5 nước chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, kèm theo đó là quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn ra mạnh mẽ khiến cho diện tích trồng lúa đang ngày càng suy giảm ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất nông nghiệp nói chung cũng như canh tác lúa nói riêng.
1 Bên cạnh đó công nghệ viễn thám một trong những thành tựu khoa học đạt đến độ chính xác cao, kèm theo đó là dữ liệu ảnh thu thập ngày càng có độ phân giải và chất lượng tốt, độ trùm phủ lớn, chu kỳ lặp lại ngắn, với khả năng cung cấp thông tin đa dạng, khả năng tích hợp, phân tích thông tin có chiều sâu của Hệ thống thông tin địa lý rất thuận lợi cho mọi hoạt động nghiên cứu dự báo trong lĩnh vực nông nghiệp. Mặt khác Việt Nam lại là một nước mà đa số người dân chủ yếu sống dựa vào nông nghiệp, lại có bề dày thâm canh lúa nước lâu đời. Để quá trình sản xuất đạt hiệu quả cao, ngoài áp dụng khoa học kỹ thuật trong quá trình sản xuất thì việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lĩnh vực sản xuất nông nghiệp là một trong những điều tất yếu, đặc biệt và vô cùng cần thiết. Chính vì thế mà nhiều công trình dự án nghiên cứu đã được thực hiện và đạt được kết quả cao như xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ, giám sát lũ lụt và thảm họa thiên tai, sử dụng ảnh vệ tinh để dự báo năng suất, ước tính sản lượng, theo dõi sinh trưởng phát triển của cây lúa cũng như tình trạng khô hạn ngập úng… Từ các yếu tố trên, dưới sự đồng ý của khoa Quản lý đất đai và sự giúp đỡ của ThS.
Nguyễn Đức Thuận em xin thực hiện nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng chỉ số thực vật (NDVI) trong xác định thay đổi diện tích đất trồng lúa huyện Vĩnh Bảo – thành phố Hải Phòng. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định diện tích đất trồng lúa của huyện Vĩnh Bảo – thành phố Hải Phòng. thông qua chỉ số khác biệt thực vật NDVI (Normalized Diffierence Vegetation Index – NDVI) được triết tách từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat năm 2006 và 2020. - Xác định sự thay đổi diện tích đất trồng lúa huyện Vĩnh Bảo – thành phố Hải Phòng.
từ hiện trạng diện tích đất trồng lúa năm 2006 và 2020. Yêu cầu nghiên cứu - Các số liệu điều tra, thu thập phải đầy đủ, trung thực, cập nhật được các thông tin mới nhất, chính xác với thực địa. - Nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh sử dụng phải là dữ liệu đa phổ, có kênh trong vùng dải sóng màu đỏ (RED) và kênh trong vùng dải sóng cận hồng ngoại. - Nắm được cách thức xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Khái quát về công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý 1. Tổng quan về công nghệ viễn thám 1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động a.
Khái niệm Viễn thám (Remote sensing) được định nghĩa bằng nhiều từ ngữ khác nhau, nhưng nói chung đều thống nhất theo quan điểm chung là “Khoa học và công nghệ thu thập thông tin của vật thể mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó”. Định nghĩa sau đây có thể coi là tiêu biểu: “Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc, phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng” (Trần Hùng và cs, 2008). Đối tượng trong định nghĩa này có thể hiểu là một đối tượng cụ thể, một vùng hay một hiện tượng. Có nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám như: Theo Nguyễn Khắc Thời và cs, 2011: - Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó.
- Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định. - Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng. Theo Lê Văn Trung (2010): “Viễn thám được định nghĩa như là một khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của đối tượng (vật thể) mà không có những tiếp xúc trực tiếp với chúng. Nguyên lý hoạt động Trong viễn thám, nguyên tắc hoạt động của nó liên quan giữa sóng điện từ nguồn phát và vật thể quan tâm.
Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đoán và tách lọc thông tin bằng giải đoán tư liệu ảnh hàng không hoặc vệ tinh dạng số. Nguyên lý hoạt động của Viễn thám đựợc thể hiện trong hình 1. 3 - Nguồn phát năng lượng (A): Là thành phần đầu tiên của hệ thống viễn thám, là nguồn năng lượng dùng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời (viễn thám chủ động) và loại tự cung cấp năng lượng đến đối tượng (viễn thám bị động).
Thông tin của đối tượng mà viễn thám thu nhận được dựa vào năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận vậy nếu không có nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng thì không có năng lượng từ đối tượng đến thiết bị nhận; Hình 1. Nguyên lý hoạt động của viễn thám - Sóng điện từ và khí quyển (B): Khi năng lượng truyền từ nguồn phát đến đối tượng, nó sẽ đi vào và tương tác với khí quyển mà nó đi qua. Sự tương tác này có thể xảy ra lần thứ 2 khi năng lượng truyền từ đối tượng tới bộ cảm biến; - Sự tương tác với đối tượng (C): Một khi năng lượng gặp đối tượng sau khi xuyên qua khí quyển, nó tương tác với đối tượng. Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà năng lượng phản xạ hay của đối tượng có sự khác nhau; - Việc ghi năng lượng của bộ cảm biến (D): Sau khi năng lượng bị tán xạ hoặc phát xạ từ đối tượng, một bộ cảm biến để thu nhận và ghi lại sóng điện từ.
Bộ cảm nhận được năng lượng điện từ truyền về mang thông tin về đối tượng đó; 4 - Sự truyền tải, nhận và xử lý (E): Năng lượng được ghi nhận bởi bộ cảm biến phải được truyền tải đến một trạm thu nhận và xử lý. Năng lượng được truyền đi thường ở dạng điện. Trạm thu nhận sẽ xử lý dữ liệu sang dạng ảnh (dữ liệu thô); - Sự giải đoán và phân tích (F): Ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽ được giải đoán trực quan hoặc được phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tượng; - Ứng dụng (G): Đây là thành phần cuối cùng trong quy trình xử lý của công nghệ viễn thám. Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để hiểu tốt hơn về đối tượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể.
Các hệ thống vệ tinh viễn thám hiện nay a. Vệ tinh Landsat Vào năm 1967, tổ chức hàng không và vệ tinh quốc gia NASA (National Aeronautics and Space Administration – NASA) được sự hỗ trợ của Bộ nội vụ Mỹ đã tiến hành chương trình nghiên cứu thăm dò tài nguyên Trái Đất ERTS (Earth Resources Technology Satellite – ERTS: Vệ tinh kỹ thuật thăm dò tài nguyên Trái Đất). Vệ tinh ERTS-1 được phóng vào ngày 23/6/1972. Sau đó NASA đổi tên chương trình ERTS thành Landsat, vệ tinh Landsat bay qua xích đạo lúc 9 giờ 39 phút sáng.
(Nguyễn Khắc Thời và cs, 2011) Cho đến nay, NASA đã phóng được 8 vệ tinh trong hệ thống Landsat được thể hiện ở bảng 1. Các thế hệ vệ tinh Landsat Vệ tinh Ngày phóng Ngày ngừng hoạt động Bộ cảm Landsat 1 23/6/1972 06/01/1978 MSS Landsat 2 22/1/1975 25/02/1982 MSS Landsat 3 05/3/1978 31/03/1983 MSS Landsat 4 16/7/1982 15/06/2001 TM, MSS Landsat 5 01/3/1984 22/10/2012 TM, MSS Landsat 6 05/3/1993 Bị hỏng ngay khi phóng ETM Landsat 7 15/4/1999 Đang hoạt động ETM+ Landsat 8 11/2/2013 Đang hoạt động OLI - TIRS 5 (a) (b) Hình 1. Hình ảnh vệ tinh Landsat - 5 (a) và vệ tinh Landsat - 8 (b) b.