Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đóng vai trò then chốt trong công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Khả năng thu thập thông tin khách quan trên diện rộng mà không cần tiếp xúc trực tiếp giúp công nghệ này trở thành phương tiện tối ưu trong nghiên cứu và quản lý các lưu vực sông có địa hình hiểm trở.
Lưu vực thủy điện Sơn La là công trình trọng điểm quốc gia nằm trên địa bàn vùng Tây Bắc với địa hình chia cắt mạnh, độ dốc lớn và thường xuyên chịu ảnh hưởng của các hiện tượng tai biến địa chất như xói mòn, sạt lở, lũ quét và lũ bùn đá. Việc áp dụng các phương pháp điều tra mặt đất truyền thống gặp nhiều trở ngại về thời gian, nhân lực và khó khăn trong tiếp cận các vùng núi cao hiểm trở. Xuất phát từ thực tiễn đó, khóa luận tốt nghiệp "Ứng dụng GIS thành lập bản đồ hiện trạng lưu vực thủy điện Sơn La từ ảnh viễn thám" do sinh viên Phạm Đức Anh thực hiện (ngành Quản lý Đất đai, Khoa Quản lý Tài nguyên, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn của PGS. Đàm Xuân Vận) đã tập trung nghiên cứu quy trình công nghệ tích hợp giữa phần mềm xử lý ảnh số và phần mềm GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ hiện trạng lưu vực.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:
- Sử dụng các phần mềm GIS (ArcGIS, MapInfo) và phần mềm giải đoán ảnh vệ tinh ENVI 4.7, kết hợp nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh và các loại bản đồ lưu vực thủy điện Sơn La để xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ hiện trạng.
- Xây dựng sơ đồ các bước thành lập bản đồ hiện trạng từ khâu tiền xử lý dữ liệu thô đến sản phẩm bản đồ hoàn chỉnh.
- Tìm ra các điểm mạnh và hạn chế của việc tích hợp GIS và viễn thám trong công tác thành lập bản đồ hiện trạng.
Yêu cầu kỹ thuật của đề tài:
- Phải có ảnh viễn thám chụp khu vực lưu vực thủy điện Sơn La với độ phân giải thích hợp cho công tác xử lý và đoán đọc.
- Thời điểm chụp của tư liệu ảnh không vượt quá 1 năm so với thời điểm thành lập bản đồ.
- Nắm vững quy trình thao tác và sử dụng thành thạo phần mềm ENVI, kết hợp kiến thức chuyên môn về trắc địa ảnh viễn thám, trắc địa đại cương và bản đồ học.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Tư liệu ảnh vệ tinh Landsat TM (độ phân giải không gian 30m x 30m, chụp tháng 3/2014); phần mềm xử lý ảnh ENVI 4.7; phần mềm ArcGIS 10 (cùng các phần mềm hỗ trợ như MapInfo, MicroStation, ArcView); hệ thống bản đồ hiện trạng sử dụng đất và các tài liệu điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội liên quan đến lưu vực thủy điện Sơn La.
- Phạm vi không gian: Toàn bộ khu vực lưu vực thủy điện Sơn La thuộc địa giới hành chính của 8 huyện, thị xã thuộc 3 tỉnh Tây Bắc: Sơn La (Quỳnh Nhai, Mường La, Thuận Châu), Điện Biên (Mường Chà, Thị xã Mường Lay, Tủa Chùa) và Lai Châu (Sìn Hồ, Mường Tè).
- Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ tháng 8/2014 đến tháng 11/2014 tại Trung tâm Ngoại ngữ và Tin học ứng dụng (Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên) kết hợp khảo sát thực địa tại xã Mường Trai, huyện Mường La, tỉnh Sơn La.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở khoa học dựa trên hai trụ cột chính là Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và Công nghệ viễn thám (Remote Sensing):
-
Khung lý thuyết về GIS và Viễn thám:
- GIS được phân tích dựa trên cấu trúc 5 hợp phần cơ bản: Thiết bị phần cứng (Hardware), Phần mềm (Software), Cơ sở dữ liệu địa lý và thuộc tính (Geographic Data), Con người chuyên môn (Expertise) cùng Chính sách và quy chế quản lý vận hành (Policy and Management).
- Hệ thống viễn thám được mô tả gồm chuỗi 7 phần tử liên hoàn: Nguồn năng lượng; Sự tương tác giữa bức xạ và khí quyển; Sự tương tác với đối tượng mặt đất; Bộ cảm (Sensor) thu nhận năng lượng; Truyền tải, thu nhận và xử lý ảnh thô; Giải đoán và phân tích ảnh; Ứng dụng thực tế. Tác giả phân định hai nhóm cảm biến là cảm biến thụ động (thu bức xạ tự nhiên/mặt trời phản xạ) và cảm biến chủ động (tự phát nguồn năng lượng để quét đối tượng).
- Đặc tính các băng phổ của ảnh Landsat TM được tác giả làm rõ:
- Băng 1 (0.45 – 0.52 µm, Lam): Thâm nhập nước trong suốt, khảo sát trầm tích ven bờ và vật thể ngập nước.
- Băng 2 (0.52 – 0.60 µm, Xanh): Nhạy cảm với thảm thực vật xanh.
- Băng 3 (0.63 – 0.69 µm, Đỏ): Băng hấp thụ diệp lục, dùng để nhận diện và đánh giá trạng thái thực vật.
- Băng 4 (0.76 – 0.90 µm, Cận hồng ngoại): Bị nước hấp thụ mạnh, giúp phân tách ranh giới đất – nước.
- Băng 5 (1.55 – 1.75 µm, Hồng ngoại trung): Rất nhạy với độ ẩm của đất và thực vật.
- Băng 6 (10.40 – 12.50 µm, Hồng ngoại nhiệt, độ phân giải 60m): Đo bức xạ nhiệt bề mặt.
- Băng 7 (2.08 – 2.35 µm, Hồng ngoại xa): Đánh giá độ ẩm thực vật và đặc tính thạch học, khoáng sản.
- Cấu trúc tệp dữ liệu raster: Dạng tuần tự băng (BSQ – Band Sequential), xen kẽ theo điểm ảnh (BIP – Band Interleaved by Pixel) và xen kẽ theo dòng (BIL – Band Interleaved by Line).
-
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp ngoại nghiệp: Khảo sát thực địa, sử dụng thiết bị định vị GPS cầm tay để đo đạc các tọa độ kiểm tra, thu thập thông tin mẫu mặt đất, đối soát và hiệu chỉnh kết quả giải đoán nội nghiệp.
- Phương pháp nội nghiệp: Thực hiện trên các phần mềm chuyên dụng gồm ENVI 4.7 và ArcGIS 10. Tiến hành các bước mở ảnh, kiểm tra thông tin tệp *.hdr, tăng cường chất lượng ảnh (Enhance, Filter), nắn chỉnh hình học theo điểm khống chế mặt đất (GCP), cắt ảnh theo ranh giới vector của lưu vực, phân loại ảnh số, chuyển đổi kết quả raster sang định dạng vector và biên tập bản đồ chuyên đề.
- Phương pháp giải viễn thám: Kết hợp giữa phân loại không kiểm định (Unsupervised Classification theo thuật toán ISODATA) và phân tích có kiểm định dựa trên việc xây dựng khóa giải đoán từ 8 yếu tố đặc trưng: kích thước (size), hình dạng (shape), bóng vật (shadow), kết cấu (texture), mẫu cấu trúc (pattern), vị trí địa lý (site), mối liên kết (association) và độ phân giải (resolution).
Nội dung chính theo từng chương
Phần 1: Mở đầu
Trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng tiến bộ công nghệ viễn thám và GIS trong công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường. Tác giả xác định rõ mục đích, yêu cầu kỹ thuật và ý nghĩa của đề tài trên cả hai phương diện: nghiên cứu khoa học (nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ xử lý dữ liệu không gian) và thực tiễn sản xuất (xây dựng bộ CSDL bản đồ số hỗ trợ quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo tồn tài nguyên lưu vực thủy điện Sơn La).
Phần 2: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
Tổng hợp toàn diện cơ sở khoa học của GIS và viễn thám, phân tích chức năng của GIS trong các lĩnh vực môi trường, khí tượng thủy văn, nông nghiệp, giao thông, dịch vụ công và chính quyền địa phương. Giới thiệu các trung tâm nghiên cứu GIS lớn trên thế giới (RRL - Anh, NCGIA - Mỹ, NEXPRI - Hà Lan) và các hệ thống vệ tinh quan sát Trái Đất (Ikonos, QuickBird, WorldView-1/2, IRS/Cartosat, GeoEye, SPOT-5, Formosat-2, Landsat, ASTER, CBERS-2). Đồng thời, tác giả đánh giá thực trạng nghiên cứu GIS/viễn thám tại Việt Nam và chỉ ra các rào cản chính: thiếu hành lang chuẩn hóa dữ liệu không gian, thiếu cơ chế chia sẻ thông tin liên ngành và điều kiện khí hậu nhiệt đới nhiều mây gây hạn chế chất lượng ảnh quang học.
Phần 3: Đối tượng, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Xác định cụ thể đối tượng nghiên cứu là nguồn ảnh Landsat TM tháng 3/2014 độ phân giải 30m; phần mềm ENVI 4.7 và ArcGIS 10. Khái quát quy trình nghiên cứu gồm 4 bước kỹ thuật chính:
- Điều tra cơ bản điều kiện tự nhiên và khảo sát thực địa.
- Thu thập và phân tích đặc tính quang phổ của dữ liệu ảnh vệ tinh.
- Tiền xử lý, nắn ảnh hình học và tăng cường khả năng hiển thị của ảnh.
- Xây dựng kế hoạch phân lớp, phân loại ảnh số theo các đối tượng lớp phủ và kiểm chứng bằng dữ liệu GPS thực địa.
Phần 4: Kết quả nghiên cứu
Đây là phần nội dung thực nghiệm trọng tâm của khóa luận, gồm hai mảng nội dung:
- Phân tích điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội vùng lưu vực thủy điện Sơn La:
- Vị trí và địa hình: Hồ thủy điện Sơn La dài hơn 120km từ đập Ít Ong (Mường La) đến thị xã Mường Lay, diện tích hồ gần 225 $km^2$, dung tích 9,26 tỷ $m^3$. Diện tích lưu vực khống chế đến tuyến đập là 43.760 $km^2$. Địa hình chia cắt mạnh, các sườn đổ trực tiếp vào lòng hồ có độ dốc từ $20^\circ - 30^\circ$ (phổ biến $25^\circ - 28^\circ$), chiều dài sườn chủ yếu 70 – 80m.
- Khí hậu: Bức xạ tổng cộng năm đạt 120 – 133 $kcal/cm^2/năm$; tổng số giờ nắng 1.700 – 2.100 giờ/năm; nhiệt độ trung bình năm vùng thấp đạt 22,5 – 23,3°C (giảm xuống 20°C ở độ cao 750m và 16°C ở 1.500 – 1.600m). Lượng mưa trung bình năm dao động từ 1.300 – 3.200mm, tập trung chủ yếu trong mùa mưa (chiếm 80 – 92% tổng lượng mưa).
- Thủy văn: Lượng dòng chảy hàng năm đổ về hồ chứa đạt 48,3 tỷ $m^3$; lưu vực có 34 phụ lưu cấp 1 (trong đó 16 phụ lưu đổ trực tiếp vào hồ), mạng lưới sông suối dạng lông chim gây nguy cơ tập trung lũ nhanh.
- Tài nguyên: Gồm các nhóm đất chính (đất phù sa, đất đen, đất dốc tụ, đất đỏ vàng, đất mùn đỏ vàng); 47 điểm mỏ khoáng sản (kim loại, phi kim như kaolin Nậm Ràng, than Quỳnh Nhai/Bản Mướn, đá lợp); đa dạng sinh học cao với 870 loài thực vật bậc cao (435 chi, 135 họ) và 311 loài động vật có xương sống (48 họ, 28 bộ); 36 di tích khảo cổ trong vùng ngập lòng hồ.
- Đặc điểm dân cư và kinh tế: Khu vực có 29 dân tộc sinh sống với cơ cấu được tổng hợp tại Bảng 4.1. GDP bình quân khu vực đạt 148 USD/người/năm (năm 2000, bằng 32% bình quân cả nước), tỷ lệ đói nghèo trên 30% (2003) và vượt 48% tại các vùng sâu vùng xa (2004).
| STT |
Thành phần dân tộc |
Tỷ lệ cơ cấu (%) |
STT |
Thành phần dân tộc |
Tỷ lệ cơ cấu (%) |
| 1 |
Kinh |
43,41 |
8 |
Xá |
0,40 |
| 2 |
Thái |
40,34 |
9 |
Mảng |
Dưới 0,10 |
| 3 |
Dao |
7,35 |
10 |
Giáy |
Dưới 0,10 |
| 4 |
Mường |
3,92 |
11 |
Si La |
Dưới 0,10 |
| 5 |
Khơ Mú |
2,62 |
12 |
Lự |
Dưới 0,10 |
| 6 |
Mông |
1,27 |
13 |
Kháng |
Dưới 0,10 |
| 7 |
Hà Nhì |
0,49 |
14 |
Các dân tộc khác |
Dưới 0,10 |
- Quy trình xử lý ảnh và thành lập bản đồ hiện trạng:
- Mở và đọc dữ liệu ảnh Landsat TM đa phổ trên ENVI 4.7 thông qua 3 cửa sổ tương tác: Image Window (hiển thị dữ liệu gốc), Scroll Window (điều hướng vùng bao quát) và Zoom Window (phóng to chi tiết).
- Tăng cường hiển thị (Enhance) và lọc ảnh (Filter) để nâng cao độ tương phản giữa các kiểu thảm phủ và nền đất/nước.
- Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh bằng hệ thống các điểm GCP lấy từ bản đồ địa hình và tọa độ GPS thực địa.
- Cắt ảnh theo ranh giới hành chính và lưu vực bằng tệp ranh giới dạng vector.
- Thực hiện phân lớp ảnh số (sử dụng thuật toán phân loại tự động ISODATA kết hợp tách ngưỡng phân đoạn và chỉ số thực vật NDVI), sau đó gộp các lớp quang phổ tương đồng thành các lớp trạng thái lớp phủ bề mặt.
- Chuyển đổi dữ liệu raster đã phân lớp sang định dạng dữ liệu vector (Shapefile/Coverage).
- Đưa dữ liệu sang phần mềm ArcGIS 10 (sử dụng các mô-đun ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox) để chuẩn hóa hệ tọa độ, biên tập thuộc tính, hoàn thiện bản đồ hiện trạng và truy xuất bảng thống kê diện tích các đối tượng.
Phần 5: Kết luận và kiến nghị
Tổng hợp những kết quả đạt được về mặt phương pháp luận và kỹ thuật xử lý dữ liệu không gian; đồng thời nêu các đề xuất về việc hoàn thiện khung chuẩn dữ liệu GIS quốc gia và đẩy mạnh ứng dụng tư liệu viễn thám trong giám sát môi trường.
Kết quả và đóng góp
-
Kết quả chính đạt được:
- Thiết lập thành công chuỗi quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh tích hợp giữa ENVI 4.7 và ArcGIS 10 để giải đoán, phân lớp và biên tập bản đồ hiện trạng từ ảnh Landsat TM cho một khu vực có quy mô lớn (lưu vực khống chế 43.760 $km^2$).
- Tổng hợp hệ thống dữ liệu toàn diện về điều kiện tự nhiên (bức xạ 120 – 133 $kcal/cm^2/năm$, tổng lượng mưa 1.300 – 3.200mm, dòng chảy 48,3 tỷ $m^3$/năm), hiện trạng 47 điểm mỏ khoáng sản, 870 loài thực vật, 311 loài động vật và 36 di tích khảo cổ vùng ngập.
- Số hóa và chuẩn hóa cơ cấu dân tộc (29 dân tộc, chủ yếu là Kinh 43,41% và Thái 40,34%) cùng các chỉ tiêu kinh tế - xã hội của 8 huyện/thị thuộc lưu vực.
- Phân tách và chiết xuất thành công các lớp phủ bề mặt chính (mặt nước sông hồ, đất nông nghiệp, các trạng thái thảm thực vật rừng, đất trống/đồi núi trọc) trên cơ sở kết hợp các kênh phổ và chỉ số phản xạ.
-
Giải pháp và kiến nghị của tác giả:
- Nhà nước cần sớm ban hành hệ thống quy phạm chuẩn về dữ liệu, thông tin và quy trình vận hành GIS nhằm đảm bảo khả năng tích hợp, chia sẻ và ghép nối dữ liệu giữa các bộ, ngành và địa phương.
- Đẩy mạnh công tác đào tạo chuyên môn cho đội ngũ kỹ thuật viên về GIS và viễn thám để phát triển mạng lưới các trung tâm GIS chuyên ngành trên toàn quốc.
- Cần kết hợp đồng thời công tác ngoại nghiệp (đo đạc GPS, điều tra đối soát thực tế) với xử lý nội nghiệp để đảm bảo độ chính xác cao nhất cho bản đồ chuyên đề.
- Khắc phục các rào cản hành chính và tâm lý cục bộ trong việc chia sẻ, trao đổi thông tin dữ liệu không gian giữa các tổ chức quản lý.
-
Đóng góp của khóa luận:
- Minh chứng tính khả thi và hiệu quả của việc kết hợp ENVI và ArcGIS trong việc rút ngắn thời gian, giảm chi phí nhân lực so với phương pháp thành lập bản đồ hiện trạng truyền thống.
- Đóng góp một bộ cơ sở dữ liệu số về hiện trạng địa hình, lớp phủ và đặc điểm tự nhiên - xã hội phục vụ công tác quản lý tài nguyên đất, bảo vệ rừng đầu nguồn và quy hoạch phát triển bền vững tại lưu vực thủy điện Sơn La.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
-
Hạn chế:
- Tư liệu ảnh Landsat TM sử dụng có độ phân giải không gian trung bình ($30m \times 30m$), dẫn đến hiện tượng điểm ảnh hỗn hợp (mixed pixel) tại các khu vực ranh giới giữa các loại thực vật hoặc thửa đất manh mún, làm giới hạn khả năng phân loại chi tiết các trạng thái rừng.
- Ảnh hưởng của điều kiện mây mù và khí hậu nhiệt đới ẩm vùng Tây Bắc gây khó khăn cho việc thu nhận ảnh quang học chất lượng cao trong cùng một thời điểm.
- Mức độ chính xác giải đoán ảnh còn phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên môn của người thực hiện và mức độ đối soát thực địa.
-
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Ứng dụng các nguồn ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian và phân giải phổ cao hơn (như SPOT, WorldView, QuickBird) hoặc kết hợp ảnh viễn thám đa thời gian để theo dõi biến động lớp phủ.
- Nghiên cứu tích hợp các mô hình số hóa độ cao (DEM) và thuật toán phân loại hướng đối tượng (Object-based classification) để nâng cao độ chính xác nhận diện thảm phủ vùng núi hiểm trở.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên: Thuộc các chuyên ngành Quản lý Đất đai, Quản lý Tài nguyên, Trắc địa - Bản đồ, Khoa học Môi trường và Địa lý ứng dụng.
- Cán bộ kỹ thuật và quản lý: Các cơ quan địa chính, viện quy hoạch nông lâm nghiệp, ban quản lý lưu vực sông và các tổ chức theo dõi tài nguyên thiên nhiên.
- Nội dung giá trị nhất: Quy trình từng bước xử lý dữ liệu ảnh vệ tinh trên ENVI (nắn ảnh, cắt ảnh, phân loại ISODATA, xuất vector) và phương pháp biên tập bản đồ hiện trạng trên ArcGIS 10; cùng hệ thống dẫn liệu thứ cấp chi tiết về tự nhiên, khí hậu và kinh tế - xã hội vùng lòng hồ thủy điện Sơn La.
Câu hỏi thường gặp
1. Dữ liệu viễn thám chính được sử dụng trong khóa luận là loại ảnh nào?
Khóa luận sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM đa phổ có độ phân giải không gian $30m \times 30m$, được chụp vào tháng 3 năm 2014 bao trùm khu vực lưu vực thủy điện Sơn La.
2. Phạm vi hành chính của lưu vực nghiên cứu gồm những địa phương nào?
Phạm vi nghiên cứu bao gồm 8 huyện và thị xã thuộc 3 tỉnh Tây Bắc: tỉnh Sơn La (3 huyện: Quỳnh Nhai, Mường La, Thuận Châu), tỉnh Điện Biên (3 huyện/thị: Mường Chà, Thị xã Mường Lay, Tủa Chùa) và tỉnh Lai Châu (2 huyện: Sìn Hồ, Mường Tè).
3. Quy trình phối hợp phần mềm trong đề tài được phân chia như thế nào?
Đề tài sử dụng phần mềm ENVI 4.7 cho các tác vụ tiền xử lý, nắn ảnh hình học, cắt ảnh, phân loại phổ số (Unsupervised ISODATA) và chuyển đổi kết quả sang vector. Sau đó, phần mềm ArcGIS 10 (ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox) được sử dụng để quản lý cơ sở dữ liệu, chuẩn hóa thuộc tính, biên tập bản đồ hiện trạng và tính toán diện tích các lớp đối tượng.
4. Băng phổ nào của ảnh Landsat được dùng để phân tách ranh giới giữa mặt nước và đất liền?
Băng 4 (bước sóng $0,76 – 0,90$ µm, dải cận hồng ngoại) được sử dụng để phân biệt mặt nước và đất, do bức xạ ở dải sóng này bị nước hấp thụ gần như hoàn toàn (thể hiện màu đen trên ảnh), trong khi đất và thực vật phản xạ mạnh hơn.
5. Cơ cấu dân tộc tại khu vực dự án có đặc điểm gì nổi bật?
Khu vực dự án là nơi cư trú của 29 dân tộc, trong đó hai dân tộc chiếm tỷ lệ lớn nhất là dân tộc Kinh (43,41%) và dân tộc Thái (40,34%). Các dân tộc tiếp theo gồm Dao (7,35%), Mường (3,92%), Khơ Mú (2,62%), Mông (1,27%), Hà Nhì (0,49%), Xá (0,40%), các dân tộc còn lại chiếm tỷ lệ dưới 0,1%.
Kết luận
Khóa luận của tác giả Phạm Đức Anh đã ứng dụng thành công công nghệ viễn thám và GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu và thành lập bản đồ hiện trạng lưu vực thủy điện Sơn La từ ảnh vệ tinh Landsat TM. Bằng việc kết hợp năng lực phân loại ảnh số của phần mềm ENVI 4.7 và khả năng quản lý, biên tập không gian của ArcGIS 10, công trình đã chuẩn hóa một quy trình công nghệ xử lý dữ liệu địa lý chặt chẽ. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp bức tranh chi tiết về hiện trạng tự nhiên, kinh tế - xã hội của vùng lưu vực sông Đà mà còn là tài liệu tham khảo thực tiễn giá trị cho công tác quản lý tài nguyên và quy hoạch sử dụng đất tại các vùng miền núi.
