Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên hữu hạn, giữ vai trò là tư liệu sản xuất đặc biệt và là không gian sinh sống, phát triển kinh tế - xã hội. Tại huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc – địa bàn trọng điểm về du lịch và dịch vụ của tỉnh, quá trình đô thị hóa và phát triển kinh tế - xã hội diễn ra nhanh chóng đã tạo ra áp lực lớn lên cơ cấu sử dụng đất. Xu hướng chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng tăng tỷ trọng ngành du lịch - dịch vụ và giảm tỷ trọng nông nghiệp dẫn tới sự biến động mạnh mẽ của các lớp phủ mặt đất, đặc biệt là sự suy giảm diện tích đất lâm nghiệp và đất nông nghiệp để nhường chỗ cho đất phi nông nghiệp và hạ tầng kỹ thuật. Các phương pháp thống kê, kiểm kê đất đai truyền thống thường tốn kém chi phí, thời gian và thiếu tính trực quan về mặt không gian địa lý. Khóa luận tốt nghiệp "Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 trong xây dựng bản đồ lớp phủ mặt đất huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc" của sinh viên Nguyễn Huy Hoàng (ngành Quản lý tài nguyên thiên nhiên, Trường Đại học Lâm nghiệp) được thực hiện từ tháng 02/2020 đến tháng 05/2020 nhằm giải quyết bài toán giám sát biến động lớp phủ bằng công nghệ viễn thám kết hợp hệ thống thông tin địa lý (GIS).

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu chung: Góp phần xây dựng bộ công cụ quản lý đất đai ứng dụng GIS và viễn thám cho khu vực huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc năm 2014 và năm 2020 ở tỷ lệ 1:60.000.
    • Thành lập bản đồ biến động và đánh giá sự biến động lớp phủ mặt đất khu vực huyện Tam Đảo giai đoạn 2014 – 2020.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Điều tra, nghiên cứu đặc điểm lớp phủ mặt đất tại huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc.
  2. Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và các số liệu thống kê liên quan.
  3. Tiến hành xử lý, giải đoán ảnh viễn thám bằng phương pháp phân loại có kiểm định.
  4. Thành lập bản đồ lớp phủ bề mặt và phân tích biến động không gian qua các thời kỳ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Trạng thái lớp phủ mặt đất và sự biến động của 6 loại thực phủ chính (Mặt nước, Đất rừng, Khu dân cư, Giao thông, Đất trống, Đất nông nghiệp).
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ diện tích tự nhiên huyện Tam Đảo (236,42 km², tương đương khoảng 23.642 ha), nằm ở tọa độ địa lý 21°23′37″ B và 105°37′0″ Đ. Địa bàn bao gồm 3 thị trấn (Hợp Châu, Đại Đình, Tam Đảo) và 6 xã (Yên Dương, Đạo Trù, Bồ Lý, Tam Quan, Hồ Sơn, Minh Quang), trong đó có hơn 120 km² diện tích thuộc Vườn Quốc gia Tam Đảo.
  • Phạm vi thời gian: Giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và hệ thống phân loại

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý tương tác giữa bức xạ điện từ và các đối tượng bề mặt trái đất trong công nghệ viễn thám, kết hợp 4 chức năng cốt lõi của GIS (thu thập dữ liệu, quản lý dữ liệu, phân tích không gian và hiển thị kết quả) theo các cơ sở lý thuyết của Ducker (1979), Burrough (1986) và Nguyễn Kim Lợi cùng cộng sự (2009).

Về phân loại lớp phủ, tác giả tham khảo các hệ thống chuẩn quốc tế gồm FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land Cover Classification - 3 cấp), CORINE (Coordination of Information on the Environment - 3 cấp, 44 loại) và Hệ thống Phân loại Thực phủ và Sử dụng đất Hoa Kỳ của Anderson cùng cộng sự (1976). Trên cơ sở đó, tác giả xây dựng hệ thống phân loại gồm 6 lớp phủ phù hợp với đặc thù khu vực nghiên cứu:

Cấp I Cấp II Khái niệm và đặc điểm nhận diện
Lớp phủ mặt nước Mặt nước Vùng nước liên tục (hồ, ao, sông, suối, kênh mương), chiều rộng tuyến tính tối thiểu 200 m.
Lớp phủ đất nông nghiệp Đất nông nghiệp Đất canh tác lúa, hoa màu, cây ngắn ngày phục vụ sản xuất lương thực.
Lớp phủ đất rừng Đất rừng Đất có độ che phủ từ 10% trở lên, gồm rừng tự nhiên, rừng trồng, cây lâu năm, tre nứa.
Lớp phủ khác Đất trống Đất có dưới 1/3 diện tích che phủ bởi thực vật (đất bỏ hoang, đồi trọc, nghĩa trang, bãi rác).
Lớp phủ dân cư Khu dân cư Khu vực đô thị và nông thôn từ mật độ cao đến mật độ thấp.
Lớp phủ dân cư Giao thông Hệ thống đường quốc lộ, tỉnh lộ và mạng lưới giao thông dạng tuyến.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu ảnh vệ tinh: Ảnh Landsat 8 (bộ cảm OLI/TIRS, độ phân giải không gian 30 m đối với các kênh đa phổ) thu thập từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS EarthExplorer), Path 127 / Row 045:
    • Cảnh ảnh năm 2014: LC08_L1TP_127045_20140119_20170426_01_T1 (chụp ngày 19/01/2014).
    • Cảnh ảnh năm 2020: LC08_L1TP_127045_20190930_20191018_01_T1 (chụp ngày 30/09/2019, lựa chọn do có tỷ lệ mây che phủ thấp nhất, phù hợp với thời điểm nghiên cứu).
  • Dữ liệu thực địa: 295 điểm mẫu khảo sát bằng thiết bị định vị vệ tinh GPS từ tháng 02/2020 đến tháng 04/2020 (Đất rừng: 66 điểm, Đất nông nghiệp: 55 điểm, Khu dân cư: 53 điểm, Mặt nước: 44 điểm, Giao thông: 44 điểm, Đất trống: 33 điểm).
  • Dữ liệu văn bản, bản đồ: Bản đồ ranh giới hành chính, số liệu thống kê dân số (83.931 người tính đến 01/04/2019 theo UBND huyện Tam Đảo), Nghị định số 153/2003/NĐ-CP và số liệu quy hoạch sử dụng đất của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc.

Phương pháp xử lý và giải đoán ảnh

  • Xử lý tiền kỳ: Gộp các kênh phổ đơn lẻ (Band composite) và cắt ảnh theo ranh giới hành chính huyện Tam Đảo trên phần mềm ArcGIS 10.3.
  • Phương pháp phân loại ảnh: Phân loại có kiểm định (Supervised Classification) sử dụng thuật toán hợp lý cực đại (Maximum Likelihood Classification). Thuật toán này gán từng pixel vào lớp có xác suất thuộc về cao nhất dựa trên mẫu huấn luyện.
  • Xác định tỷ lệ bản đồ: Dựa theo công thức của Waldo Tobler (1987) và Rajinder Nagi (2010): $$\text{Tỷ lệ bản đồ} = \text{Độ phân giải (m)} \times 2 \times 1000 = 30 \times 2 \times 1000 = 60.000 \quad (\text{Tỷ lệ } 1:60.000)$$
  • Đánh giá độ chính xác: Sử dụng ma trận sai số (Error Matrix) để tính độ chính xác toàn cục ($p_0$), độ chính xác của người sản xuất (Producer's Accuracy), độ chính xác của người sử dụng (User's Accuracy) và hệ số Kappa ($\hat{K}$): $$\hat{K} = \frac{p_0 - p_c}{1 - p_c}$$ (Trong đó $p_0$ là độ chính xác toàn cục, $p_c$ là sự phù hợp ngẫu nhiên theo tiêu chuẩn USGS).
  • Phân tích biến động: Sử dụng công cụ phân tích không gian (Spatial Analyst) và kỹ thuật chồng lớp (Overlay) trên ArcGIS 10.3 để lập bảng ma trận chuyển hóa giữa các lớp phủ giai đoạn 2014 – 2020.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Đặt vấn đề

Tác giả phân tích tính cấp thiết của việc nghiên cứu biến động tài nguyên đất đai dưới tác động của sự phát triển kinh tế - xã hội, đô thị hóa và du lịch tại huyện Tam Đảo. Khái quát ưu thế của ảnh viễn thám đa thời gian (đặc biệt là vệ tinh Landsat 8 phóng năm 2013) tích hợp GIS trong việc cập nhật nhanh hiện trạng sử dụng đất với chi phí hợp lý. Chương này cũng nêu rõ cấu trúc khóa luận gồm 5 chương.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu

Trình bày tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của huyện Tam Đảo (diện tích 236,42 km², địa hình phức tạp từ đồng bằng đến núi cao trên 1000 m, nhiệt độ trung bình 18,4°C, lượng mưa tập trung 90% từ tháng 5 đến tháng 10). Tổng kết lý thuyết viễn thám, nguyên lý thu nhận sóng điện từ của bộ cảm OLI và TIRS trên vệ tinh Landsat 8 (11 kênh phổ, độ phân giải từ 15 m đến 100 m, dải quét 185 km × 180 km). Khái quát 4 chức năng của GIS, định nghĩa lớp thực phủ và phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống phân loại FAOLCC, CORINE, Anderson et al. (1976).

Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chi tiết hóa nguồn dữ liệu vệ tinh Landsat 8 thu thập từ USGS (các cảnh ảnh năm 2014 và 2019/2020 tại Path 127 / Row 045). Mô tả quy trình khảo sát thực địa bằng GPS với 295 điểm mẫu. Thiết lập hệ thống phân loại 6 lớp phủ và xây dựng bảng khóa giải đoán ảnh dựa trên đặc trưng phổ và màu sắc hiển thị. Trình bày chi tiết thuật toán phân loại có kiểm định Maximum Likelihood, công thức xác định tỷ lệ bản đồ 1:60.000, công thức ma trận sai số, chỉ số Kappa và quy trình số hóa, chồng lớp (Overlay) trên phần mềm ArcGIS 10.3.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Trình bày kết quả phân loại lớp phủ năm 2014 và năm 2020. Đánh giá độ chính xác phân loại thông qua ma trận sai số với 295 điểm kiểm tra thực địa, đạt độ chính xác toàn cục 80% và hệ số Kappa $\hat{K} = 0,76$. Thành lập 2 bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 2014, 2020 và bản đồ biến động lớp phủ giai đoạn 2014 – 2020 tỷ lệ 1:60.000. Phân tích chi tiết ma trận chuyển đổi diện tích giữa 6 loại thực phủ và đối chiếu với số liệu quy hoạch của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc.

Chương 5: Kết luận – Đề nghị

Tóm tắt các kết quả đạt được về diện tích biến động và độ chính xác phân loại. Khẳng định hiệu quả của ảnh Landsat 8 và phần mềm ArcGIS 10.3 trong việc theo dõi biến động tài nguyên đất. Nêu các khuyến nghị về việc quản lý quy hoạch đất đai tại địa phương và giải pháp nâng cao độ chính xác bằng dữ liệu viễn thám độ phân giải cao hơn.

Kết quả và đóng góp

1. Hiện trạng lớp phủ mặt đất năm 2014 và năm 2020

Kết quả giải đoán ảnh viễn thám bằng thuật toán Maximum Likelihood xác định cơ cấu diện tích 6 loại lớp phủ mặt đất huyện Tam Đảo tại hai thời điểm:

STT Loại lớp phủ Năm 2014 (ha) Tỷ lệ 2014 (%) Năm 2020 (ha) Tỷ lệ 2020 (%) Biến động (ha)
1 Mặt nước 308,43 1,31 384,21 1,64 +75,78
2 Đất nông nghiệp 3.579,93 15,24 2.735,46 11,64 -844,47
3 Đất rừng 16.683,21 71,02 14.939,37 63,59 -1.743,84
4 Khu dân cư 2.135,70 9,09 4.277,97 18,21 +2.142,27
5 Đất trống 82,08 0,35 283,41 1,21 +201,33
6 Giao thông 702,81 2,99 871,74 3,71 +168,93
Tổng 23.492,16 100,00 23.492,16 100,00

2. Ma trận chuyển hóa biến động lớp phủ giai đoạn 2014 – 2020

Kết quả phân tích chồng lớp không gian (Overlay) thể hiện chi tiết sự luân chuyển diện tích (đơn vị: ha) giữa các đối tượng:

Lớp phủ năm 2020 Mặt nước (2014) Đất rừng (2014) Khu dân cư (2014) Giao thông (2014) Đất trống (2014) Đất nông nghiệp (2014)
Mặt nước 287,12 13,15 2,63 0,36 7,32 73,63
Đất rừng 0,36 14.784,45 72,58 0,11 5,92 75,95
Khu dân cư 11,28 1.641,38 1.941,74 0,73 41,29 641,55
Giao thông 1,98 40,86 63,16 695,30 2,09 68,35
Đất trống 6,47 131,56 54,47 2,54 25,22 63,15
Đất nông nghiệp 1,22 71,81 1,12 3,77 0,24 2.657,30

Các phát hiện biến động nổi bật:

  • Đất rừng suy giảm mạnh nhất: Giảm 1.743,84 ha (giảm 11,67% so với năm 2014). Trong đó, có 1.641,38 ha đất rừng chuyển đổi sang khu dân cư và các công trình hạ tầng phục vụ du lịch.
  • Đất nông nghiệp thu hẹp: Giảm 844,47 ha (giảm 23,59% so với năm 2014), chuyển dịch chủ yếu sang khu dân cư (641,55 ha), đất rừng tái sinh/trồng mới (75,95 ha) và mặt nước (73,63 ha).
  • Khu dân cư tăng trưởng nhanh nhất: Tăng 2.142,27 ha (tăng hơn 2 lần so với năm 2014), nâng tỷ trọng từ 9,09% lên 18,21% tổng diện tích tự nhiên.
  • Các lớp phủ khác: Đất trống tăng 201,33 ha (tăng gấp 3 lần), giao thông tăng 168,93 ha, mặt nước tăng 75,78 ha.

3. Đánh giá độ chính xác phân loại

Kết quả ma trận sai số trên 295 điểm khảo sát thực địa:

  • Số điểm phân loại đúng: 237 điểm.
  • Độ chính xác toàn cục ($p_0$): 80% (237/295).
  • Hệ số Kappa ($\hat{K}$): 0,76 (thuộc mức độ chấp nhận khá theo phân loại của Cục Địa chất Hoa Kỳ - USGS).
  • Độ chính xác người sử dụng (User's Accuracy): Mặt nước (0,91), Đất rừng (0,84), Giao thông (0,84), Khu dân cư (0,79), Đất nông nghiệp (0,78), Đất trống (0,58).
  • Độ chính xác người sản xuất (Producer's Accuracy): Mặt nước (0,93), Đất rừng (0,91), Giao thông (0,90), Đất nông nghiệp (0,79), Khu dân cư (0,64), Đất trống (0,63).

4. Đóng góp của đề tài

  • Chứng minh khả năng ứng dụng hiệu quả của ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp phần mềm ArcGIS 10.3 trong việc chiết xuất thông tin lớp phủ mặt đất và theo dõi biến động tại khu vực vùng núi, trung du có địa hình phức tạp.
  • Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu số và hệ thống bản đồ hiện trạng, bản đồ biến động lớp phủ tỷ lệ 1:60.000 có độ tin cậy cao, kết quả phân loại tương đồng với số liệu thống kê quy hoạch của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc năm 2020 (Đất rừng >15.200 ha, Nông nghiệp >2.500 ha, Phi nông nghiệp >5.600 ha).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Độ phân giải không gian trung bình: Dữ liệu ảnh Landsat 8 có kích thước pixel 30 m × 30 m, dẫn đến sự xuất hiện của các pixel hỗn hợp (mixed pixels), gây khó khăn trong việc tách biệt các đối tượng có kích thước nhỏ và phổ tương đồng như đất trống và khu dân cư nông thôn (thể hiện qua độ chính xác người sử dụng của đất trống chỉ đạt 0,58).
  • Chất lượng ảnh và ảnh hưởng của mây: Khu vực Tam Đảo có địa hình đồi núi cao, thường xuyên bị mây che phủ dày đặc. Tác giả không thể thu thập ảnh chụp đúng thời điểm khảo sát năm 2020 mà phải sử dụng ảnh chụp ngày 30/09/2019 để thay thế.
  • Dữ liệu kiểm chứng thực địa: Do khoảng cách thời gian giữa năm 2014 và thời điểm thực hiện đề tài (2020) quá dài, các điểm mẫu khảo sát thực địa thu thập đầu năm 2020 phải dùng chung để kiểm chứng độ chính xác cho cả ảnh năm 2014.
  • Hướng phát triển: Cần ứng dụng các tư liệu ảnh viễn thám có độ phân giải không gian và phổ cao hơn (như Sentinel-2 hoặc ảnh vệ tinh thương mại độ phân giải siêu cao) kết hợp thuật toán học máy hiện đại để nâng cao độ chính xác phân loại các đối tượng phân tán.

Giá trị tham khảo

  • Đối với sinh viên và học viên: Tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành Quản lý tài nguyên thiên nhiên, Quản lý đất đai, Lâm nghiệp, Khoa học môi trường và Hệ thống thông tin địa lý (GIS) về quy trình xử lý ảnh Landsat 8, xây dựng khóa giải đoán, phân loại Maximum Likelihood và đánh giá ma trận sai số.
  • Đối với cơ quan quản lý nhà nước: Bản đồ biến động và các số liệu chuyển hóa diện tích là nguồn tài liệu hữu ích cho Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Tam Đảo, Ban Quản lý Vườn Quốc gia Tam Đảo và Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc trong công tác rà soát quy hoạch sử dụng đất, kiểm soát chuyển đổi đất lâm nghiệp và quản lý không gian phát triển du lịch bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán phân loại ảnh nào được sử dụng và độ chính xác đạt bao nhiêu?

Khóa luận sử dụng thuật toán phân loại có kiểm định hợp lý cực đại (Maximum Likelihood Classification) tích hợp trong phần mềm ArcGIS 10.3. Độ chính xác toàn cục ($p_0$) đạt 80% dựa trên 295 điểm khảo sát thực địa, với hệ số Kappa $\hat{K} = 0,76$, nằm trong ngưỡng tin cậy theo quy chuẩn của Cục Địa chất Hoa Kỳ (USGS).

2. Tỷ lệ bản đồ 1:60.000 được xác định dựa trên cơ sở khoa học nào?

Tỷ lệ bản đồ được tính toán dựa trên độ phân giải không gian của ảnh Landsat 8 (30 m) theo quy tắc của Waldo Tobler (1987) và công thức của Rajinder Nagi (2010): $$\text{Tỷ lệ} = 30 \times 2 \times 1000 = 60.000 \quad (\text{Tương ứng tỷ lệ bản đồ } 1:60.000)$$

3. Xu hướng biến động lớp phủ mặt đất chính tại Tam Đảo giai đoạn 2014 – 2020 là gì?

Xu hướng chính là sự suy giảm diện tích đất rừng (giảm 1.743,84 ha, tương đương giảm 11,67%) và đất nông nghiệp (giảm 844,47 ha, tương đương giảm 23,59%). Ngược lại, diện tích khu dân cư tăng mạnh nhất từ 2.135,70 ha lên 4.277,97 ha (tăng 2.142,27 ha, tăng hơn gấp đôi), đất trống tăng 201,33 ha và giao thông tăng 168,93 ha.

4. Loại hình chuyển đổi diện tích nào diễn ra mạnh nhất trong giai đoạn nghiên cứu?

Sự chuyển đổi từ đất rừng sang khu dân cư và hạ tầng xây dựng chiếm quy mô lớn nhất với diện tích 1.641,38 ha, tiếp theo là sự chuyển đổi từ đất nông nghiệp sang khu dân cư với diện tích 641,55 ha.

5. Tại sao ảnh Landsat 8 năm 2020 lại sử dụng dữ liệu chụp ngày 30/09/2019?

Do dữ liệu ảnh Landsat 8 chụp tại các thời điểm đầu năm 2020 tại khu vực Tam Đảo bị mây che phủ với tỷ lệ quá lớn, không đáp ứng yêu cầu chất lượng giải đoán, nên tác giả đã chọn cảnh ảnh ngày 30/09/2019 có chất lượng tốt và gần thời điểm khảo sát nhất để thực hiện.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Huy Hoàng đã ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để xây dựng thành công bản đồ lớp phủ mặt đất huyện Tam Đảo tỷ lệ 1:60.000 cho các năm 2014 và 2020 với độ chính xác toàn cục 80% ($\hat{K} = 0,76$). Nghiên cứu đã làm rõ bức tranh chuyển dịch không gian mạnh mẽ tại địa phương với sự suy giảm 1.743,84 ha đất rừng và 844,47 ha đất nông nghiệp, song hành cùng sự mở rộng gấp đôi diện tích khu dân cư (tăng 2.142,27 ha) phục vụ mục tiêu phát triển hạ tầng và du lịch. Đây là nguồn tư liệu khoa học phục vụ thiết thực cho công tác quy hoạch, giám sát và quản lý tài nguyên đất đai bền vững tại huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc.