ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------***------------

BÙI THỊ ÁNH DƯƠNG

Nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất
huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ
viễn thám và GIS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội

1


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Đinh Thị Bảo Hoa, người đã
tận tình chỉ bảo, động viên, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này.
Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Địa
lý cùng gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên khích lệ, tạo điều
kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn này.

2


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ..............................................................6

cách tổng hợp những thuộc tính cơ bản của đối tượng nghiên cứu....................26
2.1.2 Cơ sở viễn thám ứng dụng trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất....................31

2.2 Cơ sở GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất................................36
2.3 Phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất.....................................39
3


2.3.1 Chọn tư liệu ảnh viễn thám.......................................................................................40
2.3.2 Nắn chỉnh hình học...................................................................................................40
2.3.3 Đồng nhất về độ phân giải của các ảnh tư liệu........................................................41
2.3.4 Phân loại ảnh viễn thám............................................................................................41
2.4.5 Kiểm chứng................................................................................................................47
2.4.6 Kết quả phân loại.......................................................................................................47
CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG
NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT HUYỆN TỪ LIÊM...................48

3.1 Đặc điểm chung về địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội huyện Từ Liêm............48
3.2 Nguồn tư liệu sử dụng......................................................................................50
3.3 Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu...............................................................51
3.3.1 Nắn chỉnh hình học...................................................................................................51
3.3.2 Cắt ảnh.......................................................................................................................52
3.3.3 Giải đoán ảnh.............................................................................................................52
3.3.4 Phân loại....................................................................................................................52
3.3.3 Đánh giá kết quả phân loại.......................................................................................62
3.3.4 Phân tích dữ liệu trong GIS......................................................................................66
3.3.2 Phân tích biến động lớp phủ mặt đất huyện Từ Liêm..............................................68

3.4 Kết quả và đánh giá..........................................................................................72
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................................75

Hình 3.3 - Kiểm tra sự khác biệt giữa các mẫu...............................................................56
Hình 3.4 - Tạo project.......................................................................................................59
Hình 3.5 - Nhập dữ liệu đầu vào.......................................................................................60
Hình 3.6 - Hiển thị ảnh......................................................................................................60
Hình 3.7 - Kết quả của quá trình segment......................................................................61
Hình 3.8 - Hình ảnh phân biệt hai quá trình segment....................................................63
5


Hình 3.9 - Hình minh hoạ các đối tượng của phân loại theo pixel bị mất thông tin. . .64
Bảng 3.3 - Ma trận sai lẫn trong phương pháp phân loại thống kê..............................65
Bảng 3.4 -Bảng so sánh diện tích một số lớp của phương pháp phân loại theo pixel và
định hướng đối tượng với số liệu thống kê huyện...........................................................65
Hình 3.10 - Hình ảnh minh hoạ quá trình tính toán diện tích biến động.....................68
Biểu đồ 3.1 - Cơ cấu sử dụng đất năm 2003 và 2008......................................................68
Hình 3.11 - Kết quả tính biến động hai ảnh phân loại năm 2003 - 2008......................70
Bảng 3.5 - Diện tích biến động các loại hình sử dụng năm 2003-2008..........................70
Biểu đồ 3.2 - So sánh diện tích của các loại hình đất có biến động...............................71
Hình 3.12 - Tại Từ Liêm nhiều khu đất xen kẹt giữa các khu đô thị khó canh tác.....73

6


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ Liêm là một huyện nằm ở phía Tây cửa ngõ thủ đô Hà Nội. Theo quy
hoạch phát triển kinh tế - xã hội của thủ đô đến năm 2020, quá nửa huyện Từ Liêm
nằm trong vành đai phát triển của đô thị. Với tốc độ đô thị hóa nhanh như vậy, diện
tích đất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp và chia cắt, các khu công nghiệp, khu đô
thị mới từng bước hình thành. Sự biến động này có những thuận lợi song cũng có

pháp viễn thám và GIS đang và sẽ là một phương pháp quan trọng trong cấu trúc hệ
thống quan trắc biến động lớp phủ mặt đất ở các vùng ven đô nói chung và khu vực
Từ Liêm nói riêng.
Trong khoá luận này, tác giả đưa ra đề tài “Nghiên cứu biến động lớp phủ
mặt đất huyện Từ Liêm trên cơ sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS”

2. Mục tiêu và nhiệm vụ
a. Mục tiêu:
- Ứng dụng các phương pháp xử lý ảnh viễn thám đa thời gian theo dõi biến
động lớp phủ mặt đất.
- So sánh 2 phương pháp phân loại để chọn ra phương pháp tối ưu cho việc
thành lập các bản đồ biến động từ ảnh viễn thám.
- Đánh giá kết quả trên bản đồ biến động lớp phủ mặt đất của huyện Từ
Liêm.
b. Nhiệm vụ:
Dựa trên mục tiêu đề ra, cần thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Thu thập các tài liệu và các dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian có liên quan.
- Nghiên cứu tổng quan phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động
lớp phủ mặt đất.
- Nghiên cứu cơ sở phản xạ của các đối tượng.
- Xử lý dữ liệu trong phòng kết hợp điều tra thực địa.
- Tiến hành phân loại ảnh theo 2 phương pháp: phương pháp phân loại thống
kê và phương pháp phân loại hướng đối tượng.
8


- Giải thích kết quả, so sánh kết quả phân loại được với số liệu thống kê sử
dụng đất huyện Từ Liêm và so sánh các phương pháp phân loại ảnh.
- Phân tích biến động lớp phủ mặt đất khu vực Từ Liêm và so sánh, đánh giá
biến động qua 2 thời kỳ (2003 - 2008)

khác; các vùng đất trống, đồi núi trọc, cồn cát, bãi cát…
Khái niệm lớp phủ mặt đất khác với sử dụng đất, nhưng các đối tượng của
chúng lại có sự tương quan mật thiết. Sử dụng đất mô tả cách thức con người sử
dụng đất và các hoạt động kinh tế - xã hội xảy ra trên mặt đất, những hoạt động này
là sự tác động trực tiếp lên bề mặt đất, chính vì vậy mà một số loại hình sử dụng đất
cũng là đối tượng của lớp phủ mặt đất, ví dụ như đất đô thị và đất nông nghiệp. Một
số loại hình sử dụng đất khác như công viên theo góc độ lớp phủ bao gồm thảm cỏ,
rừng cây hay các công trình xây dựng nhưng trên thực tế trong hệ phân loại lớp phủ
mặt đất hiện hành đều phải xét đến khía cạnh sử dụng đất và đưa vào loại hình lớp
phủ nhân tạo có thực phủ.

10


Hình 1.1 - Sơ đồ tổng quát về lớp phủ mặt đất
(nguồn : Hệ phân loại lớp phủ CORINE)
Trên thực tế mỗi một khu vực khác nhau trên trái đất đều có loại hình lớp
phủ mặt đất đặc trưng và mỗi một đối tượng đều chịu sự tác động theo hai hướng
của tự nhiên và con người với mức độ mạnh, yếu khác nhau. Sự tác động này đã
làm cho lớp phủ mặt đất luôn biến đổi. Sự biến đổi của lớp phủ mặt đất ngược lại
cũng có những ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của con người, như diện tích
rừng suy giảm đã gây ra lũ lụt ở một số nơi; sự gia tăng của các khu công nghiệp và
các hoạt động nông nghiệp như tăng vụ lúa, nuôi trồng thuỷ sản không hợp lý là
một trong những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu. Như vậy có thể nói lớp phủ mặt
đất có quan hệ mật thiết với các hoạt động kinh tế xã hội, tài nguyên thiên nhiên và
môi trường sống của con người. Do đó, để trái đất có thể phát triển bền vững là mục
tiêu lớn đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia và mỗi châu lục. Trong những năm qua,
trên thế giới đã xảy ra rất nhiều những hiện tượng làm ảnh hưởng lớn đến tài
nguyên thiên nhiên và môi trường, như:
- Sa mạc hóa diễn ra với tốc độ nhanh hơn

phủ thực vật, đất nông nghiệp, bề mặt nhân tạo.
- Phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu viễn thám bao gồm các
12


loại ảnh vệ tinh như SPOT, LANDSAT, ảnh hàng không…
- Các đối tượng trong hệ phân loại đáp ứng được yêu cầu phân tách được đối
tượng trên các tư liệu thu thập ở các thời gian khác nhau.
- Hệ thống phân loại áp dụng được cho nhiều vùng rộng lớn
- Hệ thống phân loại phân chia các đối tượng theo các cấp bậc nên phù hợp
với việc phân tích đối tượng trên các tư liệu có độ phân giải khác nhau, đáp ứng yêu
cầu thành lập bản đồ ở các tỷ lệ khác nhau.
Tuy nhiên trên mỗi hệ phân loại đều có những đặc điểm riêng phù hợp với
điều kiện tự nhiên, mức độ khai thác lớp phủ bề mặt của từng khu vực.
Hệ phân loại FAOLCC (Food and Agriculture Organization Land Cover
Classification) vừa tổng hợp để phù hợp với mọi điều kiện trên trái đất nhưng vừa
chi tiết đến tính chất của từng đối tượng mà chỉ có thể bổ sung thông tin nhờ khảo
sát ngoại nghiệp.
Hệ phân loại CORINE (Coordination of information on the environment)
dựa vào phần nào nguyên tắc của FAOLCC và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm của
Mỹ và Châu Âu.
Cụ thể là:
* Hệ phân loại lớp phủ mặt đất FAOLCC chia ra theo 3 cấp chính:
Cấp 1 (Level1): Phân ra thành 2 loại theo đặc điểm có hay không có lớp phủ
thực vật của bề mặt đất.
Cấp 2 (Level 2): Phân ra thành 4 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 1
theo đặc điểm ngập nước hay không ngập nước của bề mặt đất.
Cấp 3 (Level 3): Phân ra thành 8 loại theo nguyên tắc chia các loại của cấp 2
theo tính chất tự nhiên hay nhân tạo của bề mặt đất. Từ cấp 3 trở đi các đối tượng
được phân chia chi tiết hơn tuỳ theo đặc điểm của đối tượng cũng như khu vực

Lớp phủ đất nông

2. Vùng chuyên canh lúa, lúa màu
3. Vùng chuyên canh rau màu, cây ngắn ngày khác
4. Đất trồng cây lâu năm
5. Khu dân cư đô thị
6. Khu dân cư nông thôn
7. Đất chưa sử dụng

nghiệp
Lớp phủ dân cư
Lớp phủ mặt đất
khác

Bảng 1.1 - Hệ phân loại lớp phủ mặt đất tại khu vực huyện Từ Liêm

1.2 Khái niệm về biến động
Cụm từ biến động được nhắc đến ở mọi nơi, mọi lúc ví như: biến động thị
trường, biến động giá cả, biến động không gian, biến động dân số, biến động tâm
14


lí… Như vậy, biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái này
bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi trường tự
nhiên cũng như môi trường xã hội.
* Biến động về chất và về lượng
Theo triết học duy vật biện chứng: Chất là tính quy định vốn có của các sự
vật và hiện tượng, là sự thống nhất hữu cơ của các thuộc tính, các yếu tố cấu thành
sự vật, nói lên sự vật đó là gì, phân biệt nó với các sự vật, hiện tượng khác. Lượng
là tính quy định vốn có của sự vật hiện tượng về quy mô, trình độ phát triển, biểu thị

có sự thay đổi về chất của A, trên thực tế đây là sự thay đổi loại hình lớp phủ mặt
đất.
* Phân tích vector biến động
Các đối tượng địa lý đơn giản hay phức tạp đều được qui thành 3 dạng: điểm
(point), đường (line), vùng (polygon). Trong đó: điểm (point): thể hiện một phần tử
dữ liệu gắn với một vị trí xác định trong không gian 2 hoặc 3 chiều. Phương pháp
phân tích vector cho phép xác định và nghiên cứu xu thế biến động về chất của
từng điểm trong không gian 2 hoặc n chiều.
Biến động vùng đất được thể hiện qua hai hình thức chính sau:
- Biến động về diện tích: biến động về diện tích thể hiện qua các thời gian
khác nhau.
- Biến động về loại hình đất đai: biến động về hiện trạng lớp phủ mặt đất
thể hiện qua hai thời điểm khác nhau.
Từ các tư liệu ảnh, tiến hành so sánh để có thông tin về sự biến động của đất
đai theo nguyên tắc phân tích vector.

1.3 Các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động
Theo dõi biến động tài nguyên và môi trường đã trở thành một ứng dụng
quan trọng được nghiên cứu nhiều trong kỹ thuật viễn thám. Với việc sử dụng vệ
tinh quang học, có thể tóm tắt lại thành 4 phương pháp đánh giá biến động chính
sau:
* Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại

16


Hình 1.2 - Phương pháp phân tích sau phân loại
Việc tiến hành phân loại độc lập các ảnh viễn thám làm cho phương pháp
này có độ chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép phân loại
và đó thường là độ chính xác không cao, đặc biệt là chuỗi ảnh có số lượng lớn.

ảnh này được tạo ra, để có thể phân định được rõ các pixel thay đổi cũng như mức
độ thay đổi cần phải có một số bước xử lý tiếp theo, trong đó quan trọng nhất là kỹ
thuật phân ngưỡng. Phân ngưỡng thực chất là việc định nghĩa mức độ mà tại đó
chúng ta coi là sự thay đổi. Phương pháp xác định ngưỡng được sử dụng nhiều nhất
là phân tích hàm phân bố của ảnh thay đổi.
* Phương pháp 4: Kết hợp

18


Hình 1.5 - Phương pháp kết hợp
Như đã thấy ở trên, nhóm các phương pháp nhận biết thay đổi phổ luôn cần
các phân tích tiếp theo để nhận được các thông tin về sự thay đổi. Trong khi đó, các
phương pháp nhận biết dựa trên phân loại lại là những phân tích thể hiện sự thay
đổi. Vì vậy, để giảm sai số trong nhận biết biến động, việc kết hợp giữa hai phương
pháp này có thể được tiến hành theo rất nhiều các phương pháp khác nhau. Ý tưởng
chính của việc kết hợp này là sử dụng các phương pháp trong nhóm phương pháp
nhận biết thay đổi phổ để chỉ ra các vùng có thay đổi và sau đó áp dụng phương
pháp phân loại chỉ cho những vùng này để định danh sự thay đổi đó.

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng
ven đô
Hiện nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về biến động lớp phủ mặt
đất với các góc nhìn khác nhau, có công trình tập trung vào phân tích nghiên cứu lý
luận, có công trình tập trung vào các phương pháp tìm ra biến động và có những
công trình kết hợp cả hai: kỹ thuật phát hiện biến động, đánh giá kết quả và bổ sung
lý luận.
Trong nhóm các công trình nghiên cứu, tác giả tập trung nghiên cứu, tìm
hiểu các công trình nghiên cứu biến động lớp phủ mặt đất vùng ven đô.
Đề tài “Nghiên cứu biến động một số loại hình sử dụng đất vùng ven đô

20


CHƯƠNG 2 - KHẢ NĂNG KHAI THÁC THÔNG TIN VIỄN THÁM
TRONG NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT
2.1 Công nghệ viễn thám trong theo dõi biến động lớp phủ mặt đất
Ngày nay ai cũng nhận thức được rằng hậu quả tất yếu của việc tăng dân số
và phát triển kinh tế dẫn đến những đòi hỏi ngày càng bức bách hơn đối với các tài
nguyên trên trái đất và dẫn đến những tác động sâu sắc tới môi trường toàn cầu như:
các tài nguyên thiên nhiên bị cạn kiệt, ô nhiễm môi trường, các loại hình sử dụng
đất bị thay đối dưới tác động của quá trình đô thị hóa, phá rừng, khả năng biến đổi
khí hậu toàn cầu do các tác động của con người trong quá trình sản xuất và tiêu thụ
các loại khí nhà kính.
Trong khi đó con nguời cũng ý thức được tính không ổn định của hệ thống
Trái đất với những hiện tượng thiên tai cực đoan ngày càng xuất hiện nhiều hơn
như lũ lụt, hạn hán, động đất... Bất chấp sự gia tăng cũng như tính nghiêm trọng
của các hiện tượng đó, chúng ta vẫn phải phát triển nhưng cần phát triển sao cho
bền vững và không gây các tác động nghiêm trọng đến môi trường. Để có thể kịp
thời đánh giá được các trạng thái phát triển chúng ta cần thu thập được dữ liệu về
môi trường trái đất trên quy mô toàn cầu. Các dữ liệu này bao gồm các tham số địa
vật lý, thông tin về khí quyển, thảm thực vật, hiện trạng sử dụng đất... Chúng có thể
là các chuỗi dữ liệu đa thời gian cho một điểm hoặc khu vực.
Trong những năm gần đây các hệ thống quan trắc trái đất từ vệ tinh đã nâng
tầm hiểu biết về trái đất ngày càng đầy đủ hơn. Các chuyến bay dự tính cùng với
các vệ tinh đã phóng sẽ tăng cường kho thông tin về trái đất. Các thông tin thu thập
được sử dụng vào các mục đích chính sau:
•

Nghiên cứu về biến đổi khí hậu



Các vệ tinh quan trắc trái đất có khả năng được sử dụng để hỗ trợ công tác
quy hoạch phát triển, ví dụ cung cấp thông tin nhằm tăng hiệu quả việc khai thác tài
nguyên hoặc các công nghệ hoàn nguyên môi trường. Trong nhiều trường hợp còn
cung cấp nhiều thông tin hữu ích đánh giá tính bền vững của một kế hoạch phát
triển. Hiện nay có nhiều quốc gia tham gia vào mạng lưới quan trắc trái đất từ vũ
trụ. Trước tiên phải kể đến Mỹ với Cơ quan quản lý vũ trụ (NASA), các nước thuộc
cộng đồng Châu Âu với Cơ quan vũ trụ Châu Âu (ESA), Nhật Bản với Cơ quan
phát triển vũ trụ Nhật Bản (NASDA). Ngoài ra nhiều quốc gia khác nữa như ấn Độ,
Trung Quốc, Canada…cũng có những chương trình nghiên cứu vũ trụ riêng của
mình và đã đạt được rất nhiều thành tựu trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
Các hoạt động nghiên cứu Trái đất từ vũ trụ được điều phối trên quy mô toàn cầu
bởi ủy ban quan trắc trái đất bằng vệ tinh (Committee on Earth Observation –
CEOS) thành lập năm 1984 trong cuộc họp thượng đỉnh về kinh tế các nước G7.

22


Hình 2.1 - Hệ thống vệ tinh giám sát tài nguyên và môi trường Trái Đất
Hệ thống vệ tinh này nhằm quan trắc, tìm hiểu và theo dõi những ảnh huởng
của các hiện tượng tự nhiên và tác động của con người đối với môi trường Trái đất.
Các hệ thống vệ tinh quan trắc trái đất có thể được phân thành nhiều loại khác nhau
tùy theo các chỉ tiêu phân loại: vệ tinh khí tượng thời tiết hay vệ tinh tài nguyên môi
trường

23


2.1.1 Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám
Viễn thám là phương pháp xử lý và phân tích các thông tin của những đối

điện từ của các đối tượng bằng các thiết bị gọi là bộ viễn cảm hay bộ cảm (remote
sensor) hoặc bằng các máy chụp ảnh.
Sóng điện từ được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư
liệu chủ yếu trong viễn thám. Các tính chất của vật thể có thể được xác định thông
qua các năng lượng bức xạ hoặc phản xạ từ vật thể. Viễn thám là một công nghệ
nhằm xác định và nhận biết đối tượng hoặc các điều kiện môi trường thông qua
những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ.

24


Hình 2.3 - Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thông tin
Bức xạ điện từ có 4 thông số cơ bản đó là tần số, hướng lan truyền, biên độ
và mặt phẳng phân cực. Các thông số này có thể sử dụng trong việc khai thác thông
tin ảnh. Ví dụ: tần số có thể được dùng để xác định vận tốc chuyển động của vật thể
dựa trên hiệu ứng Doppler, hướng lan truyền được sử dụng để phát hiện các cấu trúc
của đối tượng. Biên độ thể hiện mức độ sáng tối của vật thể và được sử dụng như
những phần tử giải đoán ảnh cơ bản, mặt phân cực được sử dụng để xác định hình
dạng của vật thể - ánh sáng phản xạ trên các bề mặt tương tự nhau sẽ cho các chùm
tia có mặt phẳng phân cực giống nhau.
Do ảnh hưởng của các vật chất có trong khí quyển như hơi nước, khí CO 2 ...
mà độ truyền dẫn của khí quyển bị giảm thiểu ở nhiều bước sóng. Tại những vùng
đó bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được bức xạ từ bề mặt Trái Đất - đồng nghĩa
với việc bộ cảm trên vệ tinh sẽ không nhận được thông tin. Ở những vùng còn lại
trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám bức xạ sẽ đạt tới bộ cảm.
Những vùng bước sóng đó được gọi là cửa sổ khí quyển, chỉ trong các vùng bước
sóng này mà người ta mới thiết kế các băng phổ cho bộ cảm.

25