ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Tịnh Thủy An

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆN TRẠNG CÂY XANH ĐÔ THỊ QUẬN CẦU GIẤY, HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Tịnh Thủy An

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆN TRẠNG CÂY XANH ĐÔ THỊ QUẬN CẦU GIẤY, HÀ NỘI
Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. NGUYỄN NGỌC THẠCH


DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. 5
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 6
CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG
NGHIÊN CỨU CÂY XANH ĐÔ THỊ ................................................................... 10
1.1. Khái quát về viễn thám và hệ thông tin địa lý .........................................10
1.1.1. Viễn thám ........................................................................................10
1.1.2. Hệ thông tin địa lý ...........................................................................13
1.2. Khái quát về cây xanh đô thị ....................................................................18
1.2.1. Vai trò của hệ thống cây xanh đô thị ..............................................18
1.2.2. Phân loại cây xanh đô thị ................................................................23
1.2.3. Tiêu chuẩn cây xanh đô thị .............................................................28
1.2.3.1. Cây xanh sử dụng công cộng .......................................................28
1.2.3.2. Cây xanh sử dụng hạn chế và chuyên dụng .................................33
1.3. Sơ lược về tình hình nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên
cứu cây xanh đô thị ...................................................................................................41
1.3.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................41
1.3.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước ..............................42
CHƢƠNG 2 - CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS
TRONG NGHIÊN CỨU CÂY XANH ĐÔ THỊ ................................................... 46
2.1. Kỹ thuật chiết tách thông tin lớp phủ bề mặt từ ảnh viễn thám ...............46
2.1.1. Phân loại dựa trên điểm ảnh (pixel-based classification) ...............46
2.1.2. Phân loại định hướng đối tượng (object-oriented classification) ....52
2.2. Các chỉ số thực vật phổ biến trong viễn thám ..........................................54
CHƢƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CÂY XANH QUẬN CẦU GIẤY,
HÀ NỘI .................................................................................................................... 57

1



Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý thu nhận hình ảnh viễn thám .......................................... 10
Hình 1.2. Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng ....................................... 11
Hình 1.3. Đường cong phản xạ phổ của thực vật ...................................................... 12
Hình 1.4. Đường phố nhỏ và những cây cổ thụ ........................................................ 19
Hình 1.5. Học sinh vui chơi trong công viên cây xanh ............................................. 23
Hình 1.6. Cây bóng mát hai bên đường phố ............................................................. 25
Hình 1.7. Cỏ và cây trang trí trên dải phân cách ....................................................... 27
Hình 3.1. Quy trình nghiên cứu, đánh giá hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy,
Hà Nội dựa trên dữ liệu viễn thám và GIS................................................................ 60
Hình 3.2. Ảnh Sentinel-2A tổ hợp màu tự nhiên cắt lấy khu vực nghiên cứu .......... 61
Hình 3.3. Ảnh Landsat 8 tổ hợp màu tự nhiên cắt lấy khu vực nghiên cứu ............. 62
Hình 3.4. Nguyên lý của thuật toán multiresolution segmentation ........................... 64
Hình 3.5. Kết quả phân mảnh ảnh Sentinel-2A trên phần mềm eCognition ............ 64
Hình 3.6. Kết quả phân mảnh ảnh Landsat 8 trên phần mềm eCognition ................ 65
Hình 3.7. Hộp thoại thiết lập biểu thức tính chỉ số NDVI ........................................ 66
Hình 3.8. Hộp thoại thiết lập biểu thức tính chỉ số (NIR+red+green)/3 ................... 66
Hình 3.9. Hộp thoại thiết lập biểu thức tính chỉ số CIRed edge ............................... 67
Hình 3.10. Hệ thống phân cấp lớp ............................................................................ 67
Hình 3.11. Hộp thoại thiết lập ngưỡng và gán lớp phân loại .................................... 68
Hình 3.12. Bộ quy tắc phân loại ................................................................................ 68
Hình 3.13. Kết quả phân loại ảnh Sentinel 2 trên phần mềm eCognition................. 70
Hình 3.14. Hộp thoại xuất kết quả phân loại ............................................................ 70
Hình 3.15. Kết quả phân loại ảnh Landsat 8 trên phần mềm eCognition ................. 72
Hình 3.16. Bản đồ hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy năm 2016................. 73
Hình 3.17. Lớp khu vực cây xanh đô thị năm 2013 trên phần mềm ArcGIS ........... 74
Hình 3.18. Bảng thuộc tính của lớp biến động ......................................................... 75
Hình 3.19. Bản đồ biến động khu vực cây xanh đô thị quận Cầu Giấy giai đoạn
2013 - 2016 ............................................................................................................... 76



1. Tính cấp thiết của đề tài
Cây xanh đô thị có vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống con người. Với
thế giới nói chung và Việt Nam ta nói riêng thì không gian xanh, cây xanh được xác
định là tiêu chí, yếu tố quan trọng cấu thành không gian đô thị, tạo lập nên cảnh
quan đô thị, cũng là yếu tố cân bằng hệ sinh thái đô thị và cải thiện, khắc phục tình
trạng ô nhiễm môi trường. Trong bối cảnh toàn cầu hóa nóng lên và môi trường đô
thị đang tạo thành những đảo nhiệt, thì cây xanh là sự cần thiết để cải thiện môi
trường và chất lượng cuộc sống như: cây xanh làm giảm lượng khí CO2 và tẩy đi
mọi chất dơ bẩn trong không khí như ngăn bụi, giảm tiềng ồn, cây giảm nhiệt bằng
cách tạo bóng mát và chống gió bão. Ta có thể tiết kiệm chi phí điều hòa và sưởi ấm
nhờ trồng cây xung quanh công trình xây dựng. Cây giúp ta chống xói mòn và
giữ đất. Cây tạo nên phong cảnh, cung cấp nơi cư trú, thức ăn cho các loài chim và
bảo vệ cư dân thành phố. Riêng với Hà Nội, với vai trò chức năng là Thủ đô của cả
nước, là đô thị có lịch sử phát triển nghìn năm thì cây xanh còn có giá trị văn hóa,
truyền thống, là bản sắc đặc thù của Hà Nội.
Tuy nhiên sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và cơ sở hạ tầng trong những
năm vừa qua đã và đang làm cho diện tích thực vật giảm đi một cách đáng kể. Xu
hướng này ngày càng gia tăng, bên cạnh đó các phương tiện máy móc sử dụng ngày
càng nhiều, nồng độ CO2 trong không khí tăng cao là mối nguy hại đe dọa đến sức
khỏe của người dân thành phố. Việc quan sát trên diện rộng ở một số quận điển
hình là vấn đề quan trọng và hết sức cần thiết để các cơ quan quản lý kịp thời đánh
giá đúng tình hình cũng như đưa ra những chính sách và biện pháp hợp lý để cải
thiện diện tích thực vật. Quận Cầu Giấy nằm ở cửa ngõ phía Tây, một trong những
khu phát triển chính của thành phố Hà Nội.
Theo phương pháp truyền thống, việc quản lý, thống kê số lượng, diện tích
cây xanh đô thị thường được tiến hành bằng cách đo đạc và kiểm tra thực địa hoặc
đo vẽ, tính toán từ không ảnh (ảnh máy bay). Tuy nhiên, những phương pháp này


mất rất nhiều thời gian và tốn kém kinh phí. Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của

hóa, thổ nhưỡng, thực vật, môi trường, và kinh tế-xã hội hiện có về khu vực nghiên
cứu.
Các văn bản pháp quy về quản lý và quy hoạch cây xanh đô thị.
Các bài báo khoa học, luận văn nghiên cứu về cây xanh đô thị.
Các công trình nghiên cứu về ứng dụng GIS và viễn thám trong nghiên cứu
lớp phủ thực vật nói chung và cây xanh đô thị nói riêng của các nhà khoa học trong
và ngoài nước.
6. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi không gian: Không gian nghiên cứu được giới hạn trong địa bàn
quận Cầu Giấy, Hà Nội.
Phạm vi khoa học: Luận văn chỉ giới hạn nghiên cứu và đánh giá hiện trạng
cây xanh dựa trên tiêu chuẩn về cây xanh đô thị do Bộ Xây dựng quy định và các
tiêu chí về cây xanh trong hệ sinh thái đô thị.
7. Kết quả đạt đƣợc
Bản đồ hiện trạng cây xanh đô thị quận Cầu Giấy
Bản đồ biến động khu vực cây xanh đô thị quận Cầu Giấy
Báo cáo phân tích đánh giá và những đề xuất
8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả nghiên cứu nhằm đưa ra một cái nhìn tổng quát về hiện trạng cây
xanh đô thị trên địa bàn quận Cầu Giấy. Làm cơ sở khoa học cho định hướng quy
hoạch chung trên địa bàn quận, hướng tới xây dựng đô thị xanh.
9. Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm 3 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham
khảo. Dưới đây là tiêu đề các chương:
Chương 1: Tổng quan về ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu cây
xanh đô thị


Chương 2: Cơ sở khoa học của ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu
cây xanh đô thị.

vùng còn lại trong dải sóng điện từ được sử dụng trong viễn thám, bức xạ sẽ truyền
tới được bộ cảm một cách đầy đủ nhất.
Các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi vệ tinh trong dải sóng nhìn thấy và
dải sóng cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt các bức xạ được ghi nhận thông qua
các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy thuộc vào độ phân giải trong không
gian của bộ cảm. Các xung này được tách thành các bước sóng thiết kế sẵn cho bộ
cảm và tạo ra các dữ liệu đa phổ từ bề mặt này. Tất cả các vật thể đều phản xạ, hấp
thụ, phân tách và bức xạ sóng điện từ bằng các cách khác nhau và các đặc trưng này
thường được gọi là đặc trưng phổ. Đặc trưng này sẽ được phân tích theo nhiều cách
khác nhau để nhận dạng ra đối tượng trên bề mặt đất. Kể cả đối với giải đoán bằng
mắt thì việc hiểu biết nhiều về đặc trưng phổ và sắc, tông màu trên ảnh tổ hợp màu
để giải đoán đối tượng.

Hình 1.2. Đường cong phản xạ phổ của một số đối tượng
Đối với các tư liệu viễn thám được ghi nhận bởi bộ cảm vệ tinh trong dải
sóng nhìn thấy và dải cận hồng ngoại hoặc hồng ngoại nhiệt, các bức xạ được thu
nhận thông qua các xung phát ra từ một diện tích nhất định, tùy thuộc vào độ phân
giải không gian của bộ cảm.
Dải phổ sử dụng trong viễn thám bắt đầu từ vùng cực tím (0,3- 0,4µm), sóng
ánh sáng nhìn thấy (0,4- 0,7µm), dải sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt. Các bước sóng


gần đây được sử dụng trong phân loại thạch học. Sóng hồng ngoại nhiệt được sử
dụng trong đo nhiệt, sóng micromet được sử dụng trong kỹ thuật radar.
Lớp phủ thực vật là đối tượng được quan tâm nhiều bởi chiếm đa số diện tích
bề mặt tự nhiên. Khả năng phản xạ phổ của thực vật xanh thay đổi theo chiều dài
bước sóng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy các sắc tố của lá cây ảnh hưởng đến đặc
tính phản xạ phổ của nó, đặc biệt là chất clorophin và một số sắc tố khác cũng đóng
vai trò quan trọng trong việc phản xạ phổ của thực vật.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là: sắc tố,

kiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý. HTTĐL có mục tiêu đầu
tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý (Viện nghiên cứu
môi trường Mỹ 1994-ESRI ).
- G: Geographic: dữ liệu không gian thể hiện vị trí, hình dạng (điểm, đường,
vùng).
- I : Information: thuộc tính, không thể hiện vị trí (như mô tả bằng văn bản,
số, tên...)
- S: System: sự liên kết bên trong giữa các thành phần khác nhau (phần
cứng, phần mềm,…)
Quan niệm mới nhất (2000): GIS bao gồm 6 hợp phần
- Phần cứng
- Phần mềm


- Mạng
- Cơ sở dữ liệu (chiếm 80% giá trị của một hệ thống GIS)
- Người điều hành
- Quy trình nghiên cứu
Một hệ thống được gọi là GIS nếu nó có các công cụ hỗ trợ cho việc thao tác
với dữ liệu không gian - Cơ sở dữ liệu GIS là sự tổng hợp có cấu trúc các dữ liệu số
hóa không gian và phi không gian về các đối tượng bản đồ, mối liên hệ giữa các
đối tượng không gian và các tính chất của một vùng của đối tượng [3].
a. Phần cứng
Phần cứng hệ thống thông tin địa lý bao gồm hệ thống máy tính và các thiết
bị nhập, xuất, lưu trữ dữ liệu. Trong đó hệ thống máy tính có thể chỉ gồm 1 máy
tính hoặc mạng máy tính gồm nhiều máy kết hợp lại với nhau. Các thiết bị nhập,
xuất, lưu trữ dữ liệu như scanner, máy in, máy ghi đĩa, các loại ổ cứng, đĩa quang,...
Tùy theo quy mô và tầm quan trọng của hệ thống mà việc đầu tư vào phần cứng sẽ
được cân nhắc.
b. Phần mềm

Số liệu thuộc tính phi không gian bao gồm các định tính và số liệu hình ảnh,
điểm, đường, vùng hoặc mạng lưới lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu. Hệ thống thông
tin địa lý có thể xử lý các thông tin thuộc tính riêng rẽ và tạo ra các bản đồ trên cơ
sở các giá trị thuộc tính.
Phần lớn các phần mềm thông tin địa lý cũng có thể hiển thị các thông tin
thuộc tính như là các ghi chú trên bản đồ hoặc là các tham số điều khiển cho việc
lựa chọn hiển thị các ký hiệu bản đồ.
Mối quan hệ giữa dữ liệu phi không gian và không gian: Bản đồ không chỉ
thể hiện các lớp các đối tượng hình học mà mỗi đối tượng này còn được gắn với
một tập các thuộc tính dữ liệu thống kê khác. Ví dụ: vị trí tọa độ của rừng là dữ liệu
không gian, còn những tính chất như những loài động vật, chiều cao… là những dữ
liệu thuộc tính.


Mỗi đối tượng hình học có một mã nhận diện dùng để liên kết với một bản
ghi trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Các dữ liệu địa lý được tổ chức nhờ mô hình quan
hệ địa lý và Topo.
Lớp các vùng (layer), đường (line), điểm (point) liên kết với các thuộc tính
tương ứng. Những mô hình liên kết đó thể hiện cách quản lý vị trí, quan hệ không
gian của các đặc trưng điểm, đường và vùng. Đồng thời cho phép quản lý hiệu quả
các đặc tính của các đặc trưng đó.
Dữ liệu bản đồ dựa theo các đối tượng (điểm, đường, đa giác, ...) ứng với
mỗi đối tượng tương ứng sẽ có số hiệu riêng để có thể quy chiếu các dữ liệu phi
hình học bao gồm các dữ liệu thống kê lưu trữ trong các tệp khác nhau của cơ sở dữ
liệu.
ii) Mô hình dữ liệu không gian
Hệ thống thông tin địa lý sử dụng hai mô hình dữ liệu cơ bản để biểu diễn
các đặc trưng không gian: mô hình dữ liệu Raster và mô hình dữ liệu Vector. Mô
hình dữ liệu quyết định cách thức mà dữ liệu cấu trúc, lưu trữ, xử lý và phân tích
trong một hệ thống thông tin địa lý. Nhiều hệ thống thông tin địa lý sử dụng cả hai

triển không ngừng nhằm giải quyết những vần đề do thực tiễn đặt ra. Sự hữu hiệu
của hệ thống phụ thuộc vào khả năng triển khai các qui trình ứng dụng theo từng
mục tiêu cụ thể.
f. Mạng tin học
Trong một hệ thống GIS thì mạng ngày càng đóng vai trò quan trọng. Hệ
thống mạng được thiết lập khi có từ 2 máy tính trở lên kết nối với nhau để chia sẻ
tài nguyên: máy in, máy fax, tệp tin, dữ liệu…
Các thành phần của mạng có thể bao gồm:
Các hệ thống đầu cuối (end system) kết nối với nhau tạo thành mạng, có thể
là các máy tính hoặc các thiết bị khác. Nói chung hiện nay ngày càng nhiều các loại
thiết bị có khả năng kết nối vào mạng máy tính như điện thoại di động, tivi,…
Internet là mạng diện rộng phổ biến nhất hiện nay. Internet có thể hoạt động cho các
loại mục đích khác nhau, trong đó có hoạt động GIS. Internet là một thống thông tin


toàn cầu có thể được truy nhập công cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với
nhau.
Môi trường truyền mà các thao tác truyền thông được thực hiện qua đó. Môi
trường truyền có thể là các loại dây dẫn (dây cáp), sóng điện từ (đối với các mạng
không dây).
Giao thức truyền thông là các quy tắc quy định cách trao đổi dữ liệu giữa các
thực thể.
1.2. Khái quát về cây xanh đô thị
1.2.1. Vai trò của hệ thống cây xanh đô thị
1.2.1.1. Đưa thiên nhiên trở lại với con người
Lịch sử thế giới tự nhiên đã khẳng định rằng: Cái nôi sự sống của mỗi sinh
vật, trong đó có loài người chính là thiên nhiên muôn màu, muôn vẻ, thiên nhiên ấy
là sự phối hợp hài hoà giữa các loại động vật và thực vật. Mọi sinh vật đều có sự
tương quan mật thiết với nhau tạo thành 1 hệ sinh thái hoàn hảo.
Sự bùng nổ dân số theo cấp số nhân trong nhiều thập kỷ qua đã đặt ra cho

T: Nhiệt độ khu vực
t1: Bức xạ mặt trời trực tiếp (Trực xạ)


t2: Bức xạ khuếch tán (Tán xạ)
Thực nghiệm thực tế chứng minh rằng: Nhiệt độ không khí trong vùng có
cây xanh do bị cây xanh hấp thụ sẽ thấp hơn nhiệt độ không khí nơi không có cây
khoảng 40oC. Nhiệt khuếch tán trong vùng có cây xanh cũng sẽ mất đi rất nhanh do
hấp thụ nhanh, khác với bê tông, gạch đá sẽ mất đi chậm, làm cho môi trường xung
quanh phải chịu sự nung nóng do nhiệt toả ra thêm một thời gian khá dài, sau khi
nguồn nhiệt mặt trời không còn.
Như vậy cây xanh là yếu tố cần thiết để hạ thấp nhiệt độ trong từng khu vực
làm cho môi trường sống của con người đỡ bị oi bức, nhất là trong các khu vực chịu
ảnh hưởng lớn bởi bức xạ khuếch tán của các kết cấu gạch đá, bê tông trong đô thị.
ii) Độ ẩm
Cảm giác nhiệt đến với mỗi con người bình thường bị chi phối bởi ẩm độ
không khí xung quanh họ. Ẩm độ tăng cảm giác nóng sẽ giảm rất rõ. Mặt khác, khi
ẩm độ tăng sẽ giảm độ trong suốt của khí quyển, điều đó sẽ đồng thời cản bớt bức
xạ nhiệt trực tiếp trên bề mặt đô thị. Thực tế cho thấy với cùng một nhiệt độ, nơi
nào có độ ẩm thấp, nơi đó cảm giác nóng bức của con người cũng sẽ tăng lên. Vùng
gió Lào ở Việt Nam đã minh xác cho điều ấy.
Sự bốc hơi nước thường xuyên của bề mặt lá cây, nhất là khi nhiệt độ không
khí tăng, có khả năng tăng độ ẩm không khí, góp phần làm giảm cảm giác nóng bức
của các sinh vật trong khu vực cây xanh.
Thực nghiệm thực tế cũng chứng minh rằng, sự chênh lệch ẩm độ giữa nơi
có cây và nơi không có cây có thể lệch nhau từ 7  20%, tùy theo bề dày của tán
cây hay mảng cây. Điều này sẽ gây ra hiệu quả cảm giác nhiệt hạ từ 2  40C.
iii) Gió
Cấu trúc và vị trí của từng tán cây và từng mảng cây sẽ làm giảm tốc độ gió
hoặc ngăn gió. Hiện tượng này rất có ý nghĩa trong việc sử dụng cây xanh ngăn cản

hấp thụ khí CO2 và “thở” ra khí O2. Chất khí tối cần thiết cho sự sống phần lớn mọi
sinh vật. Thường số lượng khí CO2 của 1 người thải ra trong 1 giờ khoảng 40g,
tương đương sự hấp thụ của 50m2 cây xanh trong 1 giờ. Đối với các đô thị có mật
độ dân cư đông đúc, các nhà máy, phương tiện sinh hoạt sử dụng nhiên liệu đốt