ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
----------

ĐỖ THỊ THU HOÀI
Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG PHÂN TÍCH
BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ MẶT ĐẤT TẠI HUYỆN ĐẠI TỪ,
TỈNH THÁI NGUYÊN GIAI ĐOẠN 1998 - 2018

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: QLTN - MT

Khoa

: Quản lý Tài nguyên

Khoá học

: 2015 – 2019

Thái Nguyên, năm 2019



: TS. Nguyễn Quang Thi

Thái Nguyên, năm 2019


i

LỜI CẢM ƠN
Thực tập tốt nghiệp trong một khoảng thời gian có ý nghĩa vô cùng
quan trọng. Đây là thời gian giúp cho sinh viên kiểm nghiệm những kiến thức
đã học được ở trường, từ thầy cô và bạn bè. Bên cạnh đó nó còn giúp cho sinh
viên làm quen với môi trường, tích lũy thêm kinh nghiệm thực tế, tạo hành
trang vững chắc cho sinh viên sau khi ra trường có thể làm tốt những công
việc được giao. Được sự nhất trí của Ban giám hiệu trường Đại học Nông
Lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, em đã thực tập
tại Bộ môn Luật chính sách, khoa Quản lý Tài nguyên với đề tài:
“Ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong phân tích biến động lớp phủ
mặt đất tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 1998 - 2018”.
Để đạt được kết quả như ngày hôm nay là nhờ sự giúp đỡ của Ban chủ
nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, các thầy cô giáo trong khoa và thầy giáo TS.
Nguyễn Quang Thi cùng với sự phấn đấu và nỗ lực của bản thân.
Trong suốt thời gian thực tập và làm khóa luận em đã cố gắng hết mình
nhưng do kinh nghiệm thực tế chưa có nhiều và kiến thức còn hạn chế nên
chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót và khiếm khuyết. Em rất mong các thầy
cô giáo và bạn bè đóng góp để khóa luận của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019
Sinh viên
Đỗ Thị Thu Hoài


Hình 2.10: Chuyển đổi giữa hai loại giữ liệu raster và vector ........................ 23
Hình 2.11: Quy trình nghiên cứu biến động lớp phủ sử dụng ảnh viễn thám. 41
Hình 3.2 Ảnh Landsat thu thập năm 1998 ..................................................... 46
Hình 3.3 Ảnh Landsat thu thập năm 2005 ..................................................... 46
Hình 3.4 Ảnh Landsat thu thập năm 2010 ..................................................... 47
Hình 3.5 Ảnh Landsat thu thập năm 2018 ...................................................... 47
Hình 3.6: Mẫu vùng quan sát .......................................................................... 48
Hình 3.7: Đăng ký ảnh .................................................................................... 49
Hình 3.8: Cài đặt thông số hình học................................................................ 49
Hình 3.9: Chọn điểm khống chế trên ảnh ....................................................... 50
Hình 3.10: Tọa độ và sai số RMS các GCP .................................................... 50
Hình 3.11: Ảnh trước và sau khi tăng cường .................................................. 51
Hình 3.12 : Lưu kết quả phân lớp đối tượng ................................................... 52
Hình 3.13: Ảnh viễn thám trước và sau khi phân lớp ..................................... 54
Hình 3.14: Lớp thông tin dạng Raster ............................................................. 58
Hình 3.15: Kết quả của việc vector hoá đối tượng ......................................... 58
Biểu đồ 3.15: Biến động lớp phủ huyện Đại Từ giai đoạn 1998- 2018.......... 59


iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CSDL

Cơ sở dữ liệu

DEM

Digital Evaluation Model


1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .................................................................. 2
1.3. Ý nghĩa của đề tài ....................................................................................... 2
Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 3
2.1. Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover) .......................................... 3
2.1.1. Khái niêm: ............................................................................................... 3
2..1.2. Phân loại lớp phủ mặt đất: ..................................................................... 3
2.2 Tổng quan về viễn thám .............................................................................. 3
2.2.1 Khái niệm về viễn thám ........................................................................... 3
2.2.2 Các loại ảnh viễn thám ............................................................................. 5
2.2.3 Xử lý ảnh viễn thám ............................................................................... 10
2.3. Tổng quan về GIS .................................................................................... 18
2.3.1. Khái niệm GIS....................................................................................... 18
2.3.2 Các thành phần của GIS ......................................................................... 20
2.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam .................................. 25
2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................... 25
2.4.2. Tình hình nghiên cứu Việt Nam ........................................................... 27
2.5. Giới thiệu các phần mềm sử dụng............................................................ 29
2.5.1 Phần mềm giải đoán ảnh ENVI 4.5....................................................... 29
2.5.2 Phần mềm ArcGIS 10.2 ......................................................................... 29
2.6. Quy trình giải đoán ảnh viễn thám Landsat xây dựng bản đồ lớp phủ
huyện Đại Từ các năm 1998, 2005, 2010, 2018 ……………………….
PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ................................................................................................................ 35
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 35
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 35
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 35
3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ............................................................ 35


vi


Phần 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Đất đai là một tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là tư liệu sản
xuất đặc biệt. Đất đai là môi trường sống của con người và cả sinh vật, là địa
bàn phân bố dân cư, xây dựng các công trình kinh tế, văn hoá, an ninh quốc
phòng. Ngày nay, do sự tăng dân số, sự phát triển của các đô thị, sự tăng
trưởng kinh tế xã hội và một số vấn đề khác đã và đang tác động rất lớn tới
đất đai. Trước những áp lực đó, đất đai và các lớp phủ mặt đất biến động
không ngừng cùng với sự phát triển của xã hội. Đây là nguồn tài nguyên đặc
biệt có thể khai thác sử dụng nhưng không thể làm tăng thêm về mặt số
lượng. Do đó việc theo dõi, nghiên cứu, quản lý và sử dụng loại tài nguyên
này một cách hiệu quả và hợp lý là một vấn đề rất quan trọng.
Ngày nay, kỹ thuật viễn thám đang được sử dụng để theo dõi những
biến đổi về bề mặt quả đất, quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên và giám
sát môi trường. Sử dụng kỹ thuật viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý và
kỹ thuật định vị toàn cầu giúp cho việc đánh giá những biến động về lớp phủ
một cách nhanh chóng và chính xác. Theo Cihlar thì phân loại lớp phủ thực
vật từ ảnh vệ tinh cũng đã được ứng rộng rãi, các thành quả đạt được ghi nhận
ở quy mô toàn cầu (Cihlar,2000) Từ đó có thể giúp các nhà quản lý có thêm
nguồn tư liệu để giám sát biến động sử dụng đất. Đây được xem như là một
trong những giải pháp cho vấn đề được đặt ra.
Huyện Đại Từ là địa phương đang diễn ra sự thay đổi mạnh trong sử
dụng đất do có dự án khai thác khoáng sản lớn nhất khu vực Đông Nam Á- dự
án núi Pháo. Dự án này sẽ diễn ra trong khoảng thời gian dự kiến là 20 năm.
Tuy nhiên, từ khi dự án bắt đầu đến nay, mới khoảng 4 năm nhưng trên địa
bàn Huyện đã thay đổi rất nhiều trong quá trình sử dụng đất và ảnh hưởng
trông thấy ở lớp thực phủ của đất.


trong công nghệ thông tin.


3

Phần 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Lớp phủ mặt đất (Lớp thực phủ - Land cover)
2.1.1. Khái niêm:
Lớp phủ mặt đất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất
hoặc thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật (mọc tự nhiên hoặc tự
trồng cấy) và các cơ sở xây dựng của con người (nhà cửa, đường sá,…) bao
phủ bề mặt đất. nước, băng, đá lộ hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ
mặt đất. (The FAO AFRICOVER Progamme, 1998)
2..1.2. Phân loại lớp phủ mặt đất:
Sokal (1974) đã định nghĩa phân loại là việc sắp xếp các đối tượng theo
các nhóm hoặc các tập hợp khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa chúng. Một
hệ thống phân loại miêu tả tên của các lớp và tiêu chuẩn phân biệt chúng. Các
hệ thống phân loại có hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và không phân
cấp. Một hệ thống phân cấp thường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp
nhiều lớp thông tin, bắt đầu từ các lớp ở quy mô lớn rồi phân chia thành các
phụ lớp cấp thấp hơn nhưng thông tin chi tiết hơn. (The FAO AFRICOVER
Progamme, 1998)
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài đã sử dụng hệ thống phân loại phân
cấp, có tham khảo theo hệ thống phân loại của Mỹ (Anderson và nnk., 1976),
được tổng hợp có chọn lọc phù hợp với điều kiệu thực tiễn ở Việt Nam của
Nguyễn Ngọc Thạch (2005).
2.2 Tổng quan về viễn thám
2.2.1 Khái niệm về viễn thám
Viễn thám được định nghĩa như là một khoa học công nghệ mà nhờ nó

- Ảnh hàng không:
Từ năm 1858 bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục
đích thành lập bản đồ địa hình. Những bức ảnh hàng không đầu tiên được
chụp từ máy bay được Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng
Centocalli, Italia. Từ đó đến nay, phương pháp sử dụng ảnh hàng không là
phương pháp được sử dụng rộng rãi.
- Ảnh vệ tinh Landsat
LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ
trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý. Cho đến
nay đã có nhiều thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển.
Bộ cảm TM có các thông số chính được nêu trong bảng sau:
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ cảm TM
Kênh phổ

Bước sóng

Phổ điện từ

Độ phân giải

Kênh 1

0.45 - 0.52 micromet

Chàm

30m

Kênh 2


Kênh 6

10.4 - 12.5 micromet

Hồng ngoại nhiệt

120m

Kênh 7

2.08 - 2.35 micromet

Hồng ngoại trung

30m

- Ảnh vệ tinh Spot
Vào đầu năm 1978 chính phủ Pháp quyết định phát triển chương trình
SPOT (Système Pour l'Observation de la Terre) với sự tham gia của Bỉ và
Thụy Điển. Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT do Trung tâm Nghiên cứu
Không gian của Pháp chế tạo và phát triển. Vệ tinh đầu tiên SPOT-1 được
phóng lên quỹ đạo năm 1986, tiếp theo là SPOT-2, SPOT-3, SPOT- 4 và SPOT-


6

5 lần lượt vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002 trên đó mang hệ thống quét
CCD (Centre National d'Etudes Spatiales - CNES) .
Vệ tinh SPOT bay ở độ cao 832 km, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là
98.70, thời điểm bay qua xích đạo là 10h30' sáng và chu kỳ lặp 26 ngày. Các

1 x 1km trong 4 kênh phổ. Ảnh VEGETATION được sử dụng rất hữu hiệu
cho mục đích theo dõi biến động địa cầu và đo vẽ bản đồ hiện trạng sử dụng
đất.
Hai vệ tinh SPOT-4 và SPOT-5 có thêm kênh phổ chụp SWIR nằm
phía trên ba kênh phổ của các vệ tinh SPOT trước đó, nhờ vậy rất thuận lợi
cho nghiên cứu về độ ẩm và lớp phủ thực vật. Sự cải tiến này đã tạo ra rất
nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, nghiên cứu hiện trạng đất và quản lý tài
nguyên thiên nhiên. Bảng 2.2 và Bảng 2.3 giới thiệu tổng hợp về các thông số
của thế hệ ảnh Spot.


8

Bảng 2.2. Các đặc trưng chính của ảnh vệ tinh SPOT
Loại

Vệ
tinh
SPOT

Tên bộ cảm

Số
kênh

Độ
Các kênh
phân
đa phổ
giải (m)


HRV (High
Resolution Visible)
HRV (High
Resolution Visible)
HRV (High
Resolution Visible)

XI (Multispectral)

SPOT
4

HRVIR (High
Resolution Visible)

4

20 x 20

Lục, đỏ, cận hồng
ngoại, Hồng
ngoại trung bình

M (Monospectral)

SPOT
4

HRVIR (High

InfraRed High Resolution) 5

HRG (High
Resolution
Geometric)

4

10 x 10

Lục, đỏ, cận hồng
ngoại, Hồng
ngoại trung bình

HX (Multispectral High
Resolution)

SPOT
5

HRG (High
Resolution
Geometric)

3

10 x 10

Lục, đỏ, cận hồng
ngoại

5x5

Lục, đỏ, cận hồng
ngoại

THR (Very High
Resolution)

SPOT
5

HRG (High
Resolution
Geometric)

1

2,5 x
2,5**

Toàn sắc

THX (Very High
Resolution Multispectral,
THR and HX merging,

SPOT
5

HRG (High

HRS (High Resolution
Stereoscopic)

SPOT
5

HRG (High
Resolution
Stereoscopic)

2
(FW/
BW)

5 x 10

Toàn sắc

XS (Multispectral)


9

* Chỉ riêng kênh B2 (=M) có độ phân giải 10m. Các kênh còn lại được
lấy mẫu lại từ 20 đến 10m.
* Điểm mặt đất - kích thước của THR được lấy mẫu lại. Độ phân giải nhỏ
hơn 3m.
Ảnh SPOT được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực đo vẽ mới và hiện
chỉnh bản đồ địa hình; thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất; và theo dõi
biến động môi trường như mất rừng, xói mòn, phát triển đô thị ... Ảnh SPOT

SPOT 5
Kênh 3
0,79-0,89m Cận hồng ngoại 10m
SPOT 1, 2, 3 Kênh toàn sắc 0,51 - 0,73m Toàn sắc
10m
SPOT 4
Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc
10m
SPOT 5
Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc
5m
SPOT 5
Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc
2,5m
SPOT 5
Kênh toàn sắc 0,49 -0,73m Toàn sắc
5 x 10m
- Ảnh vệ tinh COMSMOS và RESURS-01
Vệ
SPOT

tinh

Tư liệu ảnh viễn thám COSMOS gồm có 2 loại. Ảnh độ phân giải cao
có độ bay chụp 270km, máy ảnh tiêu cự 1.000mm, kích thước ảnh 30 x 30cm,
độ phủ dọc trên 60%, độ phân giải mặt đất 6 - 7m. Ảnh độ phân giải trung
bình có độ cao bay chụp 250km, máy ảnh tiêu cự 200mm, kích thước ảnh 18


10


11

khả năng hiển thị của ảnh. Từng kênh ảnh khi hiển thị có xu hướng tương đối
tối hoặc tương đối sáng. Do đó để tăng cường độ tương phản ảnh ta phải thực
hiện phép kéo dãn giá trị của ảnh. Nhằm biến đổi khoảng giá trị cấp độ xám
thực tế của ảnh gốc về khoảng cấp độ xám mà thiết bị hiển thị có khả năng thể
hiện được. Trong phần mềm ENVI chức năng tăng cường ảnh nằm trong công
cụ Enhance.

Hình 2.3: Thuật toán tăng cường chất lượng ảnh (Sử dụng ENVI 4.5)
Sau khi chọn Interactive Stretching, sẽ xuất hiện cửa sổ tương tác mới cho
phép điều chỉnh Histogram cho từng kênh ảnh đang hiển thị một. Trên cửa sổ
này cho phép ta chọn kênh (R/G/B) để tăng cường, kiểu kéo giãn, nhập
khoảng giá trị cần kéo dãn.

Hình 2.4: Hiệu chỉnh tương phản Histogram (Sử dụng ENVI 4.5)


12

- Lọc ảnh: Do sai số phát sinh trong quá trình truyền dữ liệu hoặc bị
gián đoạn tạm thời. Một số phần tử ảnh trên ảnh có giá trị độ sáng lớn hơn
hay nhỏ hơn rất nhiều so với các phần tử ảnh chung quanh. Kết quả là tạo ra
các điểm sáng trắng hay sậm đen trên ảnh mà làm ảnh hưởng đến việc tách
thông tin từ ảnh viễn thám. Lọc ảnh nhằm loại nhiễu ngẫu nhiên các giá trị
đột biến của phần từ ảnh trên ảnh, tạo ảnh mới mịn hơn so với ảnh gốc. Trong
ENVI cung cấp nhiều phép lọc và cho phép chúng ta thay đổi các tham số
kernel tùy theo ứng dụng ví dụ: Lọc Convolution, hoặc lọc Morphology
2.2.3.3 Giải đoán ảnh

phản xạ ánh sáng của nó. Ví dụ: cát khô phản xạ rất mạnh ánh sáng nên bao
giờ cũng có màu trắng, trong khi cát ướt do độ phản xạ kém hơn nên có màu tối
hơn trên ảnh đen trắng. Trên ảnh hồng ngoại đen trắng do cây lá nhọn phản xạ
mạnh tia hồng ngoại nên chúng có màu trắng và nước lại hấp thụ hết bức xạ trong
dải sóng này nên bao giờ cũng có màu đen.
+ Chuẩn màu sắc: Màu sắc là một chuẩn rất tốt trong việc xác định các
đối tượng. Ví dụ như: các kiểu loài thực vật có thể được phát hiện dễ dàng
ngay cả cho những người không có nhiều kinh nghiệm trong giải đoán hình
ảnh khi sử dụng ảnh hồng ngoại mầu. Các đối tượng khác nhau cho các tông
màu khác nhau đặc biệt khi sử dụng ảnh đa phổ tổng hợp màu.
+ Chuẩn cấu trúc: Cấu trúc là một tập hợp của nhiều hình mẫu nhỏ. Ví
dụ: một bãi cỏ không bị lẫn các loài cây khác cho một cấu trúc mịn trên ảnh,
ngược lại rừng hỗn giao cho một cấu trúc sần sùi. Đương nhiên điều này còn
phụ thuộc vào tỷ lệ ảnh được sử dụng.
+ Chuẩn phân bố: Chuẩn phân bố là một tập hợp của nhiều hình dạng
nhỏ phân bố theo một quy luật nhất định trên toàn bộ ảnh và trong mối quan
hệ với đối tượng cần nghiên cứu. Ví dụ: hình ảnh của các dãy nhà, hình ảnh
của ruộng lúa nước, các đồi trồng chè ... tạo ra những hình mẫu đặc trưng
riêng cho các đối tượng đó.


14

+ Chuẩn mối quan hệ tương hỗ: Một tổng thể các chuẩn giải đoán môi
trường xung quanh hoặc mối liên quan của các đối tượng nghiên cứu cung
cấp một thông tin giải đoán quan trọng.
Nhằm trợ giúp cho công tác giải đoán người ta thành lập các khóa giải
đoán cho các đối tượng khác nhau. Khóa giải đoán là tập hợp các chuẩn dùng
để giải đoán một đối tượng nhất định. Kết quả giải đoán phụ thuộc vào khóa
giải đoán. Mục đích của việc sử dụng khóa giải đoán là làm chuẩn hóa các kết

kênh phổ được xác định trên cơ sở như sau:
+ Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng cần giải đoán.
+ Nhiệm vụ giải đoán.
+ Yêu cầu đối với lực phân giải.
+ Đặc điểm của vùng cần tổng hợp màu.
2.2.3.3.2 Phương pháp giải đoán bằng xử lý số
Các thuật toán phân loại được sử dụng để quy một pixel chưa biết vào
một loại nào đó. Việc lựa chọn cách phân loại riêng biệt hoặc luật quyết định
phụ thuộc vào tính chất của chỉ tiêu đầu vào và yêu cầu của dữ liệu đầu ra.
Giải đoán ảnh bằng xử lý số trong viễn thám bao gồm các giai đoạn sau:
+ Nhập số liệu: Có hai nguồn tư liệu chính đó là ảnh tương tự do các
máy chụp ảnh cung cấp và ảnh số do các máy quét cung cấp. Trong trường
hợp ảnh số thì tư liệu ảnh được chuyển từ các băng từ lưu trữ mật độ cao
HDDT vào các băng từ CCT, ở dạng này máy tính nào cũng đọc được số liệu.
Trong trường hợp ảnh tương tự thì tư liệu ảnh được chuyển thành dạng số
thông qua các máy quét.
+ Khôi phục và hiệu chỉnh ảnh: Đây là giai đoạn mà các tín hiệu số
được hiệu chỉnh hệ thống nhằm tạo ra một tư liệu ảnh có thể sử dụng được.
Giai đoạn này thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các Trung tâm
thu số liệu vệ tinh.
+ Biến đổi ảnh: Các quá trình xử lý như tăng cường chất lượng, biến
đổi tuyến tính ... là giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn này có thể thực hiện trên các
máy tính nhỏ như các máy vi tính khuôn khổ của một phòng thí nghiệm.


16

+ Phân loại: Phân loại đa phổ để tách các thông tin cần thiết phục vụ
việc theo dõi các đối tượng hay lập bản đồ chuyên đề là khâu then chốt của
việc khai thác tư liệu viễn thám.

Như vậy phân loại giám định đòi hỏi quá trình chọn mẫu đặc trưng
cho các đối tượng trên ảnh dựa trên các kết quả đi khảo sát thực địa hoặc từ
các thông tin liên quan khác nếu không đi khảo sát, có nghĩa là phải biết trước
được đặc điểm một số vùng ngoài thực tế tương ứng với một vùng trong ảnh
đó là loại nào mà ta cần xác định. Quá trình thực hiện gồm những bước sau:
Bước 1: Xác định vùng mẫu
Bước 2: Khoanh các vùng mẫu trên ảnh
Trước tiên cần hiển thị ảnh cần phân loại sau đó vào Tool/region of
interest/roi toll trong cửa sổ ảnh chính. công cụ chọn hình mẫu sẽ hiện ra
như hình.

Hình 2.5: Công cụ chọn mẫu (Sử dụng ENVI 4.5)
Bước 3: Phân loại dựa trên các vùng mẫu đó.
Trong thanh Menu, chọn Classification/Supervised sau đó chọn phương
pháp phân loại: Maximum Likelihood hoặc Minimum Distance như hình 2.6
và hình 2.7