Tài liệu Khóa luận ứng dụng viễn thám và gis phân tích biến động sử dụng đất trên địa bàn huyện hòa vang thành phố đà nẵng giai đoạn 2005 2015

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ĐÀ NẴNG KHOA ĐỊA LÝ --------------- HUỲNH NGỌC QUỲNH CHÂU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN HÒA VANG, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG GIAI ĐOẠN 2005 - 2015 CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƢỜNG KHÓA 14 (2014 – 2018) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ĐÀ NẴNG KHOA ĐỊA LÝ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN HÒA VANG, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG GIAI ĐOẠN 2005 - 2015 Giáo viên hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện ThS. Lê Ngọc Hành Huỳnh Ngọc Quỳnh Châu ĐÀ NẴNG - năm 2018 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài này và có kiến thức như ngày hôm nay, em xin gửi lời cám ơn đến Ban Giám Hiệu cùng toàn thể Thầy Cô Khoa Địa Lý trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Với tất cả lòng chân thành em xin gởi lời cảm ơn, đến Thầy TS. Lê Ngọc Hành đã hỗ trợ em rất nhiều để hoàn thành bài khóa luận tốt nghiệp này. Tuy đã hoàn thành tốt đề tài nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai sót nhất định trong quá trình nghiên cứu, rất mong được sự thông cảm và chia sẻ quý báu của quý Thầy Cô và Bạn bè. Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng 4 năm 2018 Tác giả khóa luận MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................1 MỤC LỤC ......................................................................................................................3 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................................1 2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ................................................................2 2.1. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................2 2.2. Nhiệm vụ của đề tài ..................................................................................................2 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..............................................................2 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ...............................................................................................2 3.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................2 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................................2 5. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU ............................................................................................3 6. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................4 6.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu ...................................................................................4 6.2. Phƣơng pháp tổng hợp xử lý, phân tích số liệu ........................................................4 6.3. Phƣơng pháp viễn thám và GIS ................................................................................4 6.4. Phƣơng pháp khảo sát thực địa .................................................................................4 B. PHẦN NỘI DUNG ....................................................................................................5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................5 1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HIỆN TRẠNG VÀ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT.....................................................................................................................5 1.1.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT...............................................................................5 1.1.2. BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ......................................................................................5 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) VÀ CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM (RS) ..7 1.2.1. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) .............................................................................7 1.2.2. Công nghệ viễn thám (Remote Sensing) .............................................................10 1.3. ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG DIỆN TÍCH SỬ DỤNG ĐẤT ..................................................................................................14 1.3.1. Ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá biến động diện tích sử dụng đất ....14 CHƢƠNG 2: ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM THÀNH LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN HÒA VANG, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG ...............17 2.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ..............................................................................................................17 2.1.1. Điều kiện tự nhiên ...............................................................................................17 2.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ....................................................................................18 2.2. TỔNG QUAN VỀ DỮ LIỆU ..................................................................................21 2.2.1. Tổng quan về nguồn dữ liệu ................................................................................21 2.3. THÀNH LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN HÒA VANG CÁC THỜI ĐIỂM NĂM 2005 VÀ 2015 .......................................................................21 2.3.1. Các bƣớc thực hiện giải đoán ảnh .......................................................................21 2.3.2. Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất thời điểm năm 2005 và 2015 .............33 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG DIỆN TÍCH SỬ DỤNG ĐẤT HUYỆN HÒA VANG THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG ....................................................................37 3.1. THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT GIAI ĐOẠN 2005 – 2015 ..37 3.2. ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG DIỆN TÍCH SỬ DỤNG ĐẤT GIAI ĐOẠN 2005 – 2015 VÀ XU THẾ THAY ĐỔI TRONG GIAI ĐOẠN ĐẾN .................................................41 3.2.1. Biến động diện tích sử dụng đất giai đoạn 2005 - 2015 ......................................41 3.2.2. Kết quả đánh giá biến động sử dụng đất huyện Hòa Vang giai đoạn 2005 – 2015 .......................................................................................................................................42 3.2.3. Xác định xu hƣớng thay đổi diện tích sử dụng đất trên cơ sở mô hình Markov Chain ..............................................................................................................................43 C. KẾT LUẬN..............................................................................................................46 1. KẾT LUẬN ............................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. D. TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................47 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Dân số huyện Hòa Vang từ giai đoạn 2007-2010 (nghìn ngƣời) 19 Bảng 2.2. Hiện trạng phân bố dân cƣ theo đơn vị hành chính 20 Bảng 2.3. Hiện trạng lao động nội thị 20 Bảng 2.4. Dấu hiệu nhận biết các đối tƣợng 26 Bảng 2.5. Hiện trạng sử dụng đất năm 2005 và 2015 36 Bảng 3.1. Bảng mẫu chu chuyển sử dụng đất từ năm 2005 đến năm 2015 của huyện Hòa Vang (đơn vị ha) 41 Bảng 3.2. Tình hình sử dụng và biến động một số loại đất chính giai đoạn 2005-2015 43 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ mô hình thông tin, kiến thức trong GIS 13 Hình 1.2. Các chức năng của GIS 13 Hình 1.3. Nguyên lý thu nhận dữ liệu đƣợc sử dụng trong viễn thám 15 Hình 1.4. Cơ chế phản xạ phổ của thực vật 16 Hình 1. 5. Đặc trƣng phản xạ phổ của nƣớc so với các đối tƣợng 16 tự nhiên khác Hình 1.6. Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tƣợng tự nhiên chính 16 Hình 2.1. Bản đồ hành chính huyện Hòa Vang (thu từ tỷ lệ 1:250000) 21 Hình 2.2. Quy trình thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất 26 Hình 2.3. Các kênh ảnh viễn thám 27 Hình 2.4. Ghép các kênh ảnh 27 Hình 2.5. Hiệu chỉnh các thuộc tính của ảnh Landsat 27 Hình 2.6. Mở ảnh vector khu vực nghiên cứu 28 Hình 2.7. Cắt ảnh theo ranh giới 28 Hình 2.8. Tăng cƣờng chất lƣợng hình ảnh 29 Hình 2.9. Phân loại Maximum Likelihood 32 Hình 2.10. Ảnh sau khi phân loại 33 Hình 2.11. Phân tích sau phân loại 34 Hình 2.12.Thống kê hiện trạng của từng loại đất năm 2005 và 2015 40 Hình 3.1. Quy trình thành lập bản đồ biến động sử dụng đất 41 Hình 3.2. Mô tả về chức năng intersection 42 Hình 3.4. Sự thay đổi diện tích của các loại đất từ năm 2005-2015 47 PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Biến động sử dụng đất là một trong những động lực chính làm biến đổi môi trƣờng toàn cầu, là trung tâm của những tranh luận về phát triển bền vững (Turner and Lambin, 2001). Biến động sử dụng đất làm ảnh hƣởng đến hệ thống chức năng của trái đất, gây nhiều hậu quả nhƣ thay đổi thảm thực vật, biến đổi các đặc tính lý hóa của đất, các hệ thống thủy văn và tài nguyên động, thực vật. Biến động sử dụng đất là một trong những nguyên nhân dẫn đến biến đổi khí hậu và mất cân bằng sinh thái. Những biến động trong sử dụng đất diễn ra nhanh chóng và rộng khắp trên thế giới, bao gồm việc chuyển đất rừng tự nhiên thành đất sản xuất nông nghiệp, một phần đất nông nghiệp lại đƣợc dùng để xây dựng khu dân cƣ, mở rộng đô thị...(Mas, 1999). Mặc dù, biến động sử dụng đất xảy ra ở từng khu vực nhƣng lại tác động tiêu cực trên phạm vi toàn cầu. Do đó, những hiểu biết về nguyên nhân, động lực cũng nhƣ ảnh hƣởng của biến động sử dụng đất có vai trò quan trọng. Ở Việt Nam, áp lực về gia tăng dân số và phát triển kinh tế xã hội đã tác động mạnh mẽ đến sử dụng đất làm cho hiện trạng sử dụng đất có nhiều thay đổi. Diện tích đất để phát triển các khu dân cƣ và đô thị tăng lên, đất sản xuất nông nghiệp ở các khu vực đồng bằng bị thu hẹp. Huyện Hòa Vang là huyện nông nghiệp của thành phố Đà Nẵng, diện tích đất tự nhiên là 73.488 ha (chiếm 74,8% diện tích của thành phố Đà Nẵng), Trong đó Đất nông nghiệp 65.316 ha, đất phi nông nghiệp 7.271 ha và đất chƣa sử dụng 901,7 ha. Mỗi năm toàn huyện có khả năng cung cấp ra thị trƣờng gần 20.000 tấn rau, 1.200 tấn thủy sản, gần 1 triệu con gia cầm các loại cho vùng nội thị thành phố Đà Nẵng. Vì nông nghiệp là ngành sản xuất chính trên địa bàn huyện nên bất kỳ sự thay đổi nào trong sử dụng đất sẽ tác động mạnh mẽ đến cuộc sống của ngƣời dân đồng thời ảnh hƣởng đến môi trƣờng sinh thái. Những nghiên cứu về biến động sử dụng của các nhà khoa học trên thế giới cho thấy, các nhân tố tự nhiên và kinh tế xã hội đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích những động lực dẫn đến biến động sử dụng đất. Tuy nhiên trong những điều kiện khác nhau và ở các vùng địa lý khác nhau thì ảnh hƣởng của những nhân tố đến biến động sử dụng đất cũng hoàn toàn thay đổi. Vì vậy việc đánh giá biến động sử dụng đất và xác định đƣợc ảnh hƣởng của những yếu tố tự nhiên, xã hội đến biến động sử dụng đất từ đó đề xuất các giải pháp quản lý sử dụng đất là vấn đề cấp thiết. Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của nền khoa học hiện đại đòi hỏi các thông tin phải nhanh chóng, chính xác và kịp thời. Thực tế đã cho thấy hiện nay GIS Trang 1 đang đƣợc áp dụng ở nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau và cũng chứng minh đƣợc những khả năng xử lý thông tin đem lại những lợi ích to lớn về kinh tế - xã hội - môi trƣờng. Do đó đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng GIS và viễn thám phân tích biến động sử dụng đất huyện Hòa Vang giai đoạn 2005-2015” đƣợc thực hiện. 2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2.1. Mục tiêu của đề tài Ứng dụng GIS phân tích biến động diện tích sử dụng đất trên địa bàn Huyện Hòa Vang, Thành Phố Đà Nẵng giai đoạn 2005-2015 2.2. Nhiệm vụ của đề tài - Thu thập tƣ liệu: Ảnh viễn thám, bản đồ các loại và các tài liệu liên quan khác. - Thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất của huyện Hòa Vang ở các thời điểm 2005 và 2015. - Thành lập bản đồ biến động diện tích sử dụng đất, mục đích sử dụng đất giai đoạn 2005 – 2015. - Phân tích biến động diện tích sử dụng đất của huyện giai đoạn 2005 – 2015. - Xác định các nguyên nhân, đề xuất giải pháp thích ứng. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu chính của đề tài là diện tích sử dụng đất ở Huyện Hòa Vang giai đoạn 2005-2015. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Huyện Hòa Vang, Thành Phố Đà Nẵng. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để nghiên cứu biến động diện tích sử dụng đất của huyện Hòa Vang giai đoạn 2005 – 2015, đề tài thực hiện một số nội dung chính sau: - Khái quát cơ sở lí luận và thực tiễn về biến động diện tích sử dụng đất. - Tổng quan cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong đánh giá biến động diện tích sử dụng đất. - Nghiên cứu các đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội, các yếu tố ảnh hƣởng tới biến động diện tích sử dụng đất Huyện Hòa Vang. - Ứng dụng công nghệ viễn thám thành lập các bản đồ diện tích sử dụng đất thời điểm năm 2005 và 2015. - Ứng dụng GIS để thành lập bản đồ và đánh giá biến động diện tích sử dụng đất giai đoạn 2005 – 2015. Trang 2 - Xác định các nguyên nhân gây ra biến động diện tích sử dụng đất và đề xuất các giải pháp bảo vệ đất. - Đề xuất một số giải pháp thích ứng với biến động diện tích sử dụng đất. 5. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU Việc sử dụng kỹ thuật viễn thám trên thế giới đã xuất hiện từ rất lâu. Kể từ năm 1858, ngƣời ta đã bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục đích thành lập bản đồ địa hình và những bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đã đƣợc Wilbur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocelli, Italia. Ban đầu, ngƣời ta sử dụng viễn thám chủ yếu cho mục đích quân sự. Khi vệ tinh Landsat-1 đƣợc phóng vào năm 1972, những ứng dụng của viễn thám trong lĩnh vực giám sát môi trƣờng và quản lí tài nguyên thiên nhiên đã trở nên khá phổ biến và trở thành một phƣơng pháp rất hiệu quả trong việc cập nhật thông tin của một vùng hay toàn lãnh thổ. Ngày nay, viễn thám đƣợc sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực từ theo dõi dự báo thời tiết, điều tra hiện trạng môi trƣờng, giám sát biến động lớp phủ mặt đất, xói mòn đất, trong nghiên cứu địa chất, nuôi trồng thủy sản, cho đến việc nghiên cứu hải dƣơng học…Đối với công tác quy hoạch và quản lý đất đai, viễn thám là một công cụ hữu ích giúp xác định nhanh chóng và chính xác hiện trạng sử dụng đất, đồng thời xác định sự biến động của các loại hình sử dụng theo thời gian. Công trình “A land-use and land cover classification system for use with remote sensor data” của James R.Anderson, Ernest E.Hardy, John T.Roach và Richard E.Witmer năm 2001 đã đƣa ra hệ thống phân loại sử dụng đất bằng công nghệ viễn thám và định nghĩa rất rõ ràng từng loại hình sử dụng đất và ứng dụng vào xây dựng một số bản đồ cụ thể. Việc sử dụng kĩ thuật viễn thám trong nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ mặt đất đã đƣợc áp dụng tại rất nhiều trƣờng đại học và các viện nghiên cứu trên thế giới, và thực tế đã đem lại nhiều thành tựu to lớn. Ở Hoa Kì, ứng dụng này đƣợc bắt đầu kể từ năm 1976. Tại các quốc gia châu Âu nhƣ Pháp, Đức, Hà Lan…hƣớng nghiên cứu này cũng trở nên phổ biến trong các thập niên 80, 90 của thế kỉ 20 và hiện nay cũng đang phát triển mạnh. Ngày nay, các nƣớc châu Á và châu Phi cũng đã bắt đầu đi sâu vào nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ mặt đất bằng công nghệ viễn thám và GIS. Có thể kể ra một số công trình nhƣ: Công trình “Change detection in land use and land cover using remote sensing and GIS” của Opeyemi Zubair, trƣờng đại học Ibadan: Đề tài “A comparison of land use and land cover change detection method” của nhóm tác giả Daniel L.Civco, Jame D.Hurd, Emily H.wilson, Mingjun Song, Zhenkui Zhang, đại học Connecticut: Trang 3 6. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong đề tài này, chúng tôi đã chọn những phƣơng pháp nghiên cứu sau: 6.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu - Số liệu về đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu: Thu thập các số liệu về ĐKTN (thổ nhƣỡng, địa hình, khí hậu, thủy văn,…), hiện trạng rừng, tình hình kinh tế - xã hội (dân số, lao động, tập quán sản xuất, sản phẩm nông nghiệp) có ảnh hƣởng đến sự hình thành và phát triển của các loại đất, đặc điểm của các loại hình sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu. Các tài liệu này thu thập, thông kê qua các báo cáo của UBND Huyện, Phòng TN & MT Huyện. - Tƣ liệu ảnh viễn thám: Để thực hiện đề tài này sử dụng ảnh Landsat các thời điểm năm 2005 và 2015. 6.2. Phƣơng pháp tổng hợp xử lý, phân tích số liệu Với các số liệu thu thập đƣợc cần phải tổng hợp, xử lý và phân tích để nghiên cứu đề tài. Xử lý và phân tích số liệu hay dữ liệu là một trong các bƣớc cơ bản của một nghiên cứu. Bản thân số liệu chỉ là các số liệu thô, qua xử lý, phân tích trở thành thông tin và sau đó trở thành tri thức. Đây chính là điều mà tất cả các nghiên cứu đều mong muốn. 6.3. Phƣơng pháp viễn thám và GIS Đây là phƣơng pháp quan trọng và không thể thiếu của công tác nghiên cứu địa lý. Bản đồ sẽ đƣợc sử dụng trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Bản đồ không chỉ có tác dụng cụ thể hóa các vấn đề nghiên cứu mà còn có tác dụng thúc đẩy cho công tác nghiên cứu địa lý tiến triển tốt hơn. Từ các số liệu và bản đồ thu thập đƣợc trong quá trình nghiên cứu. Với sự hỗ trợ của viễn thám (ENVI) và phần mềm GIS (ArcGIS) để xử lý và thiết lập các bản đồ thành phần. Từ đó thành lập bản đồ biến động diện tích rừng của huyện Hòa Vang. Đây là phƣơng pháp chủ đạo trong nghiên cứu của đề tài. 6.4. Phƣơng pháp khảo sát thực địa Khảo sát thực địa là phƣơng pháp tốt nhất để kiểm chứng độ chính xác của các tài liệu, số liệu thu thập đƣợc. Đồng thời phƣơng pháp này giúp thu thập các thông tin bổ sung cần thiết cho đề tài mà phƣơng pháp thu thập chƣa đạt yêu cầu. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi đã đi lấy mẫu viễn thám phục vụ cho quá trình giải đoán ảnh ở huyện Hòa Vang và những vấn đề khác có liên quan. Trang 4 B. PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HIỆN TRẠNG VÀ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT 1.1.1. Khái niệm và phân loại đất Tài nguyên đất đƣợc hiểu theo hai quan điểm: Quan điểm phát sinh thổ nhƣỡng (Đất = soils) và quan điểm kinh tế học (Đất đai = Lands). Về quan điểm phát sinh thổ nhƣỡng, ngƣời đặt cơ sở khoa học đầu tiên cho khoa học đất chính là nhà thổ nhƣỡng học ngƣời Nga Dokuchaev. Dokuchaev cho rằng đất (soil) là thực thể tự nhiên đặc biệt, hình thành do tác động tổng hợp của các yếu tố: Đá mẹ, khí hậu, địa hình, sinh vật (chủ yếu là thực vật), thời gian và tác động của con ngƣời (V.V.Dokuchaev 1879). Theo định nghĩa của FAO năm 1976 thì đất đai là một diện tích cụ thể của bề mặt Trái Đất bao gồm các thành phần của môi trƣờng vật lý và sinh học có ảnh hƣởng đến việc sử dụng đất nhƣ: Khí hậu, địa hình, đất, nƣớc và sinh vật. Nó cũng bao gồm các kết quả của các hoạt động của con ngƣời trong quá khứ và hiện tại, chẳng hạn nhƣ sự khai phá vùng biển, sự khai hoang các vùng thực vật, cũng nhƣ sự mặn hóa các vùng đất. Nhƣ vậy, khi xem xét đất đai, thực chất là chúng ta đang xem xét một thể tổng hợp tự nhiên. Theo Luật đất đai của nƣớc Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam, đất đai đựợc định nghĩa nhƣ sau: “Đất đai là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, là tƣ liệu sản xuất đặc biệt, là thành phần quan trọng hàng đầu của môi trƣờng sống, là địa bàn tiến hành các hoạt động sản xuất, xây dựng, kinh tế, văn hóa, xã hội, an ninh và quốc phòng”. 1.1.2. Biến động diện tích sử dụng đất 1.1.2.1. Khái niệm Biến động sử dụng đất là sự thay đổi tăng hay giảm về diện tích đối tƣợng nào đó trong một giai đoạn nhất định. - Nguyên tắc sử dụng ảnh Viễn thám để theo dõi biến động: + Các ảnh sử dụng để theo dõi biến động một khu vực, phải ở cùng một hệ tọa độ lƣới chiếu. + Ảnh phải có độ phân giải nhƣ nhau. + Ảnh có độ phân giải càng cao thì các đối tƣợng phản xạ càng mạnh, thông tin về các đối tƣợng thực phủ càng chi tiết hơn và ngƣợc lại. Vì vậy ảnh có cùng độ phân giải các đối tƣợng thực phủ sẽ cho phản xạ gần nhƣ nhau. Và khi đó chồng lớp đối tƣợng trên hai ảnh cho kết quả biến động chính xác hơn. Trang 5 + Ảnh phải đƣợc phân tích giải đoán ở các bƣớc sóng nhƣ nhau. Theo nguyên lý Viễn thám, thông tin Viễn thám thu nhận đƣợc dựa vào sự đo lƣờng năng lƣợng phản xạ, bức xạ sóng điện từ của vật thể trên những bƣớc sóng xác định. Các đối tƣợng sẽ cho những phản xạ khác nhau trên cùng một bƣớc sóng và một đối tƣợng sẽ cho phản xạ mạnh yếu khác nhau trên các bƣớc sóng khác nhau. Nếu nhƣ giải đoán hai ảnh ở những bƣớc sóng khác nhau kết quả phân loại có độ chính xác là không nhƣ nhau và khi đó không thể cho kết quả biến động chính xác. + Khu vực nghiên cứu của ảnh phải nhƣ nhau. Hai ảnh phải đƣợc chụp trên cùng một khu vực hoặc đƣợc cắt theo ranh giới hành chính của khu vực nghiên cứu. 1.1.2.2. Những đặc trưng của biến động sử dụng đất Biến động sử dụng đất có những đặc trƣng cơ bản nhƣ sau : - Quy mô biến động + Biến động về diện tích sử dụng đất đai nói chung. + Biến động về diện tích của từng loại hình sử dụng đất + Biến động về đặc điểm của những loại đất chính. - Mức độ biến động + Mức độ biến động thể hiện qua số lƣợng diện tích tăng hoặc giảm của các loại hình sử dụng đất giữa đầu thời kỳ và cuối thời kỳ nghiên cứu. + Mức độ biến động đƣợc xác định thông qua việc xác định diện tích tăng, giảm và số phần trăm tăng giảm của từng loại hình sử dụng đất giữ cuối và đầu thời kỳ đánh giá. 1.1.2.3. Những nhân tố gây nên tình hình biến động sử dụng đất Các yếu tố tự nhiên là cơ sở quyết định cơ cấu sử dụng đất đai vào các mục đích kinh tế - xã hội bao gồm các yếu tố sau: Vị trí địa lý, địa hình, khí hậu, thủy văn, thảm thực vật (Nguyễn Tiến Mạnh, 2008). Các yếu tố kinh tế - xã hội có tác động lớn đến sự thay đổi diện tích các loại hình sử dụng đất đai bao gồm các yếu tố sau (Nguyễn Tiến Mạnh, 2008): - Sự phát triển các ngành kinh tế nhƣ: Dịch vụ, xây dựng, giao thông và các ngành kinh tế khác. - Gia tăng dân số. - Các dự án đầu tƣ phát triển kinh tế. - Thị trƣờng tiêu thụ Trang 6 1.1.2.4. Ý nghĩa thực tiễn trong đánh giá tình hình biến động sử dụng đất Đánh giá tình hình biến động sử dụng đất có ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng đất đai (Nguyễn Tiến Mạnh, 2008): - Là cơ sở khai thác tài nguyên đất đai phục vụ phát triển kinh tế - xã hội có hiệu quả và bảo vệ môi trƣờng sinh thái. - Mặc khác khi đánh giá biến động sử dụng đất cho ta biết nhu cầu sử dụng đất giữa các ngành kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng. Dựa vào vị trí địa lý, diện tích tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên của khu vực nghiên cứu, từ đó biết đƣợc sự phân bố các ngành, các lĩnh vực kinh tế và biết đƣợc những điều kiện thuận lợi, khó khăn đối với nền kinh tế xã hội và biết đƣợc đất đai biến động theo chiều hƣớng tích cực hay tiêu cực, để từ đó đƣa ra những phƣơng hƣớng phát triển đúng đắn cho nền kinh tế và các phƣơng pháp sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên đất, bảo vệ mội trƣờng sinh thái. Do đó đánh giá biến động sử dụng đất có ý nghĩa hết sức quan trọng là tiền đề, cơ sở đầu tư và thu hút nguồn vốn đầu tư từ bên ngoài, để phát triển đúng hướng, ổn định trên tất cả mọi lĩnh vực kinh tế - xã hội và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá của quốc gia. 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) VÀ CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM (RS) 1.2.1. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) nằm trong hệ thống công nghệ thông tin, nhƣng đƣợc phát triển chuyên sâu cho việc quản lý cơ sở dữ liệu gắn với các yếu tố địa lý, không gian và bản đồ. GIS và ngày càng phát triển rộng rãi bởi khả năng tích hợp, phân tích thông tin sâu và giải quyết nhiều vấn đề tổng hợp. Thông qua GIS nhƣ thu thập, phân tích, tổng hợp, tìm kiếm, tổ hợp thông tin, cơ sở dữ liệu gắn với yếu tố địa lý, giúp cho việc đánh giá các quá trình, dự báo những khả năng xảy ra, cũng nhƣ đƣa ra những giải pháp mới; do vậy GIS ngày càng đƣợc ứng dụng trong nhiều hoạt động cả về kinh tế - xã hội, quản lý và môi trƣờng. 1.2.1.1. Khái niệm Hiện nay có nhiều khái niệm về GIS nhƣng nhìn chung GIS là một hệ thống quản lý thông tin dữ liệu không gian đa dạng, đƣợc phát triển dựa trên cơ sở công nghệ máy tính, phần mềm, ảnh viễn thám với mục đích lƣu trữ, cập nhật, quản lý, hợp nhất, tổng hợp, mô hình hóa, phân tích và đƣa ra các giải pháp ở nhiều lĩnh vực và cấp độ khác nhau tùy theo mục tiêu của ngƣời sử dụng. Trang 7 GIS là hệ thống quản lý, phân tích thông tin dữ liệu gắn với yếu tố địa lý và nhằm đƣa ra các thông tin, kiến thức, giải pháp. Các kết quả của GIS là rất đa dạng, nhƣ là: các hiển thị tri thức địa lý, tri thức này đƣợc thể hiện quan các dạng thông tin: - Bản đồ: Đây là kết quả truyền thống và trực quan của GIS và nó là một trong những sản phẩm đầu tiên, cần có khi áp dựng GIS, ví dụ bản đồ quy hoạch, bản đồ biến động, bản đồ cơ cấu cây trồng,… - Cơ sở dữ liệu gắn với yếu tố địa lý: Đây là điều khác biệt giữa GIS với các bản đồ thông thƣờng. Trong hệ thống này ngoài những giá trị hiển thị trên bản đồ, thì thông qua GIS nhiều dữ liệu liên quan, có giá trị đƣợc liên kết, tổng hợp, lƣu trữ và có thể cập nhật. Điều này giúp cho việc quản lý không gian địa lý theo thời gian. - Mô hình phân tích, quan hệ: Các mối quan hệ giữa các nhân tố theo không gian đƣợc mô hình hóa. Ví dụ quan hệ giữa mặt xung yếu của một lƣu vực với một nhân tố ảnh hƣởng nhƣ địa hình, đất đai, thảm phủ thực vật. Đây là cơ sở để chồng ghép các lớp bản đồ, dữ liệu để đƣa ra giải pháp, quy hoạch. - Metadata: Thông tin siêu cơ sở dữ liệu của các lớp dữ liệu. Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin và viễn thám phát triển không ngừng và tạo ra những phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực. Trong đó đối với quản lý tài nguyên thiên nhiên, chúng đóng vai trò quan trọng với những ứng dụng nhƣ lƣu trữ, cập nhật, phân tích và đƣa ra các giải pháp quản lý hữu hiệu, tiết kiệm, có tính khoa học và thực tiễn, đóng góp vào việc quản lý tài nguyên bền vững, lâu dài. 1.2.1.2. Các thành phần và chức năng của GIS Mô hình thông tin, kiến thức GIS bao gồm: - Thông tin dữ liệu đầu vào: Các thông tin dữ liệu liên quan, bản đồ, tọa độ không gian đầu vào, ảnh viễn thám, các mô hình quan hệ giữa các nhân tố; chúng đƣợc cập nhật và bổ sung thƣờng xuyên. - Quản lý, cập nhật và phân tích thông tin dữ liệu theo một mục tiêu cụ thể. - Thông tin dữ liệu đầu ra bao gồm: Các giải pháp, các bản đồ chuyên đề và dữ liệu liên quan, báo cáo; đồng thời có thể tạo ra các wedsite để quản lý, sử dụng, trao đổi. Trang 8 Hình 2.1. Sơ đồ mô hình thông tin, kiến thức trong GIS GIS có rất nhiều chức năng khác nhau tùy vào việc ứng dụng vào lĩnh vực nào, nhƣng có thể biểu hiện tổng quát theo sơ đồ sau: Hiện tƣợng quan sát Thu thập thông tin Tài liệu và bản đồ giấy Dữ liệu thô CSDL Lƣu trữ và khai thác Xử lý sơ bộ dữ liệu Hiển thị và tƣơng tác Dữ liệu có cấu trúc Tìm kiếm và phân tích Diễn giải Hình 1.3. Các chức năng của GIS Trang 9 Thiết bị đồ họa 1.2.2. Công nghệ viễn thám (Remote Sensing) 1.2.2.1. Các khái niệm liên quan đến viễn thám Công nghệ viễn thám đã đƣợc ra đời từ rất lâu trên thế giới, nhƣng ở Việt Nam mới đƣợc ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Viễn thám (remote sensing) đƣợc hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tƣợng, một khu vực, hoặc một hiện tƣợng thông qua việc phân tích tƣ liệu thu nhận đƣợc bằng các phƣơng tiện. Những phƣơng tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng, khu vực hoặc với hiện tƣợng đƣợc nghiên cứu Theo định nghĩa của tổ chức Japan Association of Remote Sensing, viễn thám là một khoa học và công nghệ trong đó các đặc điểm của đối tƣợng có thể đƣợc phát hiện, đo đạc và phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Theo định nghĩa của Nguyễn Ngọc Thạch (2005) thì viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tƣợng hoặc một hiện tƣợng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng hoặc hiện tƣợng đó 1.2.2.2. Nguyên lý cơ bản của viễn thám Do các tính chất của vật thể (nhà, đất, cây, nƣớc…) có thể đƣợc xác định thông qua năng lƣợng bức xạ hay phản xạ từ vật thể nên viễn thám là một công nghệ nhằm xác định và nhận biết đối tƣợng hoặc các điều kiện môi trƣờng thông qua những đặc trƣng riêng về sự phản xạ và bức xạ Sóng điện từ đƣợc phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tƣợng cần phải đo lƣờng và phân tích trong viễn thám. Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể đƣợc gọi là bộ cảm biến (sensors). Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét. Phƣơng tiện mang các sensors đƣợc gọi là vật mang (platform). Vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh… Nguồn năng lƣợng chính thƣờng sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lƣợng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ đƣợc thu nhận bởi các sensor đặt trên vật mang. Thông tin về đối tƣợng có thể nhận biết đƣợc thông qua xử lý tự động máy tính hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh của đối tƣợng dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin dƣới dạng ảnh số sẽ đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ nông lâm nghiệp, địa chất, khí tƣợng, môi trƣờng. Trang 10 Hình 1.4. Nguyên lý thu nhận dữ liệu được sử dụng trong viễn thám Nói một cách ngắn gọn, mỗi đối tƣợng sẽ có một giá trị phổ phản xạ duy nhất và khác với các đối tƣợng khác. Các đặc trƣng phổ phản xạ này sẽ đƣợc thể hiện bằng cấp độ xám trên ảnh viễn thám. Viễn thám chính là công nghệ phát hiện và tìm hiểu đối tƣợng thông qua các đặc trƣng phổ phản xạ riêng biệt ấy. Phƣơng pháp viễn thám chính là phƣơng pháp sử dụng bức xạ điện từ nhƣ một phƣơng tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tƣợng 1.2.2.3. Các đặc trưng cơ bản của ảnh Landsat Nhƣ trên đã nói, mỗi đối tƣợng tự nhiên có một đặc trƣng phản xạ phổ nhất định và đây chính là cơ sở để hình thành nên các thông tin viễn thám. Chính vì vậy, nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng tự nhiên có ý nghĩa vô cùng quan trọng, quyết định đến khả năng ứng dụng có hiệu quả phƣơng pháp viễn thám trong nghiên cứu các đối tƣợng. Phần lớn các phƣơng pháp ứng dụng viễn thám đƣợc sử dụng hiện nay đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với việc nghiên cứu đặc trƣng phản xạ phổ của các đối tƣợng hay nhóm các đối tƣợng nghiên cứu. Sự hiểu biết về mối tƣơng quan giữa đặc trƣng phản xạ phổ và bản chất, trạng thái của đối tƣợng tự nhiên giúp cho các nhà nghiên cứu giải đoán đúng và chính xác về đối tƣợng. Trong trƣờng hợp này, những thông tin về đặc trƣng phản xạ phổ sẽ cho phép các nhà chuyên môn chọn các kênh phổ tối ƣu, chứa nhiều thông tin nhất về đối tƣợng đƣợc nghiên cứu, đồng thời đây cũng là cơ sở để phân tích, nghiên cứu các tính chất của đối tƣợng, tiến tới phân loại chúng Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu đƣợc về các đối tƣợng. Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cƣờng độ, dạng đƣờng cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tƣợng trên bề mặt. Thông tin về phổ Trang 11 phản xạ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phƣơng pháp phân tích xử lý ảnh trong viễn thám, đặc biệt là xử lý số Đặc trƣng phổ phản xạ của một số đối tƣợng tự nhiên thƣờng xuất hiện trong bản đồ hiện trạng sử dụng đất đƣợc trình bày dƣới đây: a. Đặc trưng phản xạ phổ của thực vật Thực vật khỏe mạnh chứa nhiều diệp lục tố (chlorophil), phản xạ rất mạnh ánh sáng có bƣớc sóng từ 450 – 670nm (tƣơng ứng với dải sóng màu lục – Green), vì vậy ta nhìn thấy chúng có màu xanh lục. Khi diệp lục tố giảm đi, thực vật chuyển sang phản xạ ánh sáng màu đỏ trội hơn. Kết quả là lá cây có màu vàng (do tổ hợp màu Green và Red) hoặc màu đỏ hẳn (hiện tƣợng này khá phổ biến khi mùa đông đến). Ở vùng hồng ngoại phản xạ (từ 0,7 – 1,3 µm) thực vật có khả năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng (microwave) một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi nƣớc trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngƣợc lại, khả năng hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng đó càng tăng lên Sự khác nhau về đặc trƣng phản xạ phổ ở thực vật đƣợc xác định bởi các yếu tố cấu tạo trong và ngoài của cây (sắc tố diệp lục, cấu tạo mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái cây…), thời kì sinh trƣởng (tuổi cây, giai đoạn sinh trƣởng…) và tác động ngoại cảnh (điều kiện sinh trƣởng, điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý…). Tuy nhiên, đặc trƣng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật có một quy luật chung: phản xạ mạnh ở vùng sóng xanh (510 - 575 nm) và hồng ngoại gần (>720nm), hấp thụ mạnh ở vùng sóng xanh - tím (390 - 480 nm) và sóng đỏ (680 – 720nm). Hình 1.5. Cơ chế phản xạ phổ của thực vật b. Đặc trưng phản xạ phổ của nước Khả năng phản xạ phổ của nƣớc phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nƣớc và hàm lƣợng các vật chất lơ lửng chứa trong nƣớc. Nƣớc trong chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (Blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (Green), triệt tiêu ở cuối Trang 12 dải sóng đỏ (Red). Khi nƣớc bị đục, khả năng phản xạ tăng lên do ảnh hƣởng sự tán xạ của các vật chất lơ lửng. Sự thay đổi về tính chất của nƣớc (độ đục, độ mặn, độ sâu, hàm lƣợng Chlorophil,…) đều ảnh hƣởng đến tính chất phổ của chúng. Hình 1. 6. Đặc trưng phản xạ phổ của nước so với các đối tượng tự nhiên khác c. Đặc trưng phản xạ phổ của đất Đƣờng cong phổ phản xạ của đất khô tƣơng đối đơn giản, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng nhƣ ở thực vật. Các yếu tố ảnh hƣởng đến đƣờng cong phổ phản xạ của đất là: lƣợng ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các loại oxit kim loại, hàm lƣợng vật chất hữu cơ,… các yếu tố đó làm cho đƣờng cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đƣờng cong có giá trị trung bình. Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng có bƣớc sóng dài. Hình 1.7. Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tượng tự nhiên chính Nhƣ vậy, đƣờng cong biểu diễn đặc trƣng phản xạ phổ của đất đơn giản hơn so với đặc trƣng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật: tăng dần từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại một cách đơn điệu và phụ thuộc vào một số yếu tố chính nhƣ bản chất Trang 13