Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
4 Tổng quan về công nghệ viễn thám và GIS

4 Tổng quan về công nghệ viễn thám và GIS

Tải bản đầy đủ - 0trang

dụng rộng rãi trong nông nghiệp, lâm nghiệp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất,

môi trường,…và thu được những thành tựu to lớn.



Hình 1.6 Cơ chế hoạt động của hệ thống viễn thám

Ở nước ta, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những thập kỷ cuối của thế

kỷ 20, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lệ.

Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều cơ quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ

hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùng lãnh thổ khác nhau, từ khu vực nhỏ đến tỉnh,

vùng và toàn quốc.

Những năm gần đây, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi và mang lại

hiệu quả quan trọng trong hải dương học cũng như nghiên cứu đánh giá chất lượng nước

ở Việt Nam. Tư liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian đa dạng cho phép

nghiên cứu, giám sát các vùng nước ở các quy mô khác nhau. Một số ảnh vệ tinh thương

mại hiện nay như QuickBird, WorldView...có thể đạt độ phân giải không gian lên đến

1m hoặc cao hơn.Tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao có thể áp dụng hiệu quả cho các

nghiên cứu ở mức độ chi tiết (ao, hồ, các đoạn sơng). Trong khi đó, ảnh vệ tinh độ phân

giải khơng gian trung bình (từ 10 đến 100m) thường được sử dụng trong các nghiên cứu

đánh giá chất lượng nước ở quy mô cấp vùng. Đối với những khu vực rộng lớn như



17



biển, đại dương, tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải thấp có thể được áp dụng do

diện tích phủ trùm của một cảnh ảnh có thể lên đến một vài km2 .

Các vùng nước với hàm lượng thông số chất lượng nước khác nhau sẽ có đặc

trưng phản xạ phổ khác nhau. Đặc trưng phản xạ phổ này có thể được sử dụng trực tiếp

hoặc gián tiếp để ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước như chất lơ lửng

(TSS), chất diệp lục (Chrolophyll), nhiệt độ, pH, hàm lượng chất hữu cơ hòa tan... Do

vậy, tư liệu viễn thám chủ đạo sử dụng trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước là

ảnh vệ tinh quang học. Trong bảng 1.4 trình bày các bộ cảm biến quang học sử dụng phổ

biến trong đánh giá chất lượng nước, trong đó các bộ cảm được chia thành ba nhóm

chính: độ phân giải khơng gian cao (dưới 10m), độ phân giải khơng gian trung bình

(khoảng 10 đến 100m) và độ phân giải không gian thấp (lớn hơn 100m).

Bảng 1.4 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng nước

Loại



Độ

phân

giải cao



Vệ tinh – Bộ



Ngày



Độ phân giải



Độ rộng dài



Độ phân



Cảm



phóng



khơng gian



chụp



giải thời



Digital Globe



18/09/200



(m)

0,5



17,7



gian (ngày)

1,7



WorldView – 1

Digital Globe



7

08/10/200



1,85 – 0,46



16,4



1,1



WorldView – 2

NOAA



9

13/08/201



1,24-3,7-0,31



13,1



1-4,5



WorldView – 3



4



Digital Globe



18/10/200



2,62-0,65



18



2,5



Quikckbird

GeoEye Geoeye



1

06/09/201



1,65-0,41



15,2



<3



-1

GeoEye



0

24/09/199



3,2 - 0,82



11,3



3



IKONOS

SPOT – 5 HRG



9

05/05/200



2,5 : 5 – 10 –



60



2–3



CARTOSAT



2

05/05/200



20

2,5



30



5



18



Loại



Vệ tinh – Bộ



Ngày



Độ phân giải



Độ rộng dài



Độ phân



Cảm



phóng



khơng gian



chụp



giải thời



(m)

ALOS AVNIR –



70



2



6

11/02/2013 30 – 15 – 100



170



16



OLI/TIRS

Landsat 7 ETM+



15/04/199



30 – 15 – 60



183



16



Landsat 5 TM



9

01/03/198



30 – 120



185



16



Landsat 5 MSS



4

01/03/198



80



185



18



30

10 – 30

15 – 30 – 90



7,5

185

60



16

16

16



PROBA CHRIS



9

22/10/200



18 – 36



14



7



HICO



1

10/09/200



100



45 – 50



10



Terra MODIS



9

18/12/199



250 – 500 –



2330



1–2



Envisat – 1



9

01/03/200



1000

300 – 1200



1150



Hàng ngày



MERIS

OrbView – 2



2

01/08/199



1130



2806



16



SeaWiFS

NIMBUS – 7



7

24/10/197



825



1556



6



CZCS

ERS – 1 ATSR –



8

17/06/199



1000



500



3–6



1

ERS – 2 ATSR –



1

22/04/199



1000



500



3–6



2

Landsat 8



Độ

phân

giải

trung

bình



Độ

phân

giải

thấp



5

24/01/200



4

EO – 1 Hyperion 21/11/2000

EO – 1 ALI

21/11/2000

Terra ASTER

18/12/199



2,5 – 10



gian (ngày)



19



Loại



Vệ tinh – Bộ



Ngày



Độ phân giải



Độ rộng dài



Độ phân



Cảm



phóng



khơng gian



chụp



giải thời



(m)



gian (ngày)



2

ENVISAT



5

01/03/200



1000



500



3–6



Suomi NPP



1

28/10/2011



375 – 750



3060



1–2



3000



lần/ngày

9



VIIRS

NOAA – 16



21/09/200



1100 – 4000



AVHRR

Những kết quả đạt được đã minh chứng khả năng và tính hiệu quả của cơng nghệ

viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường, là động lực

thúc đẩy sự phát triển của công nghệ viễn thám ở Việt Nam.

1.4.2 Tổng quan về công nghệ GIS

1.4.2.1 Một số khái niệm cơ bản

GIS (Geographical Information System) là hệ thống chuyên làm việc với dữ liệu

địa lý. Cho đến nay, nhiều định nghĩa về GIS theo cấu trúc và chức năng đã và đang

được sử dụng. Tuy nhiên, cách định nghĩa theo chức năng đang được sử dụng phổ biến

hơn. Theo chức năng, GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, truy vấn, tích hợp,

thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian. Với khả năng lưu trữ, xử lý và phân

tích khơng gian mạnh, GIS đang trở thành một công cụ hết sức hiệu quả trong nghiên

cứu, quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường.

Các thành phần của GIS

Một hệ thống GIS hoàn chỉnh thường bao gồm 5 thành phần chính, bao gồm:

phần cứng, phần mềm, dữ liệu, phương pháp và con người.

Phần cứng là hệ thống máy tính trên một hệ GIS hoạt động.Ngày nay, phần mềm

GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các trạm

hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng.

20



Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu trữ, phân

tích và hiển thị thơng tin địa lý.Thành phần phần mềm GIS bao gồm hệ điều hành và các

phần mềm ứng dụng.

Dữ liệu là một thành phần rất quan trọng trong một hệ GIS. Các dữ liệu địa lý và

dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà

cung cấp dữ liệu thương mại.Dữ liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý

riêng lẻ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu.

Phương pháp là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ

thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ thống

GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ

chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin.

Con người là thành phần quan trọng nhất của một hệ thống GIS. Con người là

nhân tố thực hiện tất cả các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS.

Chức năng của GIS

Hiện nay, các phần mềm hệ thống GIS thương mại được phát triển rất đa dạng với

nhiều tính năng và tiện ích khác nhau. Nhìn chung, một hệ thống GIS có rất nhiều chức

năng, tuy nhiên có thể thấy các chức năng của GIS đều xoay quanh dữ liệu (data): thu

thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, truy vấn dữ liệu, phân tích, trình bày kết quả, chức năng

xuất nhập dữ liệu.



Hình 1.7 Mô tả các chức năng của GIS

21



Chức năng thu thập dữ liệu là khả năng của hệ thống GIS cho phép nhập dữ liệu

từ nhiều nguồn khác nhau như từ bản đồ giấy, số liệu bảng tọa độ, dữ liệu ảnh vệ tinh,

dữ liệu từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Hơn nữa, các dữ liệu được lưu trữ theo một

định dạng dữ liệu từ một phần mềm có thể nhập vào các hệ phần mềm khác. Ví dụ, phần

mềm ArcGIS cho phép nhập dữ liệu từ các phần mềm Mapinfo, MicroStation, IDRISI

và nhiều phần mềm GIS mã nguồn mở.

Chức năng lưu trữ dữ liệu của hệ thống GIS hỗ trợ lưu dữ liệu cả dạng cấu trúc dữ

liệu Vector và cấu trúc dữ liệu Raster.Khả năng lưu trữ dữ liệu của các hệ GIS cho phép

xây dựng các ngân hàng dữ liệu không gian phục vụ công tác quản lý tài nguyên và môi

trường.Cơ sở dữ liệu lớp phủ thực vật, cơ sở dữ liệu bản đồ đất, cơ sở dữ liệu địa chính

là những ví dụ hữu ích về khả năng của GIS trong lưu trữ dữ liệu phục vụ quản lý

chuyên ngành quản lý tài nguyên.

Chức năng truy vấn dữ liệu là chức năng cơ bản nhất của tất cả các phần mềm

GIS. Nhiều hệ thống GIS tích hợp cả hệ quản trị cơ sở dữ liệu bên trong nó dựa trên mơ

hình dữ liệu quan hệ như phần mềm ArcGIS, IDRISI để giúp tổ 14 chức thông tin của

một hệ GIS. Dữ liệu được tổ chức theo mơ hình dữ liệu quan hệ này cho phép truy vấn

thông tin của các đối tượng riêng biệt cũng như theo các điều kiện nào đó theo giá trị

thuộc tính hoặc khơng gian địa lý.

Chức năng phân tích dữ liệu là nhóm chức năng quan trọng của các hệ phần mềm

GIS, đặc biệt trong phân tích dữ liệu không gian.Hầu hết các hệ thống GIS đều cung cấp

các cơng cụ phân tích khơng gian cơ bản như hiển thị dữ liệu, phân tích liền kề, chồng

xếp bản đồ, phân tích mạng lưới.Tuy nhiên, một số phần mềm GIS thương mại hiện nay

tích hợp rất nhiều các tḥt tốn, các mơ hình tính tốn cho phép phân tích dữ liệu

khơng gian.Người sử dụng chỉ việc lựa chọn tḥt tốn phù hợp với lĩnh vực ứng dụng

cụ thể. Ví dụ: hệ phần mềm IDRISI tích hợp các tḥt tốn thống kê, các mơ hình phân

tích đa biến, các tḥt tốn cho đánh giá và quy hoạch sử dụng đất, các tḥt tốn và mơ

hình giúp mơ hình hóa chuyển đổi sử dụng đất và mơ hình hóa các xu hướng biến đổi

khí hậu Trái đất.

22



Chức năng hiển thị dữ liệu của các hệ thống GIS là khả năng cho phép hiển thị dữ

liệu dưới nhiều dạng khác nhau như bản đồ, biểu đồ hoặc các báo cáo.

Chức năng xuất dữ liệu là khả năng của hệ thống GIS cho phép xuất dữ liệu được

xuất dưới dạng bản đồ giấy, ảnh, tài liệu bản đồ hoặc qua mạng Internet.

1.4.2.2 Phương pháp ứng dụng công nghệ GIS trong nghiên cứu chất lượng nước

Ơ nhiễm nước được đánh giá thơng qua việc sử dụng số liệu thu được từ trạm

quan trắc. Mặc dù vậy, các số liệu đo đạc này chỉ có thể đánh giá được chất lượng nước

cục bộ xung quanh điểm đo. Cơng nghệ GIS với khả năng phân tích khơng gian mạnh,

trong đó có khả năng nội suy bề mặt có thể sử dụng hiệu quả nhằm xây dựng bản đồ

phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước từ kết quả đã biết ở các vị trí lấy mẫu.

Có nhiều phương pháp nội suy bề mặt như IDW, Kriging, Spline…có thể sử dụng

hiệu quả trong nội suy nhằm thành lập bản đồ phân bố các thông số chất lượng nước.

Trong các phần mềm GIS thông dụng hiện nay như AcrGIS, MapInfo, MicroStation…

đều cung cấp các công cụ nội suy không gian phục vụ công tác thành lập bản đồ.

Nội suy khơng gian là q trình tính tốn của các điểm chưa biết từ điểm đã biết

trên miền bao đóng của tập giá trị đã biết rằng một phương pháp hay hàm tốn học nào

đó. Hiện nay, có nhiều thuật toán nội suy khác nhau, nhưng mỗi thuật toán có điểm

mạnh riêng.

Trong Arcgis 10.1, cung cấp một số phép nội suy như: IDW, Kriging, Spline,

Trend, Natural Neighbor. Trong đó, ba phép nội suy phổ biến là IDW, Spline và Kriging.

Nội suy giá trị trung bình trọng số (IDW)

Phương pháp IDW xác định các giá trị cell bằng cách tính trung bình các giá trị

của các điểm mẫu trong vùng lân cận của mỗi cell.Điểm càng gần điểm trung tâm (mà ta

đang xác định) thì càng có ảnh hưởng nhiều hơn.IDW là phương pháp nội suy có tốc độ

tính tốn nhanh và dễ thực hiện và có thể được sử dụng hiệu quả khi có một tập hợp các

điểm dày đặc, phân bố rộng khắp trên bề mặt tính tốn.



23



Hình 1.8 Nội suy IDW

Nội suy Spline

Spline sử dụng một hàm toán học giảm thiểu độ cong tổng thể của bề mặt.Điều

này dẫn đến kết quả là một bề mặt nhẵn mà chính xác thơng qua các điểm đầu vào.

Phương pháp nội suy Spline là phương pháp nội suy tổng quát, phương pháp này hiệu

chỉnh bề mặt đường cong. Spline có thể sử dụng hiệu quả trong trường hợp số liệu ít và

rời rạc như số liệu khí tượng, thủy văn…



Hình 1.9 Nội suy Spline

Nội suy Kriging

Kriging là một nhóm các kỹ thuật sử dụng trong địa thống kê, để nội suy một giá

trị của trường ngẫu nhiên (như độ cao z của địa hình) tại điểm khơng được đo đạc thực

tế từ những điểm được đo đạc gần đó. Kriging nội suy giá trị cho các điểm xung quanh

một điểm giá trị.Những điểm gần điểm gốc sẽ ảnh hưởng nhiều hơn những điểm ở xa.

24



Hình 1.10 Nội suy Kriging

Một số ưu điểm của phương pháp này là giá trị của các điểm được gán không chỉ

phụ thuộc vào khoảng cách mà còn phụ thuộc vào sự phân bố khơng gian các điểm.Điều

này làm cho các giá trị nội suy mang tính tương quan khơng gian nhiều hơn.

Một số bất lợi là nó đòi hỏi nhiều thời gian tính tốn và mơ hình hóa, và đòi hỏi

nhiều dữ liệu đầu vào.



Hình 1.11 Mô tả các giá trị của Kriging

Nội suy Trend

Nội suy Trend là thuật toán thống kê sử dụng mặt phẳng hồi quy dạng hình vng

để khớp địa hình qua các điểm mẫu.Nó khớp một phương trình đa thức với toàn bộ bề

mặt. Kết quả thu được là một bề mặt tối thiểu hóa quan hệ giữa các điểm đầu vào. Bề

25



mặt được xây dựng trên tất cả các điểm sao cho tổng sự sai khác giữa các giá trị thực và

các giá trị ước lượng là nhỏ nhất có thể.Đây là một phép nội suy khơng chính xác và bề

mặt kết quả hiếm khi đi qua các điểm mẫu.Tuy nhiên thuật toán này khám phá ra hướng

của dữ liệu mẫu và giống với các hiện tượng tự nhiên, biến đổi một cách mượt mà.



Hình 1.12 Nội suy Trend

Nội suy Natural Neighbor

Nội suy Natural Neighbor là nội suy bề mặt từ các điểm không gian bằng cách

sử dụng kỹ thuật hàng xóm tự nhiên.Nội suy Natural Neighbor là một phương pháp nội

suy không gian, phát triển bởi Robin Sibson.Phương pháp này dựa vào lưới Voronoi

của một tập hợp rời rạc của các điểm khơng gian.



Hình 1.13 Nội suy Natural Neighbor

1.5 Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và trên thế giới

26



1.5.1. Tình hình trên thế giới

Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống,

phương pháp viễn thám đã được sử dụng phổ biến trên thế giới trong quan trắc, đánh giá

và giám sát diễn biến các thơng số chất lượng nước với độ chính xác cao, tiết kiệm được

thời gian và chi phí.

Các nghiên cứu ban đầu trong ứng dụng viễn thám để quan trắc hàm lượng các

thông số chất lượng nước chủ yếu tập trung chứng minh sự tồn tại mối quan hệ giữa phổ

phản xạ thu được từ ảnh vệ tinh và hàm lượng các thông số chất lượng nước xác định

dựa trên các phương pháp thực nghiệm. Nhiều nghiên cứu đã tìm ra mối quan hệ tuyến

tính giữa phản xạ phổ và hàm lượng một số thông số chất lượng nước như chất lơ lửng

(TSS) và chlorophyll trong nước mặt. Richie và cộng sự (1976) đã tìm ra mối quan hệ

tuyến tính giữa hàm lượng TSS trong nước mặt và phản xạ phổ trong bước sóng từ 0,7 0,8 μm ảnh vệ tinh Landsat MSS khu vực hồchứa Mississippi với hệ số tương quan cao

(R = 0,85). Mối quan hệ giữa hàm lượng TSS và phản xạ phổ cũng được xác định là

tuyến tính logarit trong dải sóng 0,450 - 0,700 μm và tuyến tính trong dải sóng từ 0,700

đến 1,050 μm. Novo và cộng sự (1991) đã chứng minh rằng, mối quan hệ giữa hàm

lượng TSS và phản xạ phổ là tuyến tính và khơng đổi trong dải sóng nhìn thấy và cận

hồng ngoại (0,450 đến 0,900μm).

Nhìn chung, trong các nghiên cứu này, hàm lượng TSS và phổ phản xạ xác định

từ dữ liệu viễn thám đều có mối tương quan cao với hệ số tương quan thường đạt lớn

hơn 0,8. Mặt khác, một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng cho thấy, sử dụng

phổ phản xạ chiết xuất từ dữ liệu viễn thám có thể ước lượng hàm lượng TSS với giá trị

sai số trung bình khơng vượt quá 8%.

Nghiên cứu của Doxaran và cộng sự (2002, 2006, 2009) sử dụng tư liệu ảnh

SPOT HVR và LANDSAT ETM+ nhằm xác định hàm lượng các chất ô nhiễm vùng cửa

sông Gironde (Pháp). Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã phân tích đặc trưng phản

xạ phổ của nước và cơ sở khoa học của phương pháp ứng dụng tư liệu viễn thám quang

học (SPOT, LANDSAT) trong đánh giá chất lượng nước. Từ phân tích đặc trưng phản xạ

phổ của nước, các tác giả đã chứng minh rằng dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và xanh

27



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

4 Tổng quan về công nghệ viễn thám và GIS

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×