Ứng dụng gis và rs xây dựng bản đồ sinh thái đất tỉnh Bạc Liêu

ờng đất kết hợp với các yếu tố tự nhiên ở nơi đó mà có ảnh hưởng đến sự hình thành các vùng sinh thái đất như: độ cao địa hình, quá trình xâm nhập mặn, hiện trạng lớp phủ và các nhóm đất. Dựa trên kỹ thuật xử lý, giải đoán ảnh vệ tinh của RS cho ta dữ liệu không gian chính xác, kết hợp với kỹ thuật chồng lớp bản đồ của GIS sẽ giúp ta xây dựng được bản đồ sinh thái đất đạt hiệu quả chính xác cao. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU PHÂN VÙNG SINH THÁI ĐẤT Một số khái niệm Để có cơ sở ứng dụng vào nghiên cứu đề tài trên, ta cần làm rõ một số khái niệm cơ bản có liên quan gồm: sinh thái, sinh thái đất. + Sinh thái: là môn khoa học nghiên cứu về quan hệ của sinh vật hoặc nhóm sinh vật với môi trường xung quanh. Nội dung của sinh thái học, chủ yếu nghiên cứu đặc điểm các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến đời sống của sinh vật và sự thích nghi của chúng với các điều kiện ngoại cảnh; nghiên cứu nhịp điệu sống của cơ thể liên quan với các chu kỳ ánh sáng (ngày – đêm), các chu kỳ địa lý của Trái đất, nghiên cứu điều kiện hình thành quần thể và những đặc điểm cơ bản trong mối quan hệ nội bộ quần thể như mật độ phân bố, sinh trưởng, sinh sản, tử vong... và giữa quần thể với môi trường thể hiện sự biến động – điều chỉnh số lượng cá thể trong quần thể, nghiên cứu đặc điểm cấu trúc của các quần xã, mối quan hệ giữa các loài, quá trình biến đổi của các quần xã theo không gian và thời gian qua các loại diễn thế, nghiên cứu sự chuyển hóa vật chất và năng lượng trong quần xã, giữa quần xã và ngoại cảnh thể hiện thể hiện qua các chuỗi và lưới thức ăn, nghiên cứu những nhân tố vô cơ cần thiết cho sinh vật tham gia vào chu trình sinh địa hóa trong thiên nhiên và từ đó xác định rõ mối tương tác giữa các nhân tố làm nâng cao năng suất sinh học của các quần xã sinh vật. + Sinh thái đất: Đất là lớp phủ của thạch quyển bị biến đổi một cách tự nhiên dưới tác dụng của các yếu tố : mẫu chất đá mẹ, khí hậu, địa hình, thời gian và sinh học (sinh quyển) ... Cùng với sự phát triển của khoa học thì định nghĩa đất cũng được mở rộng và mô tả chi tiết hơn. Theo Forman và Godron, (1986) thì đất “soil” là một tổ hợp bao gồm các hạt khoáng, chất hữu cơ, nước và khí, đó còn gọi là những thành phần vô sinh. Ngoài ra, trong đất còn có thành phần hữu sinh (Nguyễn Lân Dũng, 1984) là các sinh vật sống trực tiếp trong đất, chúng có vai trò to lớn không chỉ do khối lượng đáng kể của chúng (tới khoảng 10 tấn/ha chỉ riêng trong tầng canh tác) mà còn do những hoạt động của chúng, thông qua các quá trình sinh địa hóa, có liên quan chặt chẽ tới sự phát triển của đất. Vì vậy có thể xem đất là một tổng thể bao gồm sản phẩm địa chất, sinh học, thủy văn, khí hậu (Buol và nnk, 1973) và một cách đầy đủ hơn ta có thể xem đất là một hệ sinh thái hoàn chỉnh, cũng có những hệ thống riêng của nó (Lê Huy Bá, 1996). Mỗi môi trường đất cũng có thể có một hay nhiều hệ sinh vật tồn tại mà trong đó các nhân tố sinh vật như vi sinh vật phân giải yếm khí, háo khí, thiếu khí, vi sinh vật tổng hợp, thực vật không diệp lục, rễ cây, động vật sống trong đất và trên mặt đất... Tất cả tạo nên một hệ, liên quan khăng khít với nhau, cùng tồn tại và phát triển trong môi trường đất. Trong đất nói chung, các chất hữu ích và cần thiết cho cây sống và phát triển như cacbon, nitơ, photpho, canxi, lưu huỳnh...các nguyên tố vi lượng, chúng tập trung chủ yếu ở dạng chậm tan (trong dung dịch đất). Lượng chất hòa tan là thấp so với hàm lượng tổng số nói chung. Cây chỉ có khả năng lấy trực tiếp dưỡng chất từ đất qua dạng hòa tan (dễ tiêu, hay các ion như: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+, H2PO4-, HPO42-, MoO42-...). Trong thực tế, các dưỡng chất có gốc hữu cơ, vốn là những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá độ phì của đất, nhờ các hoạt động của sinh vật sống trong đất (thông qua các chu trình sinh địa hóa) mà được chuyển hóa thành dạng dễ tiêu cho cây trồng sử dụng. Đây là những hệ sinh vật rất đa dạng bao gồm như thực vật (bậc thấp có hoặc không có diệp lục tố), động vật (không xương sống: giun trùng, sâu bọ, chân khớp...và tuyến trùng), vi sinh vật và nấm men. Về vai trò của hoạt động của sinh vật có thể thấy rõ qua hiệu suất chuyển hóa vật chất. Thông thường các chuyển hóa vật chất theo các quá trình sinh địa hóa trong đất có quy mô và cường độ cao hơn hàng trăm, hàng ngàn lần so với các chuyển hóa đơn thuần về mặt hóa học [Schinner và nnk, 1996]. Tìm hiểu về quá trình hình thành đất Đất được hình thành từ đá mẹ, dưới các điều kiện nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, khí hậu, thời tiết, sức gió, nước, mưa nhất định và sự tham gia tất yếu của thực, động vật cũng như vi sinh vật. Đá trải qua sự phong hóa hóa học, lý học và sinh học. Dưới sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, cùng với những tác nhân trong nước mưa (trong đó có H2SO4, HNO3), các lớp đá có cấu tạo từ những khoáng vật khác nhau, đã vỡ tan nhanh chóng, tạo thành những mảnh vụn. Quá trình được tiếp tục để cho ra sản phẩm là những “mẩu chất”. Tuy nhiên, những mẩu chất này có tiếp tục vỡ vụn theo kiểu lý – hóa học bao nhiêu đi nữa thì cuối cùng cũng cho ra những hạt nhỏ li ti của chất khoáng vô cơ tạo thành đất. Cơ sở phân vùng sinh thái đất Vùng sinh thái (Ecological zones) được định nghĩa là một vùng đất hoặc nước tương đối rộng lớn chứa đựng một loạt các loài, quần xã, sự tương tác động lực học và điều kiện môi trường điển hình. Vùng sinh thái biểu hiện những yếu tố trội, những yếu tố đặc trưng riêng cho vùng mà các vùng khác không có hoặc biểu hiện không rõ. Các hệ sinh thái đất được đánh giá theo quan điểm phục vụ cho sản suất nông nghiệp. Thực tế có nhiều nhóm sinh vật đất hiện diện trong hệ sinh thái đất, nhưng theo quan điểm trên thì việc nghiên cứu khảo sát sẽ tập trung chủ yếu đối với hoạt động sinh hóa của các nhóm sinh vật có liên quan tới các quá trình tích luỹ và chuyển hóa dinh dưỡng. Một hệ sinh thái đất được đánh giá tốt khi tiềm năng vật chất (khoáng chất), năng lượng của hệ thống (thông qua lượng và chất lượng mùn) cũng như mật độ và hoạt tính sinh hóa của các sinh vật đất. Mặt khác tính ổn định và mức độ phong phú cũng là những tiêu chí đánh giá một hệ sinh thái đất. Các hệ sinh thái đất nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài được xác định trên cơ sở phân tích và đánh giá bổ sung các nhóm đất chính đã được phân loại trong khu vực và dựa vào một số yếu tố tự nhiên có liên quan như thủy văn - khí hậu, độ cao địa hình, sự xâm nhập mặn, hiện trạng lớp phủ và sử dụng đất. Việc phân vùng sinh thái đất phù hợp với điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội của vùng sẽ góp phần quan trọng vào việc sử dụng hợp lý tài nguyên đất, tránh lãng phí và đem lại hiệu quả kinh tế cao; đồng thời giúp các nhà quản lý có những biện pháp cải tạo và quy hoạch thích hợp. Độ cao địa hình Sự xâm nhập mặn Thổ nhưỡng Lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất CÁC VÙNG SINH THÁI ĐẤT Thủy văn - Khí hậu Tích hợp Sơ đồ 2: Sơ đồ tích hợp các yếu tố hình thành các vùng sinh thái đất CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIS TRONG ỨNG DỤNG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ SINH THÁI ĐẤT Khái niệm GIS Từ trước đến nay có rất nhiều định nghĩa về GIS khác nhau từ nhiều tác giả, như: GIS là một hệ thống có có chức năng xử lý các thông tin địa lý nhằm phục vụ quy hoạch, trợ giúp quyết định trong một lĩnh vực chuyên môn nhất định (Pavlidis, 1982). GIS là một hệ thống sử dụng cơ sở dữ liệu để trả lời các câu hỏi về bản chất địa lý của các thực thể địa lý (Goodchild, 1985; Peuquet, 1985). GIS là một hộp công cụ mạnh, dùng để lưu trữ, truy vấn tùy ý, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ Thế giới thực cho những mục tiêu đặc biệt (Burrough, 1986). GIS là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian (NCGIA: National Center for Geographic Information and Analysis, 1988). GIS là một hệ thống bao gồm 4 khả năng xử lý dữ liệu địa lý là: nhập dữ liệu, quản lý dữ liệu, gia công và phân tích dữ liệu, xuất dữ liệu (Stan aronoff, 1993). GIS là một hệ thống tự động thu nhập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian (Clarke, 1995). Qua một số định nghĩa trên, ta có thể rút ra khái niệm chung về GIS như sau: GIS là một ngành khoa học dựa trên cơ sở khoa học máy tính bao gồm cả phần cứng và phần mềm, thực hiện đầy đủ các chức năng của một hệ thông tin gồm nhập, lưu trữ, phân tích và xuất dữ liệu. Tính chất đặc thù của GIS là nó sử dụng những thành tựu của khoa học bản đồ để biểu diễn dữ liệu không gian, những thành tựu của khoa học địa lý để mô tả các thuộc tính trong thế giới thực. Các thành phần của GIS Có nhiều quan điểm về các thành phần của hệ GIS: Mô hình hệ thống 3 thành phần: phần cứng, phần mềm, con người. Mô hình hệ thống 4 thành phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu và con người. Mô hình hệ thống 5 thành phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, quy trình và con người. Mô hình hệ thống 6 thành phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, quy trình, tổ chức và con người. Phần cứng Phần cứng bao gồm hệ thống mạng máy tính, các thiết bị ngoại vi để nhập xuất dữ liệu như máy digitizer, scanner, máy in, plotter,... Tùy theo mục tiêu và quy mô tổ chức hệ thống thông tin địa lý, nhà thiết kế sẽ xác định quy mô phần cứng thích hợp. Phần mềm Là những phần mềm có khả năng nhập dữ liệu không gian, phi không gian, phân tích và xử lý dữ liệu không gian, phi không gian. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý Giao diện đồ họa người – máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng Dữ liệu Dữ liệu có thể được xem là thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS. Dữ liệu bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian, được thu thập, lưu trữ theo một cấu trúc chuẩn, có thể liên thông trên mạng và được bảo quản theo một quy định phân quyền sử dụng. Quy trình Quy trình được nhà phân tích thiết kế hệ thống xác lập khi xây dựng hệ thống. Tổ chức Tùy theo mục đích và quy mô triển khai, hệ thống thông tin địa lý được tổ chức theo một cơ chế nhất định để phát huy tính hiệu quả của hệ nhằm đạt đến mục tiêu. Trong hệ thống thông tin địa lý, tổ chức giữ một vai trò rất quan trọng vì có tổ chức, có quy chế, thích hợp việc chia sẻ và bảo vệ tài nguyên thông tin mới được thực thi, hệ thống mới phát huy tính hiệu quả của nó. Tổ chức GIS tạo điều kiện để xây dựng một sự hợp tác trong nội bộ cơ quan và giữa các cơ quan với nhau. Tổ chức GIS thiết lập sự liên thông, trao đổi dữ liệu thông qua một đơn vị dữ liệu trung tâm. Con người Con người là yếu tố quyết định sự thành công trong quá trình triển khai hệ thống và tính hữu hiệu của hệ thống trong quá trình vận hành. Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc. Cơ sở dữ liệu của GIS CSDL trong hệ thống thông tin địa lý có hai loại là dữ liệu nền và dữ liệu chuyên biệt: CSDL nền Bao gồm những lớp dữ liệu mà hệ thống thông tin địa lý chuyên ngành nào cũng có thể sử dụng được như dữ liệu về lưới tọa độ, đường giao thông, mạng lưới sông ngòi, khu dân cư,... CSDL chuyên biệt Bao gồm dữ liệu của các yếu tố chuyên ngành được biểu diễn theo mô hình dữ liệu không gian và phi không gian (dữ liệu thuộc tính) liên kết và được thiết kế hay xây dựng theo mục tiêu sử dụng của từng chuyên ngành khác nhau. Dữ liệu không gian: Là dữ liệu chứa trong nó những thông tin về vị trí của đối tượng, là những dữ liệu phản ánh, thể hiện những đối tượng có kích thước vật lý nhất định hay chiếm một không gian nhất định. Dữ liệu không gian thường được thể hiện dưới hai mô hình là Raster và Vector. Mô hình Raster Không gian thực được biểu diễn dưới dạng các ô lưới (cell, pixel) liên tục cạnh nhau. Mỗi ô mang một vị trí và giá trị nhất định để thể hiện, phản ánh không gian thực. Trong đó, kích thước của một ô lưới được gọi là độ phân giải sẽ quyết định độ chính xác của đối tượng. Cấu trúc dữ liệu thông thường theo mô hình Raster là cấu trúc mảng, cấu trúc chia 4, cấu trúc phân cấp và cấu trúc dữ liệu quadtree. Mô hình Vector Là mô hình mà dữ liệu không gian như điểm, đường, vùng được mã hóa và lưu trữ dưới dạng tập hợp các tọa độ x,y. Vị trí của đối tượng điểm được thể hiện bởi một tọa độ đơn x, y (ví dụ như các điểm lấy mẫu); đối tượng đường như sông, suối, kênh rạch, đường giao thông được định nghĩa như tập hợp của các điểm. Đối tượng dạng vùng (ví dụ: vùng đất phèn, vùng đất mặn, vùng nuôi trồng thủy sản,...) được lưu thành một vùng khép kín của các tọa độ điểm. Mô hình này thích hợp trong biểu diễn dữ liệu có ranh giới rõ rệt như ranh nhà, ranh đường giao thông,... Cấu trúc dữ liệu thông thường theo mô hình Vector là cấu trúc Spaghetti và cấu trúc Topology. Dữ liệu thuộc tính: Là dữ liệu phản ánh tính chất của các đối tượng khác nhau. Trong GIS dữ liệu thuộc tính thường lưu trữ trong máy máy dưới dạng bảng, tách biệt với dữ liệu không gian. Khi cần biểu diễn hoặc phân tích, dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính được liên kết lại với nhau thông qua các “trường thuộc tính” chung. Dữ liệu thuộc tính thường được phân loại vào một trong hai nhóm: Dữ liệu dạng chữ (có thể mã hóa như các con số, tuy nhiên không thể tiến hành các phép toán số học), được phân thành hai nhóm: Dữ liệu danh xưng (norminal): không có thứ bậc. Ví dụ: loại đất, tên ngành,... Dữ liệu thứ bậc (ordinal): tồn tại thứ bậc, nhưng không đề cập đến sự khác biệt giữa thứ bậc. Ví dụ: hạng đường, hạng suối,... Dữ liệu dạng số (được diễn tả như số nguyên hoặc số thực), được phân thành hai nhóm: Dữ liệu interval: có đặc tính là độ chênh lệch giữa các giá trị có thể tính được, và không có trị số không tuyệt đối. Ví dụ: nhiệt độ (Celsius hoặc Fahrenheit) Dữ liệu Ratio: có đặc tính là có gốc zero tuyệt đối. Ví dụ: lượng mưa, pH, BOD,... Các chức năng của GIS Mục đích chung của các hệ thống thông tin địa lý là thực hiện sáu chức năng sau: Nhập dữ liệu Trước khi dữ liệu địa lý có thể được dùng cho GIS, dữ liệu này phải được chuyển sang dạng số thích hợp. Quá trình chuyển dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số được gọi là quá trình số hóa. Công nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện tự động hoàn toàn quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn; những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hóa thủ công (dùng bàn số hóa). Ngày nay, nhiều dạng dữ liệu địa lý thực sự có các định dạng tương thích GIS. Những dữ liệu này có thể thu được từ các nhà cung cấp dữ liệu và được nhập trực tiếp vào GIS. Thao tác dữ liệu Có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng và thao tác theo một số cách để có thể tương thích với một hệ thống nhất định. Ví dụ, các thông tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (hệ thống đường phố được chi tiết hóa trong file về giao thông, kém chi tiết hơn trong file điều tra dân số và có mã bưu điện trong mức vùng). Trước khi các thông tin này được kết hợp với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích. Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho loại bỏ dữ liệu không cần thiết. Quản lý dữ liệu Đối với những dự án GIS nhỏ, có thể lưu các thông tin địa lý dưới dạng các file đơn giản. Tuy nhiên, khi kích cỡ dữ liệu trở nên lớn hơn và số lượng người dùng cũng nhiều lên, thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) để giúp cho việc lưu giữ, tổ chức và quản lý thông tin. Một DBMS chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu. Có nhiều cấu trúc DBMS khác nhau, nhưng trong GIS cấu trúc quan hệ tỏ ra hữu hiệu nhất. Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ ở dạng các bảng. Các trường thuộc tính chung trong các bảng khác nhau được dùng để liên kết các bảng này với nhau. Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS. Hỏi đáp và phân tích Một khi đã có một hệ GIS lưu giữ các thông tin địa lý, có thể bắt đầu hỏi các câu hỏi đơn giản như: Ai là chủ mảnh đất ở góc phố? Hai vị trí cách nhau bao xa? Vùng đất dành cho hoạt động công nghiệp ở đâu? Và các câu hỏi phân tích như: Tất cả các vị trí thích hợp cho xây dựng các tòa nhà mới nằm ở đâu? Kiểu đất ưu thế cho rừng sồi là gì? Nếu xây dựng một đường quốc lộ mới ở đây, giao thông sẽ chịu ảnh hưởng như thế nào? GIS cung cấp cả khá năng hỏi đáp đơn giản “chỉ và nhấn” và các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân tích. Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả như: phân tích lân cận; phân tích một lớp; phân tích không gian; phân tích mạng; phân tích bề mặt; phân tích chồng lớp; rút số liệu, phân loại, đo lượng; và kết nối. Hiển thị Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lưu giữ và trao đổi thông tin địa lý. GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ. Bản đồ hiển thị có thể được kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác (đa phương tiện). Xuất dữ liệu Việc chia sẻ kết quả đạt được là một ưu điểm và là một trong những tiêu chí chủ yếu khi sử dụng các nguồn tài nguyên trong GIS. Dữ liệu GIS có thể được xuất ra dưới dạng khác nhau trên giấy, xuất ra thành tập tin ảnh, đưa vào các báo cáo, chuyển tải lên internet,... Các phương pháp của GIS trong ứng dụng thành lập bản đồ sinh thái đất Trong phạm vi đề tài này ta ứng dụng các phương pháp GIS sau: Phương pháp chồng lớp Hình 1: Mô hình chồng ghép các lớp thông tin của GIS Chức năng chồng ghép là các thao tác không gian, trong đó các lớp thông tin chuyên đề được chồng ghép lên nhau để tạo ta một lớp thông tin mới. Những thông tin mới này được rút ra từ thao tác chồng lớp số học hay logic trên những lớp dữ liệu khác nhau được nhập vào. Chồng ghép những lớp dữ liệu khác nhau là một quá trình bậc thang. Hai lớp dữ liệu nhập vào được tổ hợp vào một lớp trung gian, nó lại được tổ hợp lên lớp thứ ba để tạo ra lớp trung gian. Điều này được thực hiện cho tới khi tất cả các lớp dữ liệu nhập vào đều được chồng lên nhau (Aronff, 1989). Chính chức năng này làm cho GIS có khả năng phân tích không gian rất lớn, mang tính tổng quát hóa rất cao mà ngoài thực tế phải mất rất nhiều thời gian mới có thể phân tích được, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý và có những quyết định để giải quyết các vấn đề trong thực tế đã đặt ra vì qua chồng ghép các lớp thông tin ta có thể rút ra được rất nhiều thông tin mới từ dữ liệu ban đầu. GIS lưu trữ, quản lý và làm việc với dữ liệu địa lý theo hai dạng: mô hình Raster và mô hình Vector. Việc thực hiện các thao tác chồng ghép phụ thuộc vào dạng mô hình được sử dụng. Trong đề tài này ta sử dụng mô hình Vector trong quá trình chồng ghép bản đồ. Thao tác chồng ghép trên hệ thống vector phức tạp hơn. Trên hệ thống vector, những khu vực được biểu diễn bởi các vùng và thuộc tính gắn với nó được lưu trữ trong một bảng thuộc tính. Toàn bộ các vùng có mã nhận dạng riêng biệt được dùng để liên kết một bảng tính chất với các vùng đó. Dữ liệu dùng trong thao tác chồng ghép được lưu trữ trong bảng thuộc tính này. Các lớp với những vùng khác nhau không có cùng bảng thuộc tính, nghĩa là khó có thể vận dụng những bảng thuộc tính của các lớp khác nhau một cách trực tiếp. Hình 2: Chồng ghép hai lớp dữ liệu dạng Vector Ta có 2 phương pháp chồng Vector: Phương pháp trung bình trọng số: Hai lớp dữ liệu với các giá trị P1 và P2 cùng với các trọng số lớp tương ứng w1 và w2, khi chồng lớp lại với nhau thì lớp dữ liệu xuất sẽ có giá trị: P = w1P1 + w2P2 với w1 + w2 = 1 Phương pháp phân hạng: Dữ liệu thuộc tính của hai lớp dữ liệu được phân thành 5 hạng, ví dụ rất tốt (5), tốt (4), trung bình (3), xấu (2), rất xấu (1). Trước khi thực hiện chồng lớp, hai lớp dữ liệu A và B có thể được chồng lớp theo 1 trong 3 nguyên tắc sau: Bảng 1: Minh họa 3 loại sản phẩm của phương pháp phân hạng Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu Khi nói đến GIS người ta không thể không nhắc đến một chức năng quan trọng đó chính là chức năng phân tích đa chỉ tiêu. Chức năng này được xem như là một trong những chức năng cơ bản của GIS, do đó mà GIS có thể kết hợp truy vấn không gian và thuộc tính cũng như phân tích đồng thời nhiều đối tượng (nhiều chỉ tiêu) khác nhau từ đó thực hiện chức năng quan trọng là trợ giúp người sử dụng đưa ra những quyết định, giải quyết các bài toán trong thực tế. Chức năng phân tích đa chỉ tiêu giúp thực hiện phân tích không gian một cách dễ dàng hơn, hỗ trợ cho việc ra quyết định, xác định các vùng thích hợp để phát triển các dự án, chương trình,... chức năng này thường được ứng dụng để giải quyết nhiều bài toán đa biến về lĩnh vực môi trường. Trong bài khóa luận này sau khi chồng ghép, phân tích đa chỉ tiêu các lớp thông tin của các lớp dữ liệu được chọn lọc, ta sẽ được các kết quả tương thích về các vùng sinh thái đất đặc trưng từ các lớp thông tin thuộc điều kiện tự nhiên có liên quan, và từ kết quả đó ta có thể đề xuất các biện pháp cải tạo ứng với từng hoạt động nông – lâm – ngư nghiệp nhằm mang lại hiệu quả kinh tế, đồng thời góp phần vào công tác bảo vệ môi trường và phát triển bền vững cho tỉnh. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA RS TRONG ỨNG DỤNG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ SINH THÁI ĐẤT Khái niệm Viễn thám là phương pháp sử dụng các đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ điện từ như một phương tiện để nhằm xác định và nhận biết các đối tượng hoặc các điều kiện môi trường mà không cần tiếp xúc trực tiếp tới đối tượng đó. Các vật thể đều bức xạ và hấp thụ bức xạ sóng điện từ bằng các cách thức khác nhau tạo ra đặc tính phản xạ phổ đặc trưng như đất, nước, thực vật. Các thành phần cơ bản của một hệ thống viễn thám Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lý ảnh viễn thám có thể chia thành 5 thành phần cơ bản: Nguồn cung cấp năng lượng Sự tương tác của năng lượng với khí quyển Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt đất Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh số bởi bộ cảm biến Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lý năng lượng sóng điện từ được bức xạ từ nguồn cung cấp năng lượng này tương tác với các phân tử trong khí quyển khi đến mặt đất, năng lượng tương tác với bề mặt vật thể năng lượng phản xạ được tách và ghi nhận bởi bộ cảm biến truyền dữ liệu về các trạm thu để xử lý giải đoán và phân tích ảnh Viễn thám ứng dụng ảnh Viễn thám vào lĩnh vực liên quan Hình 3: Thu nhận, xử lý và ứng dụng dữ liệu viễn thám Nguyên lý cơ bản Nguyên lý cơ bản được ứng dụng trong kỹ thuật viễn thám (Murai.S, 1992) nghiên cứu các đối tượng bề mặt là sự hấp thụ và phản xạ trong các giải phổ với các cường độ nhất định của các đối tượng bề mặt (độ ẩm, lớp nền, thực vật, mặt nước, cấu trúc,...). Năng lượng phản xạ trực tiếp từ bề mặt đối tượng: phần này không phụ thuộc vào bản chất của đối tượng mà chỉ phụ thuộc vào đặc tính bề mặt của đối tượng và tham gia vào quá trình tạo độ sáng của đối tượng đó. Năng lượng phản xạ bởi cấu trúc của đối tượng: phần này là kết quả của sự tương tác giữa bức xạ tới với bề dày vật chất của đối tượng, phụ thuộc vào cấu trúc, bản chất lý hóa và trạng thái của đối tượng. Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến đặt trên vật mang (vật mang phương tiện mang các sensors như máy bay, vệ tinh,..) Dải sóng điện từ là từ 0,1 mm đến 10 km, tuy nhiên dữ liệu viễn thám chỉ được thu nhận trong một số dãy sóng điện từ nhất định, chỉ ra sự phân loại sóng điện từ và các kênh phổ sử dụng trong viễn thám: Bảng 2: Phân loại sóng điện từ và các loại kênh phổ được sử dụng PHÂN LOẠI BƯỚC SÓNG TẦN SỐ Vùng cực tím 100 A - 0,4 mm 750 - 3000 THz Vùng nhìn thấy 0,4 - 0,7 mm 430 - 750 THz Vùng hồng ngoại Cận hồng ngoại Hồng ngoại sóng ngắn Hồng ngoại trung Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại xa 0,7 - 1,3 mm 1,3 - 3 mm 3 - 8 mm 8 - 14 mm 14 mm - 1 mm 230 - 430 THz 100 - 230 THz 38 - 100 THz 22 - 38 THz 0,3 - 22 THz Sóng RADIO Dưới milimet 0,1 - 1 mm 0,3 - 3 THz Sóng cực ngắn Milimet (EHF) Centimet (SHF) Decimet (UHF) 1 - 10 mm 1 - 10 cm 0,1 - 1 m 30 - 300 GHz 3 - 30 GHz 0,3 - 3 GHz Sóng rất ngắn (VHF) Sóng ngắn (HF) Sóng trung (MF) Sóng dài (LF) Sóng rất dài (VLF) 1 - 10 m 10 - 100 m 0,1 - 1 km 1 - 10 km 10 - 100 km 30 - 300 MHz 3 - 30 MHz 0,3 - 3 MHz 30 - 300 KHz 3 - 30 KHz Ứng dụng: Tia Gamma & X: Y tế và Hạt nhân Tia tím: Thiên văn, nghiên cứu Ozone Vùng nhìn thấy: Cho các phân tích bằng mắt Hồng ngoại: Phân biệt thảm thực vật Nhiệt: Lửa cháy, nhiệt độ mặt nước Sóng ngắn: Mặt đất, mặt nước TV/Radio: Radio, Truyền thanh... è Thông tin viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng bề mặt đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc việc khai thác có hiệu quả các thông tin thu được từ các vệ tinh. Kết quả của giải đoán các lớp thông tin phụ thuộc rất nhiều vào sự hiểu biết về mối tương quan giữa đặc trưng phản xạ phổ với bản chất, trạng thái các đối tượng bề mặt (Murai.S, 1992). Những thông tin đó cho phép chúng ta lựa chọn các kênh ảnh tối ưu chứa nhiều thông tin về đối tượng bề mặt, đồng thời đây cũng là cơ sở phân tích, nghiên cứu các tính chất của đối tượng nhằm phân loại chúng. Các phương pháp ứng dụng của viễn thám trong ứng dụng thành lập bản đồ sinh thái đất Giải đoán ảnh Là một quá trình tách thông tin định tính cũng như định lượng từ ảnh viễn thám tạo ra bản đồ chuyên đề dựa trên các tri thức chuyên môn hoặc kinh nghiệm của người giải đoán (hình dạng, vị trí, cấu trúc, chất lượng, điều kiện, mối quan hệ giữa các đối tượng...). Có hai phương pháp giải đoán ảnh: Giải đoán ảnh bằng mắt Giải đoán ảnh bằng máy tính Đối với việc xử lý ảnh tự động trên máy, các chức năng chính của phần mềm hỗ trợ cho việc giải đoán, phân tích và xử lý ảnh vệ tinh gồm: Tiền xử lý: hiệu chỉnh hình học và bức xạ. Tăng cường chất lượng ảnh: thuận lợi cho việc giải đoán ảnh. Biến đổi ảnh: tạo ảnh tỷ số, tạo kênh thực vật, phân tích thành phần chính. Với kĩ thuật tiến bộ hiện nay, hầu hết ảnh viễn thám đều được lưu trữ dưới dạng ảnh số, nên thực chất của việc giải đoán và phân tích ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia đều có liên qua đến một số công việc của xử lý số trên máy tính. Những công việc này bao gồm hiệu chỉnh hình học, tăng cường chất lượng ảnh (độ tương phản, độ mịn,...) nhằm tạo điều kiện cho việc giải đoán bằng mắt. Do đó, dù bằng phương pháp nào cũng phải có tối thiểu một hệ thống cơ bản để phân tích ảnh, đó là các phần cứng và phần mềm thích hợp cho việc tách các thông tin trên ảnh viễn thám. Phân loại các đối tượng trên ảnh Phân loại là quá trình tách hay gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian cho bởi ảnh của đối tượng cần nghiên cứu. Mục tiêu của phân loại các đối tượng trên ảnh là làm phù hợp loại phổ của dữ liệu ảnh với loại thông tin được yêu cầu bởi người giải đoán. Phương pháp phân loại được thực hiện bằng cách gán tên loại (loại thông tin) cho các khoảng cấp độ sáng nhất định (loại phổ) thuộc một nhóm đối tượng nào đó có các tính chất tương đối đồng nhất về phổ nhằm phân biệt các nhóm đó với nhau trong khuôn khổ ảnh. Các bước phân loại - Bước 1: Xác định số loại thông tin cần phân chia trong khu vực, các loại cần được định nghĩa rõ ràng về mặt chỉ tiêu, các chỉ tiêu này cần được lựa chọn có tính đến đặc thù của dữ liệu ảnh vệ tinh (thời gian thu nhận ảnh, độ phân giải không gian, phổ...) - Bước 2: Tuyển chọn các đặc trưng bao gồm các đặc trưng về phổ của đối tượng (ảnh đa phổ) biến động về thời gian (ảnh đa thời gian) hoặc cấu trúc cụ thể của đối tượng nhằm thiết lập tiêu chuẩn cho phép phân biệt giữa các loại quan tâm (xử lý riêng lẻ hoặc phối hợp với nhau). - Bước 3: Chọn vùng mẫu trên ảnh bao gồm dữ liệu tương ứng với vùng mẫu được khảo sát thuộc địa hoặc từ những dữ liệu cần thiết được lựa chọn dựa trên kết quả của bước 1 và bước 2. Các số liệu lấy được trên cơ sở vùng mẫu có ý nghĩa quyết định trong việc thành lập các chỉ tiêu và luật quyết định trong phân loại, từ đó chọn thuật toán thích hợp của một trong hai phương pháp phân loại (có giám định và phi giám định). - Bước 4: Ước tính thống kê vùng mẫu nhằm xác định các giá trị tương ứng với loại phổ trong không gian đặc trưng của đối tượng quan tâm, từ đó áp dụng nhiều phương pháp phân loại khác nhau ứng với vùng mẫu và so sánh kết quả đạt được nhằm tìm thuật toán tối ưu nhất cho kết quả phân loại. - Bước 5: Phân loại dựa trên luật quyết định và các chỉ tiêu đã thiết lập, các pixel sẽ được phân tuần tự vào các loại tương ứng đã xác định. Có nhiều kỹ thuật phân loại khác nhau thường được sử dụng như: + Phân loại hình hộp + Phân loại theo khoảng cách ngắn nhất + Phân loại theo xác suất cực đại (gần đúng nhất) + Các kỹ thuật phân loại dựa trên lý thuyết Neural Networks, Fuzzy, hệ chuyên gia... - Bước 6: Ảnh sau khi phân loại được làm trơn bởi các thuật toán lọc, đây là giai đoạn hậu xử lý sau khi phân loại. - Bước 7: Kiểm tra kết quả phân loại để đánh giá độ chính xác và mức độ tin cậy của ảnh sau khi được phân loại. Bằng cách tính toán các chỉ số trong ma trận sai số phân loại và nếu các chỉ tiêu hay thuật toán phân loại một cách phù hợp nhằm đạt được kết quả tốt hơn. Xác định các loại mẫu cần phân chia Tuyển chọn các đặc trưng vùng Chọn vùng mẫu Ước tính thống kê vùng mẫu Phân loại (dựa trên luật quyết định và các chỉ tiêu đã thiết lập) Hậu xử lý sau khi phân loại Kiểm tra kết quả phân loại Sơ đồ 3: Các bước phân loại ảnh viễn thám Các phương pháp phân loại Phân loại có giám định (phân loại có giám sát): Phân loại có giám định là một hình thức phân loại mà các chỉ tiêu phân loại được xác lập dựa trên các vùng mẫu và dùng luật quyết định dựa trên thuật toán thích hợp để gán nhãn pixe._.