Giáo trình Đánh giá biến động sử dụng đất bằng phương pháp tích hợp trước và sau phân loại ảnh viễn thám - Trịnh Thị Hoài Thu

Nội dung text: Giáo trình Đánh giá biến động sử dụng đất bằng phương pháp tích hợp trước và sau phân loại ảnh viễn thám - Trịnh Thị Hoài Thu

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 48,10/2014, (Chuyªn ®Ò §o ¶nh – ViÔn th¸m), tr.58-62 ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍCH HỢP TRƯỚC VÀ SAU PHÂN LOẠI ẢNH VIỄN THÁM TRỊNH THỊ HOÀI THU, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội CAO THỊ DIỄM HẰNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Tư liệu viễn thám đã được nhiều nhà khoa học sử dụng trong đánh giá biến động sử dụng đất. Hầu hết các tác giả chỉ tập trung vào phương pháp phân tích sau phân loại nhằm đưa ra ma trận chéo xác định sự chuyển đổi giữa các lớp sử dụng đất. Trong thực tế việc biến động sử dụng đất không phải chỉ có sự chuyển đổi từ lớp này sang lớp khác mà còn có sự thay đổi trong nội tại của từng lớp sử dụng đất. Sự thay đổi trong nội tại của từng lớp sử dụng đất được nhận biết thông qua việc so sánh giá trị phổ của dữ liệu đa thời gian được gọi là phương pháp trước phân loại. Trong nghiên cứu biến động sử dụng đất nếu chỉ phân tích sau phân loại thì kết quả tạo ra chưa phản ánh đủ đặc điểm biến động của các loại hình sử dụng đất. Trong bài báo này, sử dụng kết hợp phương pháp trước phân loại xác định thay đổi phổ dựa vào sự khác biệt chỉ số thực vật NDVI và phương pháp sau phân loại đưa ra thông tin toàn diện hơn trong công tác đánh giá biến động sử dụng đất. 1. Mở đầu tích thành phần chính (PCA) [3], [1], [7], tỷ số Phát hiện biến động sử dụng đất là quá trình kênh phổ (band ratio), chỉ số thực vật (NDVI) và xác định tình trạng khác biệt của một đối tượng phân tích vector chuyển đổi (CVA) [2], Ưu hoặc hiện tượng nhờ quan sát chúng tại các thời điểm của phương pháp phân tích trước phân loại điểm khác nhau. Việc phát hiện kịp thời và chính cho ra kết quả biến động lớp phủ bề mặt một xác biến động sử dụng đất hỗ trợ cho sự hiểu biết cách nhanh chóng. tốt hơn về mối quan hệ và sự tương tác giữa con Phương pháp phân tích sau phân loại với ưu người với các hiện tượng tự nhiên, từ đó đưa ra điểm là cho ra ma trận chéo để tính toán tương các quyết định hợp lý cho sử dụng và quản lý tài quan biến động giữa các đối tượng, lập được các nguyên thiên nhiên. Nhìn chung, phát hiện biến báo cáo số liệu thống kê và bản đồ biến động. động liên quan đến việc ứng dụng các bộ dữ liệu Phân tích sau phân loại cho thông tin chi tiết về đa thời gian để phân tích định lượng các thay đổi sự chuyển đổi từ lớp sử dụng đất này sang lớp sử theo thời gian. Các dữ liệu viễn thám như dụng đất khác. Độ chính xác của phương pháp Landsat, SPOT với những lợi thế về chu kỳ này phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của chụp lặp, về tính khái quát đã trở thành nguồn dữ từng phép phân loại độc lập, các sai số xuất hiện liệu chính trong việc nghiên cứu biến động sử ở mỗi lần phân loại ảnh sẽ bị lẫn trong quá trình dụng đất [4]. Đánh giá biến động sử dụng đất từ điều tra biến động [6], [10].Trong bài báo này sử tư liệu viễn thám được chia thành hai nhóm dụng kết hợp cả hai phương pháp trước và sau phương pháp chính: đánh giá trước phân loại và phân loại để đánh giá biến động sử dụng đất cho sau phân loại [8]. khu vực nghiên cứu. Lợi thế của phương pháp Phân tích trước phân loại dựa trên việc so này là để tận dụng đầy đủ các ưu điểm của hai sánh giá trị phổ của từng pixel tương ứng trên thuật toán để có được kết quả phát hiện thay đổi các ảnh tại hai thời điểm khác nhau. Phân tích tốt hơn hơn so với từng phương pháp đơn lẻ. này cung cấp thông tin thay đổi và không thay 3. Khu vực và dữ liệu nghiên cứu đổi của các đối tượng trong khu vực nghiên cứu. Khu vực nghiên cứu được lựa chọn là huyện Các phương pháp phân tích trước phân loại được Đông Anh. Huyện có diện tích là 182.3km2 với áp dụng phổ biến là phương xử lý dữ liệu số bán vị trí nằm ở phía Bắc thủ đô Hà Nội. Phía Bắc tự động tiếp cận phân tích gộp ảnh gốc [9], phân của huyện giáp với huyện Sóc Sơn, phía Đông 58
2. giáp với huyện Gia Lâm, phía Tây giáp với chuyển đổi về hệ tọa độ VN 2000 để thống nhất huyện Mê Linh, phía Nam giám huyện với Từ về tọa độ với các dữ liệu kiểm chứng. Liêm và quận Tây Hồ. 4. Phương pháp nghiên cứu Dữ liệu viễn thám sử dụng trong nghiên cứu Nghiên cứu kết hợp hai phương pháp trước bao gồm ảnh Landsat 5 TM chụp tháng 11năm và sau phân loại để đánh giá thay đổi sử dụng 2001 và ảnh Landsat 8 ETM chụp tháng 11 năm đất của khu vực Đông Anh, Hà Nội. 2013 trong hệ tọa độ WGS 84. Hai ảnh này được Trước Ảnh phân loại ngưỡng biến động Đánh giá biến động Sau phân Bả n đồ loại biến động Hình 1. Sơ đồ đánh giá biến động sử dụng đất 4.1. Trước phân loại 4.2. Sau phân loại Phân tích trước phân loại là việc xây dựng Trong nghiên cứu này, 7 loại hình sử dụng ảnh ngưỡng biến động dựa trên việc xác định đất được xác định đó là đất xây dựng, đất trống, biến đổi giá trị phổ của từng pixel tương ứng về đất chuyên trồng lúa, đất chuyên trồng màu, đất vị trí trên các ảnh đa thời gian. Trong nghiên trồng xen canh lúa màu và rau, ao hồ và sông. cứu này, việc xác định biến đổi giá trị phổ của Hai ảnh được phân loại theo phương pháp tiếp các pixel được thực hiện trên cơ sở tính hiệu cận đối tượng dựa vào các yếu tố đặc trưng của ảnh NDVI (chỉ số thực vật) ở hai thời điểm. Chỉ ảnh kết hợp với các thông tin liên quan như bản số NDVI được chọn với mục đích làm nổi bật đồ địa hình, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ sử dụng thông tin về thực vật dựa vào quan hệ phản xạ đất và thông tin thực địa. Kết quả phân loại năm của chúng trên kênh đỏ và kênh hồng ngoại. 2013 được kiểm chứng từ dữ liệu khảo sát thực Chỉ số NDVI theo công thức sau [5]: địa và kết quả phân loại năm 2001 được kiểm NIR R chứng dựa trên việc khái quát bản đồ sử dụng đất NDVI NIR R của năm 2000 đạt độ chính xác 81,4357% và trong đó: 80,2615% . Kết quả phân loại được chồng xếp NIR là giá trị phản xạ phổ trên kênh hồng tạo ra ma trận và bản đồ biến động sử dụng đất. ngoại 5. Kết quả và đánh giá R là giá trị phản xạ phổ trên kênh đỏ 5.1. Đánh giá theo ma trận biến động Dựa trên hiệu ảnh NDVI ngưỡng biến động Kết quả phân loại sử dụng đất của năm chia thành 3 giá trị: không biến động, biến động 2001 và 2013 được xác định trong bảng 2. vừa và biến động mạnh của khu vực nghiên cứu. Trong giai đoạn từ năm 2001 đến năm 2013 cho Giá trị phân ngưỡng được thể hiện ở bảng 1. thấy, diện tích đất xây dựng tăng mạnh nhất lên Bảng 1. Ngưỡng biến động tới 2460.99ha chiếm 13.3%, diện tích ao hồ và Ngưỡng biến động Giá trị trên ảnh đất trống tăng lên tương ứng là 2.5% và 0.5%. -0.4949 ÷ - 0.0295 Biến động mạnh Trong khi đó diện tích đất chuyên trồng lúa 0.2474 ÷ 0.6929 giảm nhiều nhất lên tới 1820.27ha giảm tới Biến động vừa -0.0295 ÷ 0.0990 9.8%, diện tích trồng xen canh màu lúa và rau Không biến động 0.0990 ÷ 0.2474 giảm tương ứng với 5.3%. 59
3. Bảng 2. Thay đổi diện tích theo 2 năm Loại hình sử Năm 2001 Năm 2013 Biến động sử dụng đất dụng đất (ha) (ha) Diện tích thay đổi Phần trăm thay đổi (ha) (%) Xây dựng 2620.09 5081.08 2460.99 13.3 Lúa 7721.27 5911.00 -1810.27 -9.8 Màu 1373.77 1169.36 -204.41 -1.1 Màu lúa 4780.93 3807.58 -973.35 -5.3 Ao, hồ 1206.00 1671.99 465.99 2.5 Đất trống 80.00 179.38 99.38 0.5 Sông 716.24 677.92 -38.32 -0.2 Bảng 3. Ma trận biến động X L H M A T S X 2619.8 0 0 0 0 0 0 L 1396.1 4595.1 31.7 1212.3 485.1 0 1.1 H 125.0 26.6 945.2 52.3 34.7 90.4 99.5 M 803.6 1278.2 43.1 2514.6 138.5 0 3.0 A 134.9 7.6 24.9 25.9 1013.1 0.2 0 T 0.1 0.7 20.09 0 0 22.1 37.0 S 1.6 2.8 104.4 2.4 0 66.6 537.9 Ghi chú: X (Xây dựng); L (chuyên lúa); H (chuyên màu); M (xen canh màu lúa); A (ao, hồ), T (đất trống), S (sông) Theo dữ liệu thống kê từ bảng 3 ma trận 3, 4 (trong bảng 2). Khu vực 3 lớp phủ thay đổi biến động năm 2001 và 2013 cho thấy diện tích từ thực vật thành đường nhựa. Mục đích sử đất bị chuyển đổi thành đất xây dựng bao gồm dụng thay đổi từ đất trồng màu lúa sang đất xây diện tích chuyên lúa 1396.07(ha), màu lúa là dựng. Khu vực 4, sử dụng đất thay đổi từ đất 803.55ha; hoa màu là 125.03ha và ao hồ là trồng màu lúa sang đất chuyên trồng lúa, lớp 134.87ha. Điều đó cho thấy đất nông nghiệp bị phủ thay đổi từ thực phủ sang đất trống. chuyển đổi sang mục đích phi nông nghiệp và đất lúa có hiệu quả kinh tế thấp luôn là khu vực Biến động vừa có nguyên nhân chủ yếu là đất bị chuyển đổi nhiều nhất. do sự thay đổi mật độ của đối tượng trên bề mặt 5.2. Đánh giá theo ngưỡng biến động ngoài do còn do chất lượng hình ảnh của ảnh Biến động mạnh có nguyên nhân xuất viễn thám chụp tại hai thời điểm khác nhau. phát từ sự thay đổi lớp phủ bề mặt khi được Một số khu vực ít biến động được thể hiện trên chụp hai thời điểm khác nhau mà không có sự bảng 5. Khu vực 1 trên ảnh ngưỡng biến động thay đổi sử dụng đất như trong khu vực 1, 2 thể hiện sự thay đổi diện mạo của khu vực với (trong bảng 4). Với khu vực 1 không có sự thay mật độ xây dựng năm 2013 cao hơn nhiều so đổi mục đích sử dụng đất trên ảnh năm 2001 với năm 2001. Khu vực 2 trên bản đồ thể hiện lớp phủ được xác định là thực vật, trên ảnh đất màu lúa không có sự biến động về mục đích 2013 lớp phủ được xác định là mặt nước. Khu sử dụng đất. Nhưng trên ảnh ngưỡng biến động vực 2 lớp phủ được xác định là thực vật còn cho thấy vùng này có cường độ biến động vừa trên ảnh năm 2013 lớp phủ được xác định là là do màu của thực vật năm 2013 sậm hơn so đất trống xen lẫn thực vật, nhưng sử dụng đất với năm 2001. Hiện trạng lớp phủ của năm không thay đổi vẫn là đất trồng màu. 2001 là thực vật xen kẽ đất trống, còn năm 2013 Sự thay đổi lớp phủ và đồng thời có cả khu vực này chỉ có thực vật đang thời kì phát sự thay đổi mục đích sử dụng đất như khu vực triển tốt. 60
4. Hình 2. Bản đồ thu nhỏ biến động sử dụng đất 1:50000 Bảng 4. Khu vực có mức độ biến động mạnh Bảng 5. Khu vực có mức độ biến động vừa 61
5. 6. Kết luận [3]. T. M. Lillesand and Keifer, R. W., 1972. Kết quả phân tích trên cho thấy việc kết Remote sensing and image interpretation. hợp phương pháp phân tích trước và sau phân [4]. D. Lu, et al., 2004. Change detection loại ảnh cho thông tin đầy đủ hơn về biến động techniques. International Journal of Remote sử dụng đất tại khu vực. Đánh giá sau phân loại Sensing, 25(12), pp. 2365-2401. cho ra ma trận chi tiết về diện tích chuyển đổi [5]. Ray D. Jackson and Alfredo R. Huete, 1991. loại hình sử dụng đất. Diện tích đất trồng lúa bị Interpreting vegetation indices", Preventive chuyển đổi nhiều nhất lên tới 1810.27ha trong Veterinary Medicine, 11, pp. 185 - 200. đó 1396.1ha chuyển đổi sang đất phi nông [6]. Selçuk Reis, 2008. Analyzing Land nghiệp, khoảng hơn 400ha chuyển sang loại Use/Land Cover Changes Using Remote hình có thu nhập cao hơn như trồng màu lúa. Sensing and GIS in Rize, North-East Turkey. Đánh giá trước phân loại phát hiện được những Sensors, 8(10), pp. 6188-6202. khu vực có không có sự chuyển đổi loại hình sử [7]. J. A. Richards, 1984. Thematic mapping dụng đất nhưng lại có sự chuyển đổi loại hình from multitemporal image data using the lớp phủ bề mặt, những khu vực không có sự principal components transformation. Remote thay đổi sự dụng đất nhưng có sự thay đổi mật sensing of Enronviment, 16, pp. 25-46. độ sử dụng và mức độ phát triển của đối tượng [8]. Ross S. Lunetta and Christopher D. bề mặt. Elvidge, 1998. Remote sensing change detection: Enviromental monitoring methods and applications. TÀI LIỆU THAM KHẢO [9]. R. A. Weismiller, et al, 1977. Change detection in coastal zone environments. [1]. G. F. Byrne, et al, 1980. Monitoring land- Photogrammetric Engineering and Remote cover change by principal component analysis Sensing, 43(12), pp. 1533−1539. of multitemporal Landsat data. Remote sensing [10]. Fatih Döner, 2011. Using Landsat data to of Enronviment, 10, pp. 301-306. determine land use/land cover changes in [2]. J. R Jensen, 2005. Introductory digital Gümüshane, Turkey. Scientific Research and image processing: A remote sensing Essays, 6(6), pp. 7. perspective. SUMMARY Change in land use using pre-classification and post-classification Trinh Thi Hoai Thu, Hanoi University for Natural Resources and Environment Cao Thi Diem Hang, Hanoi University of Mining and Geology Assessing changes in land use land cover using satellite images have been studied by many scientists. The authors mostly focus on post-classification method to determine land use between classes. In fact the change of land use is not the only change from one type to another, but also the intrinsic fluctuations in those categories. This article was written with the aim of improving efficiency and assessing changes in land use based on the integration pre-classification with post- classification. This paper presents the result of Dong Anh Hanoi, for seeing clearly in land use change of the area. 62