Ứng dụng GIS trong xây dựng bản đồ số trên Thế Giớ- 123docz.net

2.1. Tổng quan về GIS

2.1.4. Ứng dụng GIS trong xây dựng bản đồ số trên Thế Giới và Việt Nam

Hệ thống thông tin địa lý Geographic Information System (đƣợc viết tắt là 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.

Công nghệ GIS ngày càng đƣợc phát triển rộng rãi bởi khả năng tích hợp, phân tích thông tin sâu và giải quyết đƣợc nhiều vấn đề tổng hợp. Thông qua công nghệ 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 trường. Trong Lâm nghiệp nhờ có ứng dụng GIS, viễn thám và GPS mà công tác theo dõi, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng, xây dựng bản đồ hiện trạng trở nên hiệu quả hơn và có tính chính xác cao hơn.

Kết quả theo dõi từ năm 1972 đến năm 1991, nhờ ứng dụng công nghệ RS và GIS trong đánh giá biến động rừng và độ che phủ rừng cho thấy ở Ấn Độ diện tích rừng từ 14,12 triệu ha xuống còn 11,72 triệu ha, giảm 2,4 triệu ha. Từ kết quả đó Ấn độ đã xây dựng hệ thống bản đồ hiện trạng với chu kỳ 2 năm để quản lý, bảo vệ và phát triển rừng hiệu quả. (Dutt, Udayalakshmt, 1994) Theo Devendra Kumar (2011),

việc ƣớc tính sự thay đổi về độ che phủ rừng dựa trên dữ liệu vệ tinh có thể giúp các nhà nghiên cứu thấy rõ đƣợc khả năng tích lũy carbon, biến đổi khí hậu, mối đe dọa đến đa dạng sinh học và mức độ biến động rừng thông qua dữ liệu vệ tinh. Bản đồ lớp phủ rừng của các vùng đƣợc xây dựng dựa trên ba loại nguồn dữ liệu: thu thập ý kiến chuyên gia, dựa vào các sản phẩm viễn thám và thống kê quốc gia.

Ở Nhật Bản, đã ứng dụng RS và GIS để xây dựng bản đồ địa hình và bản đồ lớp phủ rừng, đây là cơ sở cho việc theo dõi và đánh giá sự phục hồi sinh thái của Siri Kawala Ierd, K.Fujiwara. Su-Fen Wang (2004),[47] khi tiến hành giải đoán ảnh Spot 4 và Spot 5 theo phương pháp phân loại có kiểm định cho những vùng núi ở phía bắc Đài Loan, kết quả cho thấy độ chính xác của ảnh Spot 5 (74%) cao hơn ảnh Spot 4 (71%) do ảnh Spot 5 có độ chính xác cao hơn. Kết quả phân loại ra 3 trạng thái là rừng Chamaecyparis formosensis, rừng trồng cây thuộc họ tùng, rừng cây lá rụng.

GIS bắt đầu đƣợc xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỉ XX và đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới. Năm 1972, với việc phóng vệ tinh Landsat 1 đã mở ra một kỉ nguyên mới cho việc sử dụng viễn thám trong quan sát và nghiên cứu trái đất. Cho đến nay hơn 30 năm phát triển việc sử dụng ảnh viễn thám và GIS cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau đã rất phổ biến trên khắp thế giới.

Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới. Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế. Những kết quả thu đƣợc từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lƣợc về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay.

Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thành lên hệ thống quan trắc khí tƣợng vệ tinh toàn cầu. Quan trắc trái đất và quan trắc không gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc. Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyển chuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển. Rất nhiều những yếu tố, những vị trí trong khí quyển và trên trái đất trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với vệ tinh khí tượng đều có thể thực hiện đƣợc. Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ...

Từ năm 1979 đến năm 1991, các vệ tinh NOAA 6, NOAA 7,… NOAA 12;

năm 1992 NOAA - I và năm 1993 NOAA - J đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải không gian 1.1 km.

Pháp đã phóng vệ tinh SPOT 1 (22/02/1986), SPOT 2 (22/01/1990) Và SPOT 3 (26/09/1993) với bộ cảm HVR (High Resolution Visible) với 3 kênh phổ có độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc có độ phân giải 10m. Đến ngày 24 tháng 3 năm 1998, SPOT 4 đã đƣợc phóng vào quỹ đạo với bộ cảm mới HRVIR (High Resolution Visible and Infrared) và SPOT 5 (2002) với bộ cảm HRVIR đã đƣợc nâng cấp, thu ảnh có độ phân giải đến 5m.

Ngoài ra Ấn Độ cũng đã phóng thành công vệ tinh giám sát tài nguyên IRS- 1A vào năm 1998 (sau đó là vệ tinh IRS-1B năm 1991, IRS - 1C năm 1995 và IRS- 1D năm 1997) với bộ cảm LISS (Linear Imaging Scanner System) có các tính năng kỹ thuật tương đương MSS.

Nhật Bản cũng đã phóng vệ tinh tài nguyên JERS-1 vào năm 1992 với bộ cảm SAR (Synthetic Aperture Rada), VNIR (Visible and Near Infrared Radiometer) và SWIR (Short Wavelength Infrared Radiometer). Năm 1996, vệ tinh ADEOS (Advanced Earth Observation Satellite) của Nhật đã đƣợc đƣa vào quỹ đạo với các bộ cảm OCTS (Ocean Colour & Temperature Scanner) độ phân giải 700m, AVNIR (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer) độ phân giải 16m và các bộ cảm biến có độ phân giải không gian thấp. Nhật Bản cũng đã nỗ lực cộng tác với Hoa Kỳ trong việc xây dựng bộ cảm biến hiện đại ASTER (The Advanced Spaceborne

Thermal Emission and Reflection Radiometer) đặt trên vệ tinh Terra đƣợc NASA phóng lên quỹ đạo tháng 12 năm 1999.

Hiện nay ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (1 ÷ 4m) đang đƣợc các chuyên gia sử dụng theo hướng tích hợp với GPS (Global Positioning System) và GIS (Geographical Information System) nhằm khai thác dữ liệu không gian hiệu quả phục vụ công tác thành lập bản đồ thành phố, quy hoạch giao thông, giám sát biến động sử dụng đất,… Trong đó, vệ tinh IKONOS đƣợc phóng vào tháng 4 năm 1999 đã cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 1m và đặc biệt vệ tinh Quickbird đƣợc phóng vào tháng 10 năm 2001 cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 0.61m.

Ảnh đa phổ với độ phân giải không gian cao đã góp phần quan trọng trong việc phát triển ứng dụng viễn thám trong nhiều lĩnh vực, đáp ứng đòi hỏi mức độ cung cấp thông tin chi tiết và chính xác.

Ngoài ra, sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu Trái đất bằng viễn thám đƣợc đẩy mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar. Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây. Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn năng lƣợng mặt trời. Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR đƣợc ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat. Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên rất đa dạng. Sóng này hết sức nhạy cảm với độ gồ ghề của bề mặt vật, đƣợc chùm tia radar phát tới, vì vậy nó đƣợc ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vực nào đó. Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh radar.

Trong lâm nghiệp thì Spurr S. đã chia lịch sử viễn thám trong lâm nghiệp thế giới thành ba giai đoạn chính nhƣ sau:

Giai đoạn thứ nhất: Từ cuối thế kỷ 19 đến trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, đánh dấu bằng sự ra đời của ảnh hàng không, kính lập thể và những thử nghiệm lẻ tẻ ban đầu về ứng dụng của chúng trong lâm nghiệp. Thí dụ một số thí

nghiệm của Rodolf Kobsa và Ferdinand Wang (Áo - 1982), Hugershoff R (Đức - 1911), Hand Dock (Áo - 1913).[52]

Giai đoạn thứ hai: Từ chiến tranh thế giới thứ nhất đến cuối chiến tranh thế giới thứ hai. Giai đoạn này đã ghi nhận thành công của một số tác giả ở một số nước: Xây dựng bản đồ rừng từ ảnh hàng không ở vùng Maurice thuộc Canada, bản đồ thực vật rừng ở Anh (1924), điều tra trữ lƣợng rừng từ ảnh hàng không ở Mỹ (1940). Thí nghiệm các phương pháp đo tán, đo chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff,… Tuy nhiên, giai đoạn này vẫn chƣa xây dựng hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đoán đọc ảnh hàng không.

Giai đoạn thứ ba: Từ chiến tranh thế giới thứ hai đến nay, cùng với sự phát triển về khoa học kỹ thuật, việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám ngày càng phát triển rộng rãi ở nhiều nước. Kỹ thuật viễn thám phát triển theo chiều hướng ngày càng phong phú, tinh vi, chính xác và cập nhật hơn với chương trình “Interkosmos”

và vệ tinh “Landsat”. Song song với hai hệ thống trên là hệ thống trạm thu và xử lý thông tin ở nhiều nước trên thế giới như: Canada, Brazil, Ấn Độ, Thái Lan, Trung Quốc,… Gần đây, các hệ thống vệ tinh SPOT, ADEOS, TERRA,… ra đời và cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin thì các phương pháp xử lý ảnh viễn thám bằng phần mềm đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới nghiên cứu như: Mỹ, Nhật, Pháp, Nga,...

Từ đó, ảnh viễn thám đã đƣợc ứng dụng ngày một rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông nghiệp, lâm nghiệp, môi trường, địa chất…

Su-Fen Wang (2004),[47] khi tiến hành giải đoán ảnh Spot 4 và Spot 5 theo phương pháp phân loại có kiểm định cho những vùng núi ở phía bắc Đài Loan, kết quả cho thấy độ chính xác của ảnh Spot 5 (74%) cao hơn ảnh Spot 4 (71%) do ảnh Spot 5 có độ chính xác cao hơn. Kết quả phân loại ra 3 trạng thái là rừng Chamaecyparis formosensis, rừng trồng cây thuộc họ tùng, rừng cây lá rụng.

Hansen và DeFries (2004),[47] sử dụng ảnh vệ tinh để theo dõi sự thay đổi độ che phủ rừng trong thời gian 1982-1990 và cuối cùng kết luận rằng, trái ngƣợc với Liên Hiệp Quốc Tổ chức Nông lương (FAO) báo cáo về một sự gia tăng toàn cầu về độ che phủ rừng. Mỹ Latinh và vùng nhiệt đới châu Á là hai khu vực phá

rừng chiếm ƣu thế. Paraguay cho thấy tỷ lệ cao nhất liên quan đến mất rừng, trong khi Indonesia đã có sự gia tăng lớn nhất trong việc phá rừng từ những năm 1980 đến năm 1990.

Bodart et al (2009),[48] theo dõi sự thay đổi độ che phủ rừng nhiệt đới ở châu Mỹ Latinh, Nam Á và châu Phi năm 1990-2000 bằng cách sử dụng ảnh vệ tinh và phát triển một cách tiếp cận hoạt động và mạnh mẽ có thể trước khi một quá trình rất lớn số lƣợng dữ liệu từ các điều kiện khác nhau một cách tự động để đƣa các dữ liệu multitemporal và đa cảnh trên quy mô tương tự và phân khúc xạ hình ảnh trước khi phân loại giám sát.

Theo Devendra Kumar (2011), [48] việc ƣớc tính sự thay đổi về độ che phủ rừng dựa trên dữ liệu vệ tinh có thể giúp các nhà nghiên cứu thấy rõ đƣợc khả năng tích lũy carbon, biến đổi khí hậu, mối đe dọa đến đa dạng sinh học và mức độ biến động rừng thông qua dữ liệu vệ tinh. Bản đồ lớp phủ rừng của các vùng đƣợc xây dựng dựa trên ba loại nguồn dữ liệu: thu thập ý kiến chuyên gia, dựa vào các sản phẩm viễn thám và thống kê quốc gia.

2.1.4.2. Ứng dụng GIS tại Việt Nam

Việt Nam là nước tiếp cận GIS muộn hơn các nước trong khu vực và trên thế giới. Trong suốt thời gian dài trước năm 1945, Việt Nam không có khả năng thực hiện việc điều tra rừng. Thời kỳ này chỉ có số liệu về tài nguyên rừng đƣợc công bố trong công trình "Lâm nghiệp Đông Dương" của P. Maurand và số liệu đó thường đƣợc xem là tài liệu gốc để so sánh diễn biến rừng ở Việt Nam từ năm 1945 trở về sau. Năm 1958, với sự hợp tác của CHDC Đức đã sử dụng ảnh máy bay đen trắng toàn sắc tỷ lệ 1/30.000 để điều tra rừng ở vùng Đông Bắc. Đó là một bước tiến bộ kỹ thuật rất cơ bản, tạo điều kiện xây dựng các công cụ cần thiết để nâng cao chất lƣợng công tác điều tra rừng ở nước ta. Từ cuối năm 1958, bình quân mỗi năm đã điều tra đƣợc khoảng 200.000 ha rừng, đã sơ thám đƣợc tình hình rừng và đất đồi núi, lập đƣợc thống kê tài nguyên rừng đơn giản và vẽ đƣợc phân bố tài nguyên rừng ở miền Bắc. Đến cuối năm 1960, tổng diện tích rừng ở miền Bắc đã điều tra đƣợc vào khoảng 1,5 triệu ha. Ở miền Nam ảnh máy bay đƣợc sử dụng từ năm 1959, đã xác định tổng diện tích rừng miền Nam là 8 triệu ha.

Kỹ thuật viễn thám đã đƣợc đƣa vào sử dụng ở Việt Nam từ năm 1976 (Viện Điều tra Quy hoạch Rừng). Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám ở Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình vũ trụ quốc tế (Inter Kosmos) nhân chuyến bay vũ trụ kết hợp Xô - Việt tháng 7 - 1980.

Kết quả nghiên cứu các công trình khoa học này đƣợc trình bày trong hội nghị khoa học về kỹ thuật vũ trụ năm 1982 nhân tổng kết các thành tựu khoa học của chuyến bay vũ trụ Xô - Việt năm 1980 trong đó một phần quan trọng là kết quả sử dụng ảnh đa phổ MKF-6 vào mục đích thành lập một loạt các bản đồ chuyên đề như: địa chất, đất, sử dụng đất, tài nguyên nước, thuỷ văn, rừng,... Từ năm 1981 đến năm 1983, lần đầu tiên ngành lâm nghiệp tiến hành điều tra, đánh giá tài nguyên rừng trên phạm vi toàn quốc. Trong đó đã kết hợp giữa điều tra mặt đất và giải đoán ảnh vệ tinh do FAO hỗ trợ. Do vào đầu những năm 1980, ảnh vệ tinh và ảnh hàng không còn rất hạn chế, chỉ đáp ứng yêu cầu điều tra rừng ở một số vùng nhất định mà chƣa có đủ cho toàn quốc.

Từ năm 1991 - 1995 đã tiến hành theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc và xây dựng bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng trên cơ sở kế thừa những bản đồ hiện trạng rừng hiện có thời kỳ trước năm 1990, sau đó dùng ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM có độ phân giải 30x30m để cập nhật những khu vực thay đổi sử dụng đất, những nơi mất rừng hoặc những nơi có rừng trồng mới hay mới tái sinh phục hồi. Ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM tỷ lệ 1:250.000 đƣợc giải đoán khoanh vẽ trực tiếp trên ảnh bằng mắt thường. Kết quả giải đoán được chuyển lên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 và được kiểm tra tại hiện trường. Thành quả đã thành lập đƣợc: bản đồ sinh thái thảm thực vật rừng các vùng tỷ lệ 1:250.000; bản đồ dạng đất đai các tỉnh tỷ lệ 1:100.000 và các vùng tỷ lệ 1:250.000.

Từ năm 1996 - 2000, bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng bằng phương pháp viễn thám. Ảnh vệ tinh đã sử dụng là SPOT3, có độ phân giải 15m x 15m, phù hợp với việc xây dựng bản đồ tỷ lệ 1:100.000. So với ảnh Landsat MSS và Landsat TM, ảnh SPOT3 có độ phân giải cao hơn, các đối tƣợng trên ảnh cũng đƣợc thể hiện chi tiết hơn. Ảnh SPOT3 vẫn được giải đoán bằng mắt thường nên kết quả giải đoán

vẫn còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của chuyên gia giải đoán và chất lƣợng ảnh. Kết quả về mặt thành lập bản đồ: đã xây dựng đƣợc bản đồ phân vùng sinh thái thảm thực vật cấp vùng và toàn quốc; bản đồ phân loại đất cấp tỉnh, vùng và toàn quốc; bản đồ hiện trạng rừng cấp tỉnh, vùng và toàn quốc và bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1:100.000; 1:250.000; 1:1000.000.

Từ năm 2000 - 2005, phương pháp xây dựng bản đồ trong lâm nghiệp đã được phát triển lên một bước. Bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng từ ảnh số vệ tinh Landsat ETM+. Độ phân giải ảnh là 30m x 30m. Việc giải đoán ảnh đƣợc thực hiện trong phòng dựa trên những mẫu khóa ảnh đã được kiểm tra ngoài hiện trường.

Ưu điểm của phương pháp giải đoán ảnh số là tiết kiệm được thời gian và có thể giải đoán thử nhiều lần trước khi lấy kết quả chính thức. Như vậy, tuy khoa học điều tra rừng ra đời muộn hơn so với nhiều môn khoa học khác nhƣng đã đạt đƣợc những thành quả nhất định. Song song với điều tra mặt đất, đã nghiên cứu thử nghiệm và từng bước ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng. Tuy nhiên, hệ thống các bản đồ tài nguyên rừng Việt Nam hiện nay, do đƣợc xây dựng tại các thời điểm khác nhau và đã sử dụng nhiều nguồn thông tin tƣ liệu, nhiều nguồn ảnh, từ ảnh vệ tinh Landsat MSS, TM, SPOT, Aster, Radar, ảnh máy bay và hệ thống phân loại rừng rất khác nhau qua các thời kỳ, nên đã tạo ra nhiều loại số liệu không đồng bộ, gây khó khăn cho người sử dụng, đặc biệt trong việc theo dõi biến động về diện tích của rừng qua các thời kỳ.

Công trình quản lý kết quả trồng rừng PAM 1989 - 1996, gồm 3 dự án: PAM 2780 trên 5 tỉnh, 700 hợp tác xã từ nghệ an đến Huế, PAM 3352 trên 5 tỉnh Bắc Thái, Hà Tây, Hoà Bình, Vĩnh Phú, hà Nội. PAM 4304 trên 13 tỉnh duyên hải từ Quảng Ninh đến Bình Thuận. Cơ quan yêu cầu: PAM, Ban quản lý trồng rừng, Dự án VIE - 91 - 022, và các Ban quản lý PAM của 18 tỉnh thành phố với diện tích vùng xử lý khoảng 10 triệu ha, diện tích trồng rừng gần 200.000 ha. Tỷ lệ bản đồ gồm 1:10000 cho các lô rừng trồng với hơn 300.000 lô, tỷ lệ 1:25000 cho các xã có trồng rừng, 1:100000 cho tỉnh.

Dự án VIE - 76 - 014 lần đầu tiên đã xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và các trạng thái rừng trên cơ sở sử dụng ảnh viễn thám Landsat. Đây là bước ngoặt đánh

Ứng dụng GIS trong xây dựng bản đồ số trên Thế Giới và Việt Nam

Tổng quan về phần mềm QGIS