ỨNG DỤNG VIỄN THÁM THEO DÕI BIẾN ĐỘNG

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Tốc độ của quá trình đô thị hoá ở thành phố Vinh diễn ra khá nhanh. Ðất canh tác bị thu hẹp đáng kể nhường chỗ cho các khu công nghiệp, các khu dân cư và các công trình công cộng.

Nghiên cứu biến động đất đô thị nhằm mục đích theo dõi xu hướng phát triển vùng đất ven đô của thành phố. Mục tiêu của nghiên cứu này là theo dõi sự biến động đất đô thị của thành phố Vinh bằng công nghệ viễn thám. Dữ liệu viễn thám với đặc điểm đa thời gian, xử lý ngắn và phủ trùm khu vực rộng là một công cụ hữu hiệu cho việc theo dõi biến động hiện trạng sử dụng đất, nói chung, và đất đô thị nói riêng.

Khi đề cập đến nguyên nhân phát triển đô thị, sự phát triển kinh tế song hành với gia tăng dân số là nguyên nhân chủ đạo [1].

Gia tăng dân số là một trong những nguyên nhân thúc đẩy quá trình đô thị hóa ở thành phố Vinh. Các số liệu thống kê cho thấy khuynh hướng gia tăng dân số đi kèm với sự mở rộng ranh giới nội thị. Từ vài năm gần đây, dân số thành phố Vinh đã có nhiều thay đổi do sự thay đổi cơ cấu dân số.

Bảng 1. Tình hình cơ bản của thành phố Vinh

Năm	Diện tích (ha)	Đơn vị hành chính	Tổng số dân (người)
1976	5487,383	10 xã, 5 khu phố	101.435
1992		5 xã, 12 phường	184.753
2000		5 xã, 13 phường	216.304
2005	6751	5 xã, 15 phường	237.206

Nguồn: Phòng thống kê TP Vinh.

II. VÙNG NGHIÊN CỨU

Thành phố Vinh thuộc tỉnh Nghệ An, được giới hạn trong khung tọa độ: 18^o38’50”-18^o43’38” B và 105^o56’30” -105^o49’50” Đ, có diện tích đất tự nhiên là 6751 ha, trong đó đất nông nghiệp chiếm 49%, đất ở chiếm 13,4%, đất lâm nghiệp chiếm 1,6%, đất chuyên dùng chiếm 28,5%, đất chưa sử dụng chiếm 1,6% [5].

III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Xét về đặc điểm phản xạ và đặc điểm độ xám trên dữ liệu viễn thám, đối tượng đất đô thị được nhận biết như đối tượng đất trống [2]. Do đó, việc nhận biết và khoanh định các vùng đô thị của thành phố Vinh cần được xác định bằng tiêu chí pháp nhân hành chính, nghĩa là việc phân loại các đối tượng đô thị sẽ dựa trên định nghĩa về đô thị theo nghị định số 72/2001/NĐ-CP ngày 05/10/2001 của Chính phủ về việc phân loại đô thị và cấp quản lý đô thị [4]. Để đạt được mục tiêu đề ra, ngoài việc tìm hiểu các khái niệm về đô thị (khái niệm, chức năng, không gian…) và phương pháp nghiên cứu viễn thám trong theo dõi biến động là tạo ảnh chéo (crossing image) từ hai ảnh đã phân loại [2], các dữ liệu ảnh vệ tinh tại một số thời điểm chụp vùng nghiên cứu (năm 1992, 2000, 2005) đã được xử lý bằng các phương pháp chọn mẫu luận giải thông qua phân loại bằng mắt thường, phân loại có kiểm định, phân tích sau phân loại, điều tra thực địa và áp dụng phương pháp thành lập bản đồ.

Những phương pháp trên được lựa chọn dựa trên cơ sở: sự xê dịch bình đồ không gian; bức xạ của “đất đô thị” trên ảnh viễn thám [2]; tách các thông tin cần thiết trên tư liệu viễn thám thông qua phân loại.

Phần mềm ENVI 4.2 đã được sử dụng để tiến hành phân loại ảnh vệ tinh. ENVI là một phần mềm xử lý ảnh viễn thám mạnh, với các đặc điểm chính như:

+ Hiển thị phân tích ảnh với nhiều kiểu dữ liệu;

+ Môi trường giao diện thân thiện;

+ Cho phép làm việc với từng kênh phổ riêng lẻ hoặc toàn bộ ảnh.

1. Phương pháp phân loại có kiểm định

Thuật toán sử dụng trong phân loại có kiểm định là phân loại theo xác suất cực đại (maximum likelihood). Việc lựa chọn tập mẫu được tiến hành thông qua khảo sát biểu đồ hình cột (histogram) của ảnh vệ tinh cho từng đối tượng kết hợp với những hiểu biết về vùng nghiên cứu [2]. Thành phố Vinh là một vùng có tình trạng sử dụng đất manh mún, trên một pixel ảnh có thể bao gồm nhiều loại đối tượng khác nhau; ở một số nơi, các đối tượng khác nhau có giá trị phổ giống nhau là những khó khăn để có một kết quả phân loại chính xác.

2. Đánh giá chính xác độ phân loại

Hệ số Kappa = A/B, trong đó:

A = số pixel phân loại đúng - số pixel phân loại sai.

B = tổng số pixel được phân loại.

Khi Kappa = 1: độ chính xác phân loại là tuyệt đối.

Ngoài hệ số Kappa, độ chính xác trong phân loại số còn được đánh giá dựa vào ma trận sai số, hay ma trận nhầm lẫn. Ma trận này so sánh trên cơ sở từng loại một.

IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Kết quả phân loại

Kết quả phân loại được chiết xuất từ phần mềm Envi 4.2 như Bảng 2:

Bảng 2. Kết quả đánh giá độ chính xác (%) sau phân loại ảnh Landsat 1992

Hệ số Kappa = 0,7200

Lớp	Mặt nước	Đất xây dựng	Thực vật	Đất dân cư	Đất trống
Mặt nước	95,40	2,16	0,56	0,00	0,00
Đất xây dựng	2,69	60,79	0,43	11,37	4,07
Thực vật	1,79	3,30	86,98	3,09	18,51
Đất dân cư	0,11	26,40	10,42	80,35	8,55
Đất trống	0,00	7,36	1,62	5,19	68,87
Tổng	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00

Bảng 3. Kết quả đánh giá độ chính xác (%) sau phân loại ảnh Landsat 2000

Hệ số Kappa = 0,6821

Lớp	Mặt nước	Đất xây dựng	Thực vật	Đất dân cư	Đất trống
Mặt nước	97,45	0,27	0,00	0,05	0,00
Đất xây dựng	1,84	41,33	0,99	11,08	0,25
Thực vật	0,71	0,53	81,67	5,94	27,41
Đất dân cư	0,00	52,00	8,27	80,29	1,02
Đất trống	0,00	5,87	9,07	2,64	71,32
Tổng	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00

Bảng 4. Kết quả đánh giá độ chính xác (%) sau phân loại ảnh SPOT 2005

Hệ số Kappa = 0,9024

Lớp	Mặt nước	Đất xây dựng	Thực vật	Đất dân cư	Đất trống
Mặt nước	97,88	0,00	2,04	0,00	0,00
Đất xây dựng	0,88	96,39	2,38	12,36	0,84
Thực vật	1,23	0,00	83,70	0,00	10,06
Đất dân cư	0,02	1,93	0,00	86,71	3,63
Đất trống	0,00	1,68	11,88	0,93	85,47
Tổng	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00

2. Bàn luận sau khi phân loại

Đối với 2 ảnh Landsat năm 1992 và năm 2000 có độ phân giải trung bình (28,5 m) thì độ chính xác phân loại chưa cao. Tỷ lệ sai lẫn giữa các mẫu khá cao, có tỷ lệ sai lẫn lên tới 52%, giữa các cặp đối tượng có sự lẫn phản xạ phổ: đất trống với thực vật, đất dân cư và thực vật. Với ảnh SPOT năm 2005 có độ phân giải 10 m thì độ chính xác sau phân loại tốt hơn so với hai ảnh Landsat 1992 và 2000, tỷ lệ sai lẫn giữa các mẫu giảm đáng kể. Tồn tại tỷ lệ sai lẫn giữa cặp đối tượng thực vật và đất trống, cao nhất là 11,88%.

Mục đích nghiên cứu chủ yếu là phân tích sự thay đổi đất đô thị theo thời gian. Sau khi phân loại xong với 5 lớp đối tượng: dân cư, đất xây dựng, thực vật, đất trống và mặt nước với độ chính xác tương đối thì tiến hành xếp nhóm các đối tượng: dân cư, đất xây dựng vào nhóm đất đô thị; các đối tượng: thực vật, mặt nước, đất trống vào nhóm đất khác. Qua đó, sự biến động của đất đô thị theo từng thời điểm được xác định rõ ràng hơn về mặt không gian. Cụ thể ở đây là sự tăng diện tích đất đô thị tại các năm 2000 và 2005 so với năm 1992. Điều này cũng nói lên là đất trống, mặt nước hay thực vật đã được thay thế bởi sự phát triển của dân cư hay đất đô thị.

3. Kết quả biến động đất đô thị

Biến động đô thị được đánh giá bằng phương pháp xây dựng bảng chéo từ các kết quả phân loại. Các dữ liệu ảnh vệ tinh hiện có chỉ cho phép xây dựng được các bản đồ hiện trạng lớp phủ trong các năm 1992, 2000 và 2005. Vì vậy đánh giá biến động đô thị vùng nghiên cứu cũng chỉ được tiến hành qua các giai đoạn tương ứng là 1992-2000, 2000-2005 và 1992-2005. Kết quả đánh giá biến động cho phép theo dõi diễn tiến theo thời gian và không gian của loại hình đô thị Đất đô thị và loại hình Đất khác (không phải đô thị) trong vùng nghiên cứu. Từ chuỗi dữ liệu là các kết quả phân loại hiện trạng các năm 1992, 2000, 2005, đã tiến hành chồng ghép, thành lập bản đồ tổng quan về sự phát triển đất đô thị cho thành phố Vinh.

Các kết quả được chiết xuất trực tiếp trên phần mềm Envi 4.2 như ở Bảng 5.

Bảng 5. Kết quả biến động đất đô thị TP Vinh giai đoạn 1992-2000

	Đất đô thị	Đất khác
Tại thời điểm năm 1992	19,7% (1131,9 ha)	79,9% (4584,9 ha)
Tại thời điểm năm 2000	67,3% (1431,6 ha)	32,6% (694,6 ha)
Biến đổi	20,6% (439,0 ha)	- 7,7% (- 2471,7 ha)

Hình 2. Bản đồ biến động đất đô thị của TP Vinh giai đoạn 1992 - 2000

Bảng 7. Kết quả biến động đất đô thị TP Vinh giai đoạn 1992-2005

	Đất đô thị	Đất khác
Tại thời điểm năm 1992	48,7% (1796,1 ha)	50,7% (2909,3 ha)
Tại thời điểm năm 2005	84,4% (2796,5 ha)	15,4% (328,4 ha)
Biến đổi	16,1% (2470,1 ha)	- 43,0% (- 2471,2 ha)

Ngoài ra, phía tây và phía bắc cũng thể hiện xu thế mở rộng của thành phố.

Trong 14 năm (1992-2005), tốc độ đô thị hoá ở thành phố Vinh phát triển khá cao. Diện tích đất đô thị mở rộng thêm là 16,06%, tương đương với 2470,1 ha, đồng thời đó là sự giảm diện tích của các loại hình đất khác 43,04%, tương đương với 2471,2 ha. Kết quả của bản đồ biến động kết hợp với khảo sát thực địa cho thấy rằng phạm vi của đô thị chủ yếu vẫn phát triển về phía bắc và ĐB thành phố. Các khu dân cư vẫn phát triển bám theo các trục giao thông chính. Tuy nhiên, vẫn tồn tại sự phát triển manh mún, tự phát ở vùng phía tây của thành phố.

Hình 3. Bản đồ biến động đất đô thị của TP Vinh giai đoạn 2000-2005

Hình 4. Bản đồ biến động đất đô thị của TP Vinh giai đoạn 1992-2005

V. KẾT LUẬN.

1. Áp dụng các định nghĩa về đô thị trong xử lý ảnh viễn thám là điều cần thiết. Nếu không rõ khái niệm “đô thị” mà các nhà quản lý đưa ra thì các đối tượng đô thị chỉ là tập hợp các pixel có các đặc trưng phổ phản xạ của đất không có thực vật. Việc áp dụng định nghĩa “đô thị” theo cách hiểu hành chính sẽ cần thiết cho việc chỉ số hoá các biến động trên không gian của các pixel được nhận dạng là đất đô thị sau quá trình phân loại ảnh số và là tiêu chí quan trọng trong đánh giá biến động đa thời gian.

Các dữ liệu sử dụng trong bài báo này có độ phân giải không gian rất khác nhau (10 m, 28,5 m) và là nguyên nhân chính của sự khác nhau về độ chính xác của kết quả phân loại.

2. Trong 14 năm qua (1992-2005), thành phố Vinh phát triển về không gian theo hai hướng chính: về phía bắc, đông bắc. Vùng nội thành và ngoại vi thành phố có sự tăng lên đáng kể mật độ dân cư, thể hiện rõ ràng ảnh hưởng của quá trình tăng dân số tới quá trình biến động đô thị. Diện tích đất mở rộng thêm 16,06% tương đương với 2470,1 ha, đồng thời sự giảm diện tích của các loại hình đất khác là 43,04% tương đương với 2471,2 ha.

VĂN LIỆU

1. Leaf M., 2003. Nghèo đô thị - Những bài học kinh nghiệm quốc tế. Lưu trữ ĐH Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.

2. Nguyễn Ngọc Thạch, 2005. Cơ sở viễn thám. Nxb ĐHQG Hà Nội. Hà Nội.

3. Văn phòng Chính phủ, 2001. Nghị đinh số 72/2001/NĐ-CP ngày 05/10/2001 của Chính phủ về việc phân loại đô thị và cấp quản lý đô thị.

4. Website: http://www. Vinhcity. gov. vn

	Đất đô thị	Đất khác
Tại thời điểm năm 2000	43,9% (2324,2 ha)	55,8% (2956,7 ha)
Tại thời điểm năm 2005	89% (2284,0 ha)	10,9% (280,7 ha)
Biến đổi	79,71% (2046,4 ha)	- 38,4% (- 2033,5 ha)