Đo đạc trắc lượng lớp phủ trên ảnh vệ tinh đa thời gian phục vụ nghiên cứu biến đổi đất nông nghiệp huyện Đông anh, Hà Nội

p ĐHĐT cho ảnh có độ phân giải trung bình và cao như Landsat ETM và Spot 5 kết hợp sử dụng nhiều lớp chuyên đề nên đã tăng độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp thống kê pixel truyền thống [21]. Dựa trên các phân tích và tổng quan nghiên cứu nói trên, học viên đã lựa chọn phương pháp định hướng đối tượng cho phân loại ảnh Landsat TM và Spot 5 trên khu vực nghiên cứu là huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội. 1.4 Phân tích trắc lượng Các chỉ số cảnh quan thường có ưu thế rõ rệt trong đo đạc đặc điểm bên ngoài của cảnh quan như cấu trúc hay chức năng. Các chỉ số cấu trúc đo đạc cấu tạo hoặc sự sắp xếp tự nhiên của các khảm cảnh quan (landscape mosaic) mà chưa có liên hệ tới quá trình sinh thái cụ thể nào [33]. Chỉ số cấu trúc cảnh quan được sử dụng để đo đạc kích thước, hình dạng và sự phân tán của các mảnh tại một thời điểm. Ngược lại, chỉ số chức năng đo đạc kiểu cảnh quan liên quan tới một loài sinh vật hay một quá trình sinh thái cụ thể [33, 34]. Các chỉ số này có khả năng lấy các thông tin về cấu trúc cảnh quan ở đa tỷ lệ trong những cảnh quan giống và khác nhau. Những chỉ số này dựa trên lý thuyết của tỷ lệ bất biến thường liên quan đặc trưng tới hình dạng mảnh, cũng như tỷ lệ giữa chu vi và diện tích hoặc kích thước fractal trung bình mảnh [34]. Bên cạnh đó chúng còn được dựa trên lý thuyết về thông tin và hình học fractal [27]. 21 Các chỉ số FRAGSTATS được gộp thành 7 nhóm như sau: + Nhóm các chỉ số về diện tích, mật độ, cạnh: Total (class) are (CA), Percentage of Landscape (PLAND), Number of Patches (NP), Patch Density (PD), Total Edge (TE), Edge Density (ED), Landscape Shape Index (LSI), Normalized Landscape Shape Index (nLSI), Largest Patch Index (LPI). + Nhóm các chỉ số hình dạng: Perimeter-Area Fractal Dimension (PAFRAC), Perimeter-Area Ratio Distribution (PARA), Shape Index Distribution (SHAPE), Fractal Index Distribution (FRAC), Linearity Index Distribution (LINEAR), Related Circumscribing Circle Distribution (CIRCLE), Contiguity Index Distribution (CONTIG). + Nhóm các chỉ số vùng lõi: Total Core Area (TCA), Core Area Percentage of Landscape (CPLAND), Number of Disjunct Core Areas (NDCA), Disjunct Core Area Density (DCAD), Core Area Distribution (CORE), Disjunct Core Area Distribution (DCORE), Core Area Index Distribution (CAI). + Nhóm các chỉ số về độ phân tách/độ gần: Proximity Index Distribution (PROX), Similarity Index Distribution (SIMI), Euclidean Nearest Neighbor Distance Distribution (ENN), Functional Nearest Neighbor Distance Distribution (FNN). + Nhóm các chỉ số mức độ tương phản:Contrast-Weighted Edge Density (CWED), Total Edge Contrast Index (TECI), Edge Contrast Index Distribution (ECON). + Nhóm các chỉ số tiếp xúc/rải rác: Percentage of Like Adjacencies (PLADJ), Clumpiness Index (CLUMPY), Aggregation Index (AI), Interspersion & Juxtaposition Index (IJI), Mass Fractal Dimension (MFRAC), Landscape Division Index (DIVISION), Splitting Index (SPLIT), Effective Mesh Size (MESH). + Nhóm chỉ số kết nối: Patch Cohesion Index (COHESION), Connectance Index (CONNECT), Traversability Index (TRAVERSE). 22 Chúng miêu tả các hiện tượng tự nhiên và địa lý và thường tập trung vào phân tích cấu trúc của mảnh, xác định khu vực không gian phù hợp với các điểm đặc trưng giống nhau [34]. Các nhóm chỉ số này được học viên sử dụng trong luận văn nhằm đo đạc về hình thái, cấu trúc và đặc điểm thay đổi sử dụng đất nông nghiệp của huyện Đông Anh theo thời gian. 1.5 Quan hệ giữa đặc điểm trắc lượng và các loại hình lớp phủ Phân tích cấu trúc của lớp phủ dựa trên việc đo đạc các chỉ số không gian cho phép mô tả sâu hơn về đặc điểm sử dụng đất của khu vực nghiên cứu. Những ứng dụng quan trọng của các chỉ số này bao gồm xác định cấu trúc cảnh quan, đa dạng sinh học, và sự phân mảnh môi trường sống, miêu tả những thay đổi trong cảnh quan và nghiên cứu những tác động của quy mô trong cấu trúc cảnh quan [27]. Quản lý sự thay đổi sử dụng đất và các kế hoạch phát triển của khu vực đô thị và ven đô bằng cách sử dụng ảnh viễn thám đa thời gian, các chỉ số không gian và các mô hình là một phương pháp có hiệu quả tốt [27, 35, 52]. Sự thay đổi cấu trúc và lớp phủ của khu vực đô thị thường được đo đạc bằng các chỉ số không gian sau: CA, NP, ED, LPI, MPS [36, 52], EMN_MN [12, 52], FRAC_AM và Contagion [27, 35, 48, 52], AWMPFD [47], IJI, ENN [35, 52]. Các chỉ số này được dùng để tính cho ba kiểu mảnh: tất cả các mảnh cảnh quan, các mảnh đô thị và các mảnh không phải đô thị. Các chỉ số không gian khác nhau sẽ cung cấp các thông tin khác nhau cho sự tăng trưởng đô thị. Chỉ số CA miêu tả diện tích tăng trưởng của đô thị. NP đo đạc qui mô những vùng bị chia nhỏ của khu vực đô thị. NP cao khi mà sự mở rộng đô thị không đổi nhưng lại tăng sự phân mảnh [12, 36, 52]. ED đo đạc tổng chiều dài cạnh của mảnh đô thị [27, 52]. LPI là phần trăm diện tích của một mảnh đô thị trong tổng diện tích đô thị của một vùng. LPI bằng 100 khi mà toàn bộ lớp đô thị chỉ là một mảnh [31, 35, 36, 52]. ENN để đo đạc khoảng cách giữa các mảnh đô thị [12, 35, 52]. AWMPFD, FRAC_AM đo đạc sự phức tạp hình dạng, kích thước của mảnh, chỉ số này càng cao thì mảnh càng phức tạp và càng bị phân tách [27, 52]. MPS là chỉ số đo đạc kích thước mảnh trung bình cho một thời 23 kỳ [31, 48]. Đo đạc quá trình đô thị hóa đã thấy được sự chuyển đổi hình thái sử dụng đất nông nghiệp [40, 48]. Các chỉ số này cung cấp một cái nhìn toàn diện về cấu trúc cảnh quan bao gồm: diện tích, hình dạng, mức độ cô lập hay tập trung, sự liên tiếp hay rải rác, và sự tách biệt. Vì vậy học viên sử dụng các chỉ số hình thái này để phân tích cho đặc điểm biến đổi đất nông nghiệp của huyện Đông Anh. 24 Chƣơng 2 – ĐO ĐẠC TRẮC LƢỢNG LỚP PHỦ CỦA HUYỆN ĐÔNG ANH Chương 2 đề cập tới các bước trong quá trình phân loại ảnh vệ tinh bằng phương pháp ĐHĐT, kiểm chứng kết quả phân loại ảnh bằng bản đồ sử dụng đất, ảnh có độ phân giải cao và bằng kết quả thực địa. Bên cạnh đó là tính toán phân tích các metrics của lớp đất nông nghiệp. 2.1 Hiện trạng sử dụng đất nông nghiệp của huyện Đông Anh 2.1.1 Vị trí địa lý Đông Anh là một huyện nằm ở phía Bắc của thành phố Hà Nội. Có hệ tọa độ địa lý như sau: 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông. Huyện có vị trí địa lý như sau: phía Đông, Đông Bắc giáp tỉnh Bắc Ninh, phía Nam giáp sông Hồng, phía Đông Nam giáp huyện Gia Lâm, Hà Nội, phía Tây giáp huyện Mê Linh, phía Bắc giáp huyện Sóc Sơn, Hà Nội. Tổng diện tích đất tự nhiên của huyện là 18.230 ha (2011) [41], có 24 đơn vị hành chính, trong đó có 23 xã và 1 thị trấn. Vị trí của Đông Anh có quốc lộ 3 (Hà Nội - Thái Nguyên) và đường cao tốc Thăng Long – Nội Bài. Có hai tuyến đường sắt Hà Nội - Thái Nguyên và Hà Nội- Yên Bái chạy qua. Vì vậy Đông Anh có lợi thế lớn về giao thông. Có sân bay quốc tế Nội Bài. Ngoài ra, ở huyện còn có hệ thống sông Hồng, sông Cà Lồ và sông Đuống chảy qua. Đây là điều kiện thuận lợi cho việc giao lưu với các tỉnh khác, và là cửa ngõ giao lưu quốc tế của Hà Nội, cũng như cả nước. Đông Anh là huyện có diện tích tự nhiên lớn thứ hai sau huyện Sóc Sơn của thành phố Hà Nội. Đây là huyện có địa hình tương đối bằng phẳng, đất phù sa màu mỡ, điều kiện khí hậu thuận lợi cho hoạt động sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là các loại cây trồng: lương thực, rau, củ quả. 25 26 Với vị trí cũng như các điều kiện thuận lợi như vậy, Đông Anh là huyện thu hút được sự quan tâm của các nhà đầu tư trong và ngoài nước, thúc đẩy mạnh sự phát triển kinh tế, xây dựng các khu công nghiệp, đẩy mạnh quá trình đô thị hóa. 2.1.2 Khái quát điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội Đông Anh là một huyện nằm ở phía Bắc của thành phố Hà Nội nên mang những đặc điểm về điều kiện tự nhiên tương tự của thành phố Hà Nội. Huyện chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa, có mùa đông lạnh và khô, mùa hè nóng ẩm mưa nhiều. Nhiệt độ trung bình năm là 250C, độ ẩm tương đối là 84%, tổng số giờ nắng cả năm là 1794 giờ [4]. Với các đặc điểm khí hậu ở trên thì Đông Anh rất thuận lợi cho phát triển sản xuất nông nghiệp với đa dạng các loại cây trồng. Hơn nữa huyện Đông Anh có 3 tuyến sông lớn chảy qua là sông Hồng, sông Cà Lồ và sông Đuống. Đây là hệ thống nguồn nước mặt phong phú đáp ứng nhu cầu tương đối lớn cho tưới tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp của toàn huyện. Ba tuyến sông lớn còn là nguồn cung cấp phù sa hàng năm cho hệ thống đất đai của huyện. Đông Anh thuộc tiểu vùng sinh thái đất bạc màu trên nền phù sa có các tuổi khác nhau từ phù sa mới đến phù sa cũ và phù sa cổ. Đa dạng về các loại đất phù sa là điều kiện thích hợp cho việc trồng các loại cây hàng năm, rau màu, cùng với trồng các loại cây lâu năm, cây dài ngày. Theo số liệu thống kê năm 2009, dân số của huyện Đông Anh là 333.337 người với 92.649 hộ [3], trong đó có 287.536 nhân khẩu nông nghiệp (chiếm 88,74%). Toàn huyện có 165.623 lao động, trong đó lao động nông nghiệp là 108.452 người, chiếm 65.48% còn lại là lao động công nghiệp và dịch vụ [4]. Diện tích đất nông nghiệp bình quân cho một lao động là 0,051 ha/lao động. Đây là mức rất thấp so với bình quân chung của vùng đồng bằng sông Hồng. 27 Hình 2.1: Cơ cấu kinh tế huyện Đông Anh năm 2010 Trong cơ cấu kinh tế của huyện có sự chuyển dịch tích cực theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy nhiên nông nghiệp vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong cơ cấu kinh tế của toàn huyện. Trong quy hoạch tổng thể của thủ đô Hà Nội đến 2020 đã ưu tiên đầu tư cho khu vực Bắc sông Hồng. Tại đây sẽ hình thành một Hà Nội mới với các khu vực: Bắc Thăng Long – Vân Trì, Đông Anh – Cổ Loa, Gia Lâm – Sài Đồng – Yên Viên. Nhiều dự án, công trình trọng điểm của thành phố Hà Nội được triển khai như mở rộng khu công nghiệp Bắc Thăng Long, các cụm công nghiệp vừa và nhỏ xã Nguyên Khê, cụm sản xuất tập trung làng nghề xã Vân Hà, đầu tư tôn tạo khu di tích Cổ Loa, xây cầu Nhật Tân, cầu Đông Trù, đường 5 kéo dài, đường quốc lộ 3 mới qua các xã miền Đông, xây dựng khu đô thị mới ở trung tâm huyện Đông Anh, dự án đô thị miền Đông ở xã Liên Hà, và khu đô thị mới phía Bắc xã Liên Dương,... Hướng ưu tiên này đã đẩy nhanh tốc độ của quá trình đô thị hóa và phát triển kinh tế - xã hội của Đông Anh dẫn tới sự chuyển đổi mục đích sử dụng đất mà trong đó chủ yếu là đất nông nghiệp sang các mục đích sử dụng đất khác. 2.1.3 Hiện trạng sử dụng đất nông nghiệp huyện Đông Anh Hiện trạng sử dụng đất đai của huyện Đông Anh năm 2011 bao gồm các nhóm: đất nông nghiệp: 9.225,49 ha, đất phi nông nghiệp: 8.681,81 ha và đất chưa 75% 9% 16% Cơ cấu kinh tế huyện Đông Anh năm 2010 Công nghiệp - Xây dựng Nông nghiệp - Thủy sản Thương mại - Dịch vụ 28 sử dụng: 306,60 ha [10]. Đất Nông nghiệp chiếm 50,65% trong tổng diện tích đất tự nhiên Hình 2.1. Trong đất nông nghiệp gồm rất nhiều các loại đất khác: đất trồng cây hàng năm, đất trồng cây lâu năm, đất nuôi trồng thủy sản và đất trồng cây hàng năm khác. Ngoài ra, còn bao gồm một phần nhỏ là diện tích mặt nước dùng để nuôi trồng thủy sản. Hình 2.2: Cơ cấu sử dụng đất của huyện Đông Anh năm 2011 [10] Sự phát triển về kinh tế mạnh đã thúc đẩy việc xây dựng các khu công nghiệp, khu đô thị và xây dựng cơ sở hạ tầng nhanh là nguyên nhân chính của việc suy giảm quỹ đất nông nghiệp của huyện Đông Anh, Hà Nội. Theo Hình 2.3 diện tích đất nông nghiệp của Đông Anh bị suy giảm mạnh từ năm 1990 đến 2011. Trong vòng 21 năm, diện tích đất nông nghiệp đã giảm đi 991,87 ha, trung bình mỗi năm giảm đi 47,23 ha/năm. Tổng diện tích đất nông nghiệp năm 1990 là 10.217,36 ha, đến năm 2011 diện tích này chỉ còn 9.225,49 ha. Đất nông nghiệp bị giảm nhanh nhất là giai đoạn từ năm 2007 tới 2011 là 312,66 ha, gấp hơn 20 lần so với giai đoạn 2000-2005. Diện tích đất nông nghiệp trên địa bàn huyện giai đoạn 2007 – 2011 có xu hướng giảm mạnh nhất là do quá trình đô thị hóa nhanh nằm trong mục tiêu phát triển mà Đại hội Đảng bộ của huyện nhiệm kỳ 2006–2010 [4]. 50%48% 2% Cơ cấu sử dụng đất huyện Đông Anh năm 2011 Đất Nông nghiệp Đất Phi Nông nghiệp Đất chưa sử dụng 29 Hình 2.3: Xu hướng biến đổi đất nông nghiệp huyện Đông Anh qua các năm [4, 10] Tổng diện tích đất nông nghiệp có xu thế giảm mạnh do nhà nước có quyết định thu hồi đất để thực hiện các dự án đầu tư trên địa bàn toàn huyện phục vụ cho việc xây dựng các khu công nghiệp mới, mở rộng các vùng đô thị và xây dựng kết cấu hạ tầng. Hậu quả là quỹ đất nông nghiệp bị suy giảm nghiêm trọng. Cơ cấu các loại đất sản xuất nông nghiệp của huyện Đông Anh cũng thay đổi nhanh chóng từ năm 1995 đến năm 2011, bao gồm đất trồng lúa, đất trồng cây lâu năm như cây ăn quả và diện tích mặt nước dùng vào nông nghiệp. Sự biến đổi đất sản xuất nông nghiệp của huyện Đông Anh từ năm 1995 đến năm 2011 được thể hiện qua Bảng 2.1. Giai đoạn diện tích lúa giảm nhiều nhất là 2006 - 2011: 591,69 ha, tốc độ giảm là 118,34 ha/năm. Trong khi, diện tích các loại đất khác thì tăng lên, tăng nhiều nhất là diện tích đất trồng cây hàng năm khác do người dân đã tận dụng phần đất bồi ven sông và giữa sông để trồng trọt. Tuy nhiên giai đoạn 2006 – 2011 thì phần diện tích này lại giảm đi. Thay vào đó, diện tích mặt nước để nuôi trồng thủy sản lại tăng lên. 8400 8800 9200 9600 10000 10400 1990 1995 2000 2005 2007 2011 Diện tích (ha) Năm Xu hƣớng biến đổi đất nông nghiệp huyện Đông Anh 30 Diện tích đất sản xuất nông nghiệp năm 1995 là 9.989,10 ha đến năm 2011 diện tích này giảm xuống còn 8.600,25 ha, trung bình mỗi năm giảm đi 86,8 ha/năm. Trong đó, đất trồng lúa bị giảm nhiều nhất, trong vòng 16 năm từ năm 1995 đến năm 2011, diện tích này đã giảm đi 97,3 ha/ năm. Bảng 2.1: Biến đổi các loại đất nông nghiệp của Đông Anh qua các năm Đơn vị: ha Loại đất 1995 2000 2006 2011 1 Đất sản xuất nông nghiệp 9989,02 9366 9209,10 8600,25 2 Đất trồng lúa 9062,90 8547,05 8097,69 7506 3 Đất trồng cây lâu năm 43,04 142,13 188,08 203,51 4 Đất trồng cây hàng năm khác 566,75 819,02 923,33 890,58 5 Diện tích mặt nước dùng vào nông nghiệp 316,33 496,8 550,20 613,34 Nguồn: Phòng Tài nguyên-môi trường huyện Đông Anh [10] Việc sử dụng đất sản xuất nông nghiệp của huyện Đông Anh không đồng đều giữa các xã. Xã có diện tích đất nông nghiệp lớn nhất là xã Xuân Nộn có 614,19 ha, chiếm 7% so với tổng diện tích đất sản xuất nông nghiệp của toàn huyện, thấp nhất là thị trấn Đông Anh chỉ có 45,70 ha [10]. Toàn huyện có 84,27 ha đất nông nghiệp canh tác không hiệu quả nằm xen kẽ giữa các xã: Dục Tú, Liên Hà, Vân Hà, Thụy Lâm, Xuân Nộn, Việt Hùng, Uy Nỗ, Vân Nội, Xuân Canh, Nguyên Khê, Võng La và Hải Bối [4]. Việc sử dụng đất nông nghiệp không hiệu quả là do người dân bỏ ruộng không còn canh tác nữa. Trước thực trạng suy giảm đất nông nghiệp và sử dụng kém hiệu quả để đảm bảo vấn đề an ninh lương thực, phát huy hiệu quả sử dụng đất, Ủy ban nhân dân huyện Đông Anh đã khuyến khích người dân áp dụng các biện pháp thâm canh, quan tâm đầu tư để khắc phục tình trạng bỏ ruộng không canh tác [1]. 31 2.2 Phân loại định hướng đối tượng ảnh vệ tinh đa độ phân giải 2.2.1 Xây dựng bảng chú giải Việc xác định hệ thống phân loại là công việc đầu tiên rất quan trọng khi áp dụng viễn thám để xây dựng bản đồ sử dụng đất cũng như bản đồ lớp phủ. Hệ thống bảng chú giải phân loại cần phải phù hợp với khả năng cung cấp thông tin của dữ liệu viễn thám [7]. Thiết lập chú giải không chỉ dựa vào các đối tượng nhìn thấy trên ảnh, mà còn phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác: độ phân giải của ảnh viến thám, tính chất mùa vụ, thời gian chụp của vệ tinh, những kiến thức hiểu biết về địa phương, Với nguồn dữ liệu hiện có và những hiểu biết về địa phương học viên xây dựng bảng chú giải cho xây dựng bản đồ lớp phủ như Bảng 2.2: Bảng chú giải Bảng 2.2: Bảng chú giải TT Đối tƣợng Mẫu Ảnh thực địa 1 Mặt nước (sông suối + ao hồ) 2 Đất dân cư (khu công nghiệp + dân cư + đang xây dựng) 3 Đất ông nghiệp (đất lúa + hoa màu) 4 Đất trống (bãi cát ven và giữa sông) 32 2.2.2 Qui trình phân loại ảnh Các bước tiến hành xử lý dữ liệu phục vụ cho việc nghiên cứu được thực hiện trình tự theo sơ đồ Hình 2.4 bên dưới: Hình 2.4: Sơ đồ quy trình phân loại ảnh Bƣớc 1: Nắn chỉnh hình học Các ảnh vệ tinh và bản đồ sử dụng đất huyện Đông Anh tỷ lệ 1/25.000 được nắn chỉnh về hệ tọa độ VN-2000 theo bản đồ địa hình Hà Nội tỷ lệ 1/10.000 năm 2000. Các ảnh Landsat TM và ETM chỉ cần chuyển từ hệ tọa độ WGS-84 sang hệ tọa độ VN-2000. Còn ảnh Spot 5 thì phải chọn điểm khống chế để nắn. Các điểm khống chế được chọn cho mỗi ảnh nắn với sai số trung phương nhỏ nhất không quá 0,5 pixel. Bƣớc 2: Cắt ảnh khu vực nghiên cứu Ảnh vệ tinh được cắt theo ranh giới của khu vực nghiên cứu là huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội. Ảnh được trộn mầu theo các cách khác nhau sao cho các đối tượng trên ảnh được hiển thị một các rõ nhất. Ảnh Landsat 1993, 1999, 2005 Ảnh Spot5 2011 Bản đồ SDĐ Hà Nội 2005 Bản đồ lớp phủ Kiểm tra thực địa Sử dụng các kênh chỉ số Bản đồ địa hình Hà Nội 1/10.000 Nắn chỉnh hình học Hệ tọa độ VN-2000 Cắt ảnh khu vực nghiên cứu Phân loại hướng đối tượng Kết quả phân loại Kiểm tra độ chính xác 33 a b c d Hình 2.5: Các ảnh vệ tinh: a- Landsat TM năm 1993, b- Landsat TM năm 1999, c- Landsat ETM năm 2005, d- Spot 5 năm 2011 Bƣớc 3: Phân loại theo phƣơng pháp Định hƣớng đối tƣợng - Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh thực chất là gộp nhóm những pixel cạnh nhau có những đặc điểm tương tự nhau về thông tin phổ và không gian [20, 23]. Phân đoạn ảnh được thực hiện dựa trên việc lựa chọn các trọng số về hình dạng (shape), màu sắc (color), độ chặt (compactness), độ trơn (smoothness). Ngoài ra, tham số tỷ lệ (scale parameter) là một thông số quan trọng có tác động trực tiếp tới kích thước của mỗi 34 đối tượng ảnh. Tùy thuộc vào các loại ảnh vệ tinh khác nhau mà các tham số này thay đổi. Chất lượng của việc phân loại ảnh phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng của việc phân đoạn ảnh [18]. Quá trình phân đoạn ảnh được thực hiện trên phần mềm eCognition 8.64 theo các thông số sau: ảnh Spot5, thông số tỷ lệ: 15, hình dạng: 0,7 và độ chặt: 0,3; với ảnh Landsat TM và ETM, thông số tỷ lệ: 5, tỷ lệ: 0,5 và độ chặt: 0,2. Cho ra kết quả phân đoạn ảnh theo Hình 2.6 Hình 2.6: Phân đoạn ảnh Landsat và Spot - Phân loại ảnh Để có được kết quả phân loại tốt thì việc chọn thuật toán và các giá trị ngưỡng là yếu tố quyết định. Sau khi phân đoạn ảnh thì tiến hành phân loại ảnh. Trước tiên phải xác lập bộ quy tắc phân loại cho các ảnh viễn thám. Học viên đã xây dựng bộ quy tắc phân loại chung Hình 2.7, tùy thuộc vào từng ảnh cụ thể mà thay đổi các ngưỡng giá trị của từng thuật toán phân loại. Từ các tài liệu học viên thu thập được và những hiểu biết chung nhất về huyện Đông Anh, học viên đã xác định và chiết suất các đối tượng: dân cư, đất lúa, đất trống, hoa màu, khu công nghiệp, mặt nước ở trên ảnh vệ tinh. 35 Hình 2.7: Bộ qui tắc để phân loại ảnh Mục đích nghiên cứu của luận văn là phân tích sự biến đổi đất nông nghiệp nên các đối tượng sau khi phân loại từ ảnh đã được gộp lại như bảng chú giải, thành 4 đối tượng chính: dân cư bao gồm: dân cư + khu công nghiệp và phần đất đang xây dựng; đất nông nghiệp: đất lúa + hoa màu; mặt nước, và đất trống. Trong đó: đất trống là khu vực bãi cát trống ở giữa sông Hồng. 36 - Kết quả phân loại ảnh Sau quá trình phân loại cho ra các kết quả phân loại ảnh như Hình 2.8 (a) (b) (c) (d) Hình 2.8: Kết quả phân loại ảnh: (a)-LandsatTM 1993; (b)-Landsat TM 1999; (c)-Landsat ETM 2005; (d)-Spot 5 2011 2.3 Kiểm chứng độ chính xác phân loại ảnh vệ tinh Kết quả phân loại ảnh được kiểm chứng theo nhiều phương pháp khác nhau. Học viên lựa chọn hai phương pháp: thực địa kiểm chứng và kiểm chứng trong phòng. Kiểm chứng trong phòng bằng cách so sánh kết quả phân loại năm 2005 với bản đồ sử dụng đất của huyện Đông Anh năm 2005. Kiểm chứng thực địa cùng với bảng hỏi điều tra về nông lịch để kiểm chứng cho ảnh năm 2011. 37 2.3.1. Kiểm chứng độ chính xác trong phòng Độ chính xác của kết quả phân loại là yếu tố quyết định đến việc phân tích các nội dung chuyên đề đúng hay sai. Kiểm tra độ chính xác của kết quả phân loại bằng ma trận sai số và hệ số Kappa. Để kiểm tra độ chính xác, học viên đã dùng phương pháp lựa chọn số ô mẫu. Số lượng ô mẫu được tính theo công thức sau: [37]. Trong đó: N là số lượng ô mẫu, Z =2 từ độ lệch chuẩn thông thường của 1,96 cho 95% độ tin cậy, E là sai số cho phép, p là phần trăm độ chính xác kỳ vọng của toàn bản đồ, q = 100 – p. Việc lựa chọn số ô mẫu dùng để kiểm chứng phụ thuộc vào số lớp đối tượng muốn kiểm chứng, diện tích khu vực nghiên cứu. Theo kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu, đối với những bản đồ có diện tích nhỏ hơn 4000 ha và nhỏ hơn 12 lớp thì số lượng ô mẫu nhỏ nhất là 50 ô [37]. Hệ số Kappa được tính toán theo công thức sau: [30] Trong đó: r là số hàng trong ma trận, xii là số giá trị trong hàng i và cột I, xi+ và x+I là tổng giá trị của hàng i và cột i, trong đó chú ý N là tổng số các giá trị. Giá trị của hệ số Kappa thể hiện độ chính xác của kết quả phân loại như sau: Độ chính xác rất thấp: < 0,20 Độ chính xác thấp: 0,20 – 0,40 Độ chính xác trung bình: 0,40 – 0,60 Độ chính xác cao: 0,60 – 0,80 Độ chính xác rất cao: 0,80 – 1,00 Học viên đã tính số lượng ô mẫu cho khu vực nghiên cứu là 51 ô với độ chính xác kỳ vọng là 85%, sai số chấp nhận là 10%. Diện tích ô mẫu bằng 2% so 38 với tổng diện tích tự nhiên của toàn khu vực nghiên cứu [37]. Và vị trí của các ô mẫu được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Hình 2.9: Sơ đồ vị trí các ô mẫu Sau khi thành lập bảng ma trận sai số từ kết quả phân loại ảnh và bản đồ sử dụng đất thì sẽ cho thấy sai số của từng lớp đối tượng và sai số tổng thể. Từ bảng ma trận Bảng 2.3, học viên tính sai số tổng quát và hệ số Kappa. Bảng 2.3: Bảng ma trận sai số năm 2005 Dân cƣ Nông nghiệp Đất trống Mặt nƣớc Tổng hàng User Dân cƣ 3024900 418500 4500 12600 3460500 0,87 Nông nghiệp 253800 6660900 9000 110700 7034400 0,95 Đất trống 0 6300 87300 3600 97200 0,90 Mặt nƣớc 28800 106200 12600 893700 1041300 0,86 Tổng cột 3307500 7191900 113400 1020600 11633400 Producer 0,91 0,93 0,77 0,88 39 Độ chính xác tổng quát = 0,916 Hệ số Kappa = 0,844 Độ chính xác tổng thể và hệ số Kappa rất cao. Chứng tỏ độ tin cậy của kết quả phân loại của ảnh này năm 2005 rất cao và đủ cơ sở để phân tích các yếu tố chuyên đề. 2.3.2. Kiểm chứng ngoài thực địa Các ảnh vệ tinh dùng trong luận văn là tháng 12 nên chuyến thực địa của học viên được lựa chọn vào tháng 12 năm 2012. Đây là thời gian lúa đã được gặt và một số xã đã chuyển sang trồng rau màu. Số điểm thực địa được lựa chọn là 27 điểm. Các điểm được lựa chọn để đi thực địa là những điểm đặc trưng cho sự chuyển đổi mục đích sử dụng đất, cho khu vực không chuyển đổi về mục đích sử dụng và những khu vực có sự phát triển mạnh về công nghiệp, đô thị. Kết hợp với quá trình thực địa kiểm tra kết quả phân loại là điều tra về nông lịch. Phiếu điều tra nông lịch được học viên thiết kế như hình Hình 2.10 bên dưới. Phiếu điều tra nông lịch bao gồm cả điều tra về lịch sử sử dụng đất trước và sau năm 2010. Kết quả của việc điều tra nông lịch là huyện Đông Anh 1 năm trồng 3 vụ, trong đó có 2 vụ lúa và 1 vụ đông trồng rau màu. Lúa hè thu từ tháng 8 đến tháng 11, vụ lúa đông xuân từ tháng 2 tới tháng 5 và vụ rau màu từ tháng 12 đến tháng 1. 40 Hình 2.10: Phiếu điều tra ngoài thực địa a b c d e f Hình 2.11: Một số hình ảnh thực địa: (a) – ruộng trồng rau màu, (b)- ruộng lúa đã gặt, (c)- khu sản xuất nhỏ, (d)- ao bèo, (e)- cụm dân cư, (f)- bãi hoa màu ven sông. 41 Biên tập: HV. Tống Thị Huyền Ái Hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Cự Hình 2.12: Sơ đồ tuyến thực địa trên ảnh Spot 5 năm 2011 Từ việc kiểm tra ngoài thực địa, học viên đã gộp các nhóm đối tượng kết quả phân loại ảnh thành bản đồ lớp phủ của các năm 1993, 1999, 2005 và 2011. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu sự biến đổi đất nông nghiệp nên được học viên tách lớp đất nông nghiệp để đo đạc trắc lượng hình thái. 42 43 44 45 46 2.4 Tính toán đặc điểm trắc lượng lớp phủ đất nông nghiệp huyện Đông Anh Tính toán đặc điểm trắc lượng hình thái của đối tượng lớp phủ đất nông nghiệp được gộp thành các nhóm theo thành phần cấu trúc để mô tả và tính toán các đặc điểm không gian của các mảnh [27, 48]. Lớp đất nông nghiệp được tách riêng từ kết quả phân loại ảnh năm 1993, 1999, 2005 và 2011, và được phân tích bằng công cụ Patch Analysis 4 trên phần mềm ArcGIS 9.3. Sau khi chạy thì có 31 chỉ số và được gộp thành 6 nhóm: 1- chỉ số về diện tích mảnh, 2- chỉ số về mật độ và kích