NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH RADAR TRONGXÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TỈNH HÒA BÌNH Lịch sử phát triển của loài người gắn liền với rừng và sử dụng rừng. Từ xa xưa rừng là nguồn cung cấp nguyên liệu thô cho xây dựng, giao thông, là nguồn thực phẩm cho con người. Việc bảo vệ và phát triển rừng có ý nghĩa quan trọng trong sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia cũng như toàn thế giới. Rừng không chỉ là bể chứa các bon giúp giảm nhẹ biến đổi khi hậu mà còn duy trì sự tuần hoàn của nước, giảm nhẹ thiên tai. Để quản lý, bảo vệ và phát triển rừng thì dữ liệu điều tra, đánh giá rừng là hết sức quan trọng. Ở nước ta việc điều tra, đánh giá tài nguyên rừng được thực hiện theo chu kỳ 05 năm, chu kỳ điều tra kéo dài này có thể dẫn đến sự sai lệch giữa báo cáo với tình hình thực tế của hiện trạng rừng do việc khai thác và phát triển rừng diễn ra trong chu kỳ điều tra. Với việc sử dụng dữ liệu viễn thám quang học vào công tác điều tra, kiểm kê rừng, thì việc tăng tần xuất điều tra rừng là không khả thi vì một trong các hạn chế của ảnh quang học là việc chụp ảnh phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Bản đồ Viễn thám, Khoa Địa
lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Phạm Văn Cự PGS.TS Nguyên Ngọc Thạch
Phản biện 1:
……….………
……… Phản biện 2:
………
……… Phản biện 3:
………
………
Luận án sẽ được bảo vệ trược hội đồng khoa học cấp nhà nước chấm luận án tiến sỹ họp tại……… Vào hồi…………giờ……ngày……tháng……… năm………
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin – Thư viện , Đại học Quốc gia Hà Nội
Trang 31
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết
Lịch sử phát triển của loài người gắn liền với rừng và sử dụng rừng
Từ xa xưa rừng là nguồn cung cấp nguyên liệu thô cho xây dựng, giao thông, là nguồn thực phẩm cho con người Việc bảo vệ và phát triển rừng có ý nghĩa quan trọng trong sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia cũng như toàn thế giới Rừng không chỉ là bể chứa các bon giúp giảm nhẹ biến đổi khi hậu mà còn duy trì sự tuần hoàn của nước, giảm nhẹ thiên tai
Để quản lý, bảo vệ và phát triển rừng thì dữ liệu điều tra, đánh giá rừng là hết sức quan trọng Ở nước ta việc điều tra, đánh giá tài nguyên rừng được thực hiện theo chu kỳ 05 năm, chu kỳ điều tra kéo dài này có thể dẫn đến sự sai lệch giữa báo cáo với tình hình thực tế của hiện trạng rừng do việc khai thác và phát triển rừng diễn ra trong chu kỳ điều tra Với việc sử dụng dữ liệu viễn thám quang học vào công tác điều tra, kiểm kê rừng, thì việc tăng tần xuất điều tra rừng là không khả thi vì một trong các hạn chế của ảnh quang học là việc chụp ảnh phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết
Để khắc phục hạn chế nêu trên, hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dữ liệu viễn thám siêu cao tần hay còn gọi là viễn thám radar trong công tác điều tra đánh giá thực phủ trên thế giới do chụp ảnh radar không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết
Vấn đề đặt ra trong đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh RADAR trong xác định sinh khối rừng tuy không phải là vấn đề mới đối với thế giới, tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới cho đến nay tập trung chủ yếu vào rừng phía bắc (boreal forest) với chủng loại thông mà
Trang 42
chưa có nhiều nghiên cứu đối với rừng nhiệt đới Hơn nữa, độ chính xác xác định sinh khối rừng bằng dữ liệu ảnh RADAR phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố ngoại cảnh như trữ lượng rừng, đặc điểm sinh thái rừng, các điều kiện môi trường (khí hâu, địa hình ) Do vậy để áp dụng công nghệ này cho việc xác định sinh khối rừng ở Việt Nam cần có các nghiên cứu về cơ sở khoa học của phương pháp, lựa chọn thông số kỹ thuật của dữ liệu Chính vì vậy tôi đề xuất “Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh radar trong xác định sinh khối rừng tỉnh Hòa Bình”
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu
Xây dựng cơ sở khoa học cho việc lựa chọn phương pháp và dữ liệu viễn thám siêu cao tần phù hợp trong xác định sinh khối rừng ở Việt Nam
Đánh giá khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám siêu cao tần đối với xác định sinh khối lớp phủ rừng trên mặt đất của Việt Nam
- Thử nghiêm xác định sinh khối rừng trên mặt đất tại tỉnh Hòa Bình sử dụng dữ liệu ENVISAT ASAR và ALOS PALSAR;
Trang 5Luận án nghiên cứu dựa trên dữ liệu năm 2009
Về đối tƣợng nghiên cứu:
Sinh khối trên mặt đất của rừng;
Đặc tính tương tác tia RADAR và lớp phủ rừng;
Phương pháp tính sinh khối rừng
Những điểm mới của Luận án
- Đưa ra được sự lựa chọn tối ưu cho dữ liệu phân cực (HH và HV) trong bài toán đánh giá sinh khối trên mặt đất của rừng khu vực nghiên cứu;
- Phương pháp tích hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau một cách có lựa chọn để nâng cao độ chính xác tính sinh khối trên mặt đất của rừng;
- Chỉ ra ngưỡng bão hòa của tán xạ ngược trên ảnh radar đối với sinh khối rừng khu vực nghiên cứu;
Trang 64
- Chỉ ra ngưỡng giới hạn thấp nhất của sinh khối, ngưỡng mà tán
xạ ngược của nền đất ành hưởng lớn đến kết quả xác định sinh khối
- Kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất bằng dữ liệu viễn thám siêu cao tần cho đối tượng đặc thù là rừng tỉnh Hòa Bình
Luận điểm bảo vệ
- Sử dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần với các phương thức phân cực HH, HV cho phép đánh giá sinh khối trên mặt đất cho
cả rừng trồng và rừng tự nhiên tại khu vực nghiên cứu
- Phối hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau sẽ góp phần tăng độ chính xác trong tính sinh khối rừng trên mặt đất sử dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần
CHƯƠNG 1: SINH KHỐI RỪNG VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TRÊN MẶT ĐẤT 1.1 Sinh khối thực vật
Sinh khối thực vật được hiểu là khối lượng các vật chất hữu cơ còn sống hay đã chết của thực vật có thể chưa khô (sinh khối tươi), tuy nhiên phổ biến được hiểu là trọng lượng khô của thực vật
Theo Brown, 1997, sinh khối thực vật được định nghĩa là tất cả các thành phần sống của thực vật ở trên mặt và dưới mặt đất cả cây bụi, cây non, bao gồm cành, lá, vỏ cây và các thực vật đã chết và được biểu thị bằng đơn vị là tấn hoặc mega-gram Sinh khối rừng bao gồm: sinh khối trên bề mặt đất (AGB); sinh khối dưới bề mặt đất; khối vật chất hữu cơ
Trang 75
đã chết; rác vụn
Hình 1 1 Các thành phần sinh khối trên mặt đất và dưới mặt đất
Để tính sinh khối rừng có hai phương pháp đó là xác định trực tiếp thông qua các thông số đo đếm kích thước của cá thể thực vật ngoài thực địa và phương pháp gián tiếp thông qua các trị đo viễn thám
1.2 Tổng quan rừng Việt Nam
Hệ sinh thái rừng Việt Nam hết sức phong phú, Thái Văn Trừng căn cứ vào quan điểm sinh thái phát sinh quần thể thực vật để phân loại thảm thực vật rừng Việt Nam thành 14 kiểu thảm thực vật chia làm 5 nhóm kiểu rừng chính gồm có: các kiểu rừng kín vùng thấp; các kiểu rừng thưa; các kiểu trảng truông; các kiểu rừng kín vùng cao; các kiểu quần hệ khô lạnh vùng cao Thực vật rừng của chúng ta hết sức phong phú với khoảng 11.373 loài thực vật thuộc 2524 chi và 378 họ Các nhà thực vật học dự đoán con số loài thực vật ở nước ta còn có thể lên đến 15.000 loài
Rừng nước ta có biến động rất lớn trong những năm gần đây với 14,3 triệu ha rừng, độ che phủ là 43% năm 1943 giảm xuống còn 9,18
Trang 86
triệu ha, độ che phủ rừng 27,2% năm 1990 và tăng lên 13.258.843 ha với độ che phủ đạt 38% năm 2009 Rừng nước ta có độ che phủ lớn nhưng sản lượng gỗ thấp với bình quân khoảng 75 m3.ha so với thế giới con số này là 110 m3
Hiện nay nghiên cứu ứng dụng viễn thám radar trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất có ba phương pháp chính căn cứ theo trị đo sử dụng
Phương pháp ước tính sinh khối dựa trên cường độ tán xạ: Phương pháp này dựa trên cơ sở sóng radar với bước sóng dài có khả năng xuyên vào sâu trong tán lá và tương tác với các thành phần của cây như
lá, cuống cành và thân cây Khi tương tác với các thành phần khác nhau của cây với hằng số điện môi tương đối khác nhau sẽ làm thay đổi thuộc tính của tia phản hồi về cường độ và phân cực, những thay đổi này tương quan với thuộc tính của cây hay nói cách khác tia phản hồi mang thông tin về sinh khối của cây nhờ đó có thể tính được sinh khối của lớp phủ thực vật trên mặt đất
Phương pháp ước tính sinh khối dựa trên giá trị tương quan (coherence image) giữa hai ảnh SAR Việc tính toán sinh khối trên mặt
Trang 97
đất lớp phủ rừng dựa trên giả thiết, thực vật với sinh khối lớn có sự ổn định cao và ít bị tác động của môi trường (gió, mưa) nên giá trị tương quan cao trên ảnh hơn so với thực vật có sinh khối thấp hơn
Phương pháp ước tính sinh khối dựa trên trị đo pha Phương pháp này dựa trên cơ sở tia radar với bước sóng khác nhau có khả năng đâm xuyên vào thực phủ với độ sâu khác nhau hay tâm tán xạ khác nhau Với kỹ thuật giao thoa có thể tính toán được độ cao của tâm tán xạ Khi kết hợp dữ liệu với bước sóng khác nhau sẽ cho phép xác định các thông
số chiều cao cũng như độ dày của tán là từ đó tính ra sinh khối rừng trên mặt đất
1.3.2 Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối rừng ở Việt Nam
Việc ứng dụng dữ liệu viễn thám trong công tác điều tra, kiểm kê rừng đã được thực hiện rộng rãi ở nước ta cũng như trên thế giới Tuy nhiên việc ứng dụng dữ liệu viễn thám trong xác định trực tiếp sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng thì không có nhiều và chủ yếu với ảnh viễn thám quang học Một số nghiên cứu có thể kể đến như của Nguyễn Viết Lương cho rừng khu vực Tây Nguyên và của Nguyễn Thị Hồng Điệp và Lê Quang Toan cho rừng ngập mặn
1.4 Lựa chọn phương pháp xác định sinh khối rừng ở Việt Nam
Bảng 1.1 so sánh các thuận lợi và khó khăn của ba phương pháp xác định sinh khối trên mặt đất của rừng bằng dữ liệu radar Bảng thể hiện phương pháp xác định sinh khối rừng bằng giá trị tán xạ ngược trên ảnh có khá nhiều ưu điểm hơn so với hai phương pháp còn lại
Điều bất lợi nhất của phương pháp này so với hai phương pháp còn lại là ngưỡng bão hòa của giá trị tán xạ với sinh khối rừng nhỏ hơn Tuy nhiên với sinh khối rừng trên mặt đất không lớn của Việt Nam thì bất lợi
Trang 10xạ
Hệ số tương quan
thuộc
Phụ thuộc Phụ thuộc Điều kiện cung cấp
dữ liệu
Không hạn chế
Hạn chế Hạn chế Địa hình Phụ thuộc Phụ thuộc Phụ thuộc
Sự dịch chuyển của
địa hình Ít phụ thộc Phụ thuộc Phụ thuộc Điều kiện thời tiết Ít phụ thuộc Phụ thuộc Phụ thuộc Khí quyển Ít phụ thuộc Phụ thuộc Phụ thuộc Chính vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào phương pháp xác định sinh khối trên mặt đất của rừng Viêt Nam dựa vào trị đo tán xạ ngược của ảnh radar với mong muốn đưa ra những bằng chứng khoa học trong việc ứng dụng công nghệ này trong xác định sinh khối lớp phủ rừng tại nước ta
CHƯƠNG 2: SAR VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI
2.1 Đặc tính vật lý ảnh radar
Viễn thám siêu cao tần hay viễn thám radar là phương pháp viễn
Trang 119
thám chủ động hoạt động trong dải siêu cao tần của quang phổ sóng điện từ Hệ thống viễn thám radar chủ động phát đi các tín hiệu dưới dạng xung điện từ và ghi lại phần năng lượng phản xạ (tán xạ ngược) của tín hiệu đó sau khi tương tác với các đối tượng bề mặt Các thông số
có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng đến tín hiệu phàn hồi của hệ thống radar khi tương tác với thực vật gồm chiều dài bước sóng, phân cực và góc tời
Chiều dài bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh của giao động sóng hình sin Sóng radar có bước sóng ngắn như kênh X và kênh C khó
có thể xuyên sâu vào trong vòm là của tán cây rừng dày đặc trái lại sóng radar có bước sóng dài như kênh L hay kênh P thì có thể xuyên sâu vào trong vòm lá hơn
Phân cực của sóng là hướng của trường điện của sóng điện từ truyền và nhận bởi ăng ten Khi sóng radar tương tác với thực phủ có thể
đi sâu vào trong vòm lá và bị phân cực bời các thành phần của vòm lá
và phản xạ sóng radar theo nhiều hướng khác nhau, quá trình này thường được gọi là tán xạ khối
Góc tới là góc giữa tia tới và bề mặt trái đất Góc này phụ thuộc vào
độ cao của ăng ten và tăng dần theo khoảng cách từ điểm đáy ảnh tới địa vật hay phụ thuộc vào cấu hình chụp ảnh Tia radar với góc tới nhỏ thường đâm xuyên vào trong vòm cây sâu hơn, trong khi đó cường độ tán xạ ngược có chiều hướng tỷ lệ nghịch với sự tăng lên của góc tới
2.2 Các vấn đề trong xử lý ảnh radar
2.2.1 Định chuẩn ảnh (data calibration)
Anh radar gốc hay là ảnh xử lý mức 1 tại các trạm thu ảnh cho giá trị điểm ảnh dưới dạng số (Digital Number-DN) Muốn nghiên cứu các thông tin về đối tượng chụp được từ ảnh radar cần phải tính chuyển về
Trang 12- DN là giá trị số của điểm ảnh;
- k là hằng số kiểm định tuyệt đối;
2.2.2 Hiệu chỉnh hình học
Hiệu chỉnh hình học nhằm hiệu chỉnh các sai số do ảnh hưởng của cấu hình chụp nghiêng của hệ thống radar, chênh cao địa hình tới vị trí điểm và chuyển tọa độ các điểm ảnh từ hệ tọa độ không gian ảnh sang một hệ tọa độ, hệ quy chếu xác định
2.2.3 Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến giá trị tán xạ trên ảnh (radiometric normalization)
Với cấu hình chụp nghiêng ở khu vực có chênh cao địa hình thì giá trị tán xạ ngược thường quá mạnh ở các sườn núi quay về hướng ăng ten trong khi đó lại yếu ở các sườn núi quay ngược với hướng ăng ten Để hiệu chỉnh hiện tượng này cần phải tiến hành hiệu chỉnh giá trị tán xạ ngược trên ảnh để loại bỏ ảnh hưởng của địa hình tới trị tán xạ trên ảnh
Trang 13đa dạng về kích thươc, hướng, hằng số điện môi của các thành phần của cây sẽ hấp thụ và tán xạ sóng radar Vì sinh khối của thực vật cũng là hàm của các thành phần của cây bao gồm kích thước, độ ẩm, các thông
số có quan hệ trực tiếp với tín hiệu tán xạ ngược thu nhận tại đầu thu SAR, do vậy dựa vào trị đo SAR có thể xác định được giá trị sinh khối của thực vật
2.3.2 Cơ chế tán xạ của rừng đối với sóng radar
Tán xạ của thực vật là tổng tán xạ từ các cơ chế tán xạ gồm:
- Tán xạ trực tiếp tại các ngọn cây (1);
- Tán xạ trực tiếp tại thân cây- mặt đất (2);
- Tán xạ tại thân cây (3);
- Tán xạ nhiều lần thân cây-mặt đất (4);
- Suy giảm tại mặt đất (5);
- Tán xạ trực tiếp tại mặt đất (6)
Độ lớn của các thành phần tán xạ phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, sự phân cực của sóng, góc tới của tia radar, sự đa dạng của địa hình và thông số của thực phủ
Trang 1412
Hình 2 1: Tán xạ radar của thực phủ rừng
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM TÍNH SINH KHỐI TRÊN MẶT ĐẤT TỈNH HÒA BÌNH
3.1 Khái quát khu vực thực nghiệm
Tỉnh Hòa Bình nằm phía tây Bắc Việt Nam có ranh giới phía Tây giáp với Lào, phía Đông giáp với Hà Nội, phía bắc giáp với Sơn La, phía nam giáp với Thanh Hóa Hòa Bình có tổng cộng 10 huyện và 1 Thành Phố (thành phố Hòa Bình) với tổng diện tích tự nhiên là 469.912,2 ha, diện tích có rừng là 208.922,1 ha
Nếu tiếp cận theo hệ sinh thái thì rừng tỉnh Hòa Bình thuộc Hệ sinh thái rừng lá rộng thường xanh trên núi đá vôi Hệ thực vật vùng núi đá vôi mang tính chất pha trộn của nhiều luồng thực vật nhưng đặc trưng
cơ bản là luồng thực vật bản địa Bắc Việt Nam - Nam Trung Hoa, đồng thời cũng chịu nhiều ảnh hưởng của các luồng thực vật khác
Phần lớn diện tích rừng của Hòa Bình là rừng tự nhiên, diện tích này chiếm đến 55,8% diện tích rừng của toàn tỉnh, trong đó diện tích rừng non phục hồi chiếm phần lớn diện tích rừng tự nhiên
Trang 1513
Với đặc điểm của rừng tỉnh Hòa Bình ta có thể thấy một số điểm lưu ý khi ứng dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần để tính sinh khối trên mặt đất rừng của tỉnh Hòa Bình như sau:
Rừng tỉnh Hòa Bình nằm ở địa hình núi đá vôi với địa hình phức tạp có độ dốc lớn nên khi xử lý ảnh radar cần phải hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến vị trí điểm ảnh cũng như tán xạ ngược trên ảnh
Tỉnh Hòa Bình có diện tích rừng trồng lớn (hơn 92 nghìn ha), rừng này với đặc điểm là chu kỳ thu hoạch chỉ từ 5 đến 7 năm nên cần chú ý
số liệu ô kiểm định và thời điểm chụp ảnh phải gần nhau để tránh sai số
do sự sai khác về hiện trạng rừng đo tại
dụng 84 ô tiêu chuẩn đo đếm
các thông số cây Sinh khối
rừng tại vị trí các ô tiêu chuẩn
được tính bằng công thức
chuyển đổi
3.2.3 Dữ liệu bản đồ
Trong thực nghiệm này
sử dụng bản đồ hiện trạng rừng tỉnh Hòa Bình ở tỷ lệ 1: 50 000 do Viện
Trang 1614
Điều tra Quy hoạch rừng thành lập phục vụ cho mục tiêu điều tra, kiểm
kê tài nguyên rừng chu kỳ 4 Bản đồ được thành lập sử dụng ảnh viễn thám Spot 5 với độ phân giải 2,5x2,5m để giải đoán và xây dựng bản đồ hiện trạng rừng
- Đo giá trị tán xạ ngược
tại vị trí các ô tiêu chuẩn;
