Đánh giá tài nguyên du lịch tự nhiên phục vụ phát triển du lịch cuối tuần Hà Nội

Với các lý do nêu trên, việc áp dụng phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn, góp phần sử dụng hợp lý, bảo vệ t

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Ảnh vệ tinh sử dụng trong luận án 8

Bảng 2 Các bản đồ chuyên đề được sử dụng 9

Bảng 1.1 Điểm mạnh, yếu của các kỹ thuật thành lập bản đồ thực vật khác nhau 24

Bảng 2.1 Các mức thông tin khai thác – chú giải bản đồ 49

Bảng 2.2 Ðộ phân tách mẫu 55

Bảng 2.3 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo cấp độ cao 64

Bảng 2.4 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo cấp độ dốc 64

Bảng 2.5 Hệ số chuẩn hóa ảnh 72

Bảng 2.6 Thống kê diện tích hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 73

Bảng 2.7 Chỉ số biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 83

Bảng 3.1.So sánh mô hình raster và vector trong mô hình hóa xói mòn trên GIS 98

Bảng 3.2 Bảng tra C theo Hội khoa học đất quốc tế .112

Bảng 3.4 Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc tế 114

Bảng 3.5 Phân cấp xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc 115

Bảng 3.6 Phân cấp xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 117

Bảng 4.1 Biến động xói mòn 1989-1997 132

Bảng 4.2 Biến động xói mòn 1997-2001 132

Bảng 4.3 Biến động lớp phủ thực vật và biến động xói mòn năm 1989-1997 136

Bảng 4.4 Biến động lớp phủ thực vật và biến động xói mòn năm 1997-2001 137

Bảng 4.5 Phân cấp xói mòn và xói mòn tiềm năng 148

Bảng 4.6 Tính toán mức độ ưu tiên cho các vị trí qui hoạch 151

Bảng 4.7 Diện tích các biện pháp qui hoạch lưu vực sông Trà Khúc 154

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Qui hoạch và vấn đề sử dụng hợp lí tài nguyên đất tiếp cận qua quá trình

xói mòn 5

Hình 2 Phương pháp nghiên cứu 6

Hình 1.1 Các xu hướng nghiên cứu xói mòn hiện đại 15

Hình 1.2.Thành lập bản đồ thực vật trong ba thập niên gần đây 23

Hình 1.3 Vị trí lưu vực sông Trà Khúc 35

Hình 1.4 Phân cấp độ cao và mạng lưới dòng chảy lưu vựcsông Trà Khúc 38

Hình 2.1 Phản xạ phổ của đất, nước và thực vật 42

Hình 2.2 Các Phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật từ ảnh

viễn thám 45

Hình 2.3 Sơ đồ các bước xử lý ảnh 50

Hình 2.4 a DEM; b Góc tới cục bộ lưu vực sông Trà Khúc cho ảnh chụp năm 2001 53

Hình 2.5 a Ảnh chưa nắn chỉnh địa hình; b Ảnh đã hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến bức xạtheo mô hình Lambert 54

Hình 2.6 Phân bố các mẫu trên không gian kênh 4 và kênh 3,

lưu vực sông Trà Khúc 55

Hình 2.7 Histogram ảnh chỉ số thực vật 57

Hình 2.8 Ảnh chỉ số thực vật 58

a Ảnh tổ hợp màu giả ; b NDVI; c SR; d SAVI ; e GEMI ; f ARVI 58

Hình 2.9 Phản xạ phổ của các đối tượng dưới pixel 60

Hình 2.10 Pixel “pure” 61

Hình 2.11 Kết hợp thông tin thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật 63

Hình 2.12 Bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc

năm 2001 65

Hình 2.13 Phân bố lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo độ cao 66

Hình 2.14 Phân bố lớp phủ thực vật theo cấp độ dốc 66

Hình 2.15 Histogram ảnh tỷ số NDVI 69

Hình 2.16 Tính toán biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc từ ảnh vệ tinh 70

Hình 2.17 Bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc

năm 1989 74

Hình 2.18 Bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc

năm 1997 75

Hình 2.19 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc

năm 1989, 1997, 2001 76

Hình 2.20 Biến động rừng lưu vực sông Trà Khúc theo độ cao 79

Hình 2.21 Biến động rừng lưu vực sông Trà Khúc theo độ dốc 81

Hình 2.22 Chuyển đổi lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc giữa các thời điểm 1989-1997 và 1997-2001 82

Hình 3.2 Các bước tính toán bản đồ hệ số R 100

Hình 3.3 Bản đồ hệ số R lưu vực sông Trà Khúc 102

Hình 3.4 Các bước thành lập bản đồ hệ số K 103

Hình 3.5 Bản đồ hệ số K lưu vực sông Trà Khúc 104

Hình 3.6 Các bước tính toán bản đồ hệ số LS 109

Hình 3.7 Bản đồ hệ số LS lưu vực sông Trà Khúc 108

Hình 3.8 Bản đồ hệ số C lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 113

Hình 3.9 Bản đồ xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc 116

Hình 3.10 Bản đồ xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 118

Hình 3.11 Bản đồ phân cấp xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 119

Hình 3.12 Diện tích xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc 120

Hình 4.1 Tiếp cận ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn phục vụ mục đích sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc 123

Hình 4.2 Ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn .127

Hình 4.3 Bản đồ biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 1989-1997 130

Hình 4.4 Bản đồ biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 1997-2001 131

Hình 4.5 So sánh biến động xói mòn hai thời kỳ 1989-1997 134

Hình 4.6 Biến động xói mòn 1989-1997 134

Hình 4.7 Biến động xói mòn 1997-2001 135

Hình 4.8 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn thời kỳ

1989-1997 138

Hình 4.9 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn thời kỳ 1997-2001138 Hình 4.10 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 1989-1997 140

Hình 4.11 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 1997-2001 141

Hình 4.12 Qui hoạch – công cụ giúp sử dụng hợp lý tài nguyên đất 144

Hình 4.13 Phân tích mối quan hệ lớp phủ thực vật-xói mòn để đưa ra các thông tin phục vụ qui hoạch 147

Hình 4.14 Các bước tính toán khu vực tác động 149

Hình 4.15 Các bước tính toán khu vực ưu tiên 150

Hình 4.16 Các bước tính toán biện pháp tác động 151

Hình 4.17 Bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 152

Hình 4.18 Bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mòn huyện Sơn Tây 153

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp bách của vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 4

5 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu 4

6 Các giả thiết nghiên cứu (luận điểm bảo vệ) 7

7 Những điểm mới của luận án 7

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 8

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án 8

10 Khối lượng và cấu trúc luận án 9

Chương 1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI MÒN VÀ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI……… 10

1.1 Tổng quan về nghiên cứu xói mòn 10

1.1.1.Vấn đề xói mòn 10

1.1.2 Mô hình và mô hình hóa xói mòn 13

1.1.3 Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn 14

1.1.4 Vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên đất và các biện pháp hạn chế

xói mòn 16

1.2 Ðánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng ảnh vệ tinh 21

1.2.1 Ảnh vệ tinh và các thông tin phản ánh về hiện trạng lớp phủ 21

1.2.2 Nghiên cứu lập bản đồ hiện trạng lớp phủ từ ảnh vệ tinh 24

1.2.3 Nghiên cứu theo dõi biến động lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh 26

1.3 Điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Trà Khúc 35

Chương 2 ÁP DỤNG TIẾP CẬN ĐA QUY MÔ TRONG XỬ LÝ SỐ ẢNH VIỄN THÁM ĐỂ THEO DÕI BIẾN ÐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT LƯU VỰC SÔNG TRÀ KHÚC 41

2.1 Thông tin trên ảnh viễn thám và tiếp cận đa quy mô trong chiết xuất

thông tin 41

2.1.1 Thông tin trên ảnh viễn thám 41

2.1.2 Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận đa quy mô 44

2.2 Các phương pháp đánh giá biến động 45

2.4.1 Nắn chỉnh hình học 50

2.4.2 Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến bức xạ 52

2.4.3 Phân loại có kiểm định: 54

2.4.4 Tính chỉ số thực vật 56

2.4.5 Phân loại dưới pixel 60

2.4.6 Kết hợp thông tin 62

2.4.7 Bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 63

2.5.Theo dõi biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 68

2.5.1 Ðịnh chuẩn tương đối 71

2.5.2 Thành lập bản đồ khu vực biến động 72

2.5.3 Biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 72

2.6 Phân tích các đặc trưng biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông

Trà Khúc 76

2.6.1 Biến động theo thời gian 77

2.6.2 Biến động theo không gian 78

2.6.3 Cấu trúc (pattern) biến động 81

2.7 Hạn chế của việc sử dụng ảnh viễn thám trong đánh giá biến động lớp phủ thực vật lưu vực lưu vực sông Trà Khúc và cách khắc phục 84

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA XÓI MÒN LƯU VỰC SÔNG TRÀ KHÚC BẰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 87

3.1 Phương pháp mô hình trong đánh giá xói mòn đất 87

3.2 Các mô hình đánh giá lượng đất mất do xói mòn 88

3.2.1.Mô hình kinh nghiệm 88

3.2.2 Mô hình nhận thức 93

3.3 Áp dụng GIS trong mô hình hóa đánh giá xói mòn đất lưu vực sông

Trà Khúc 95

3.3.1 Lựa chọn mô hình 95

3.3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu 97

3.4 Thành lập bản đồ xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc 99

3.4.1 Bản đồ hệ số R 99

3.4.2 Bản đồ hệ số K 101

3.4.3 Bản đồ hệ số LS 103

3.4.4 Bản đồ hệ số C 109

3.4.5 Bản đồ hệ số P 114

3.4.6 Bản đồ xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc 114

3.4.7 Bản đồ xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 117

3.5 Một số ưu điểm của phương pháp mô hình hoá xói mòn bằng hệ thống

thông tin địa lý so với phương pháp truyền thống .120

Chương 4

ẢNH HƯỞNG BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT

TỚI XÓI MÒN VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN ĐẤT LƯU VỰC SÔNG

TRÀ KHÚC 122

4.1 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn lưu vực sông

Trà Khúc 122

4.1.1 Tiếp cận theo mô hình toán 124

4.1.2 Tiếp cận theo phân tích không gian 126

4.2 Sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc 142

4.2.1 Xói mòn và vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên đất 142

4.2.2 Sử dụng quan hệ giữa lớp phủ thực vật và xói mòn trong qui hoạch 145

4.3 Một số nhận xét về bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mòn lưu vực sông

Trà Khúc 154

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 157

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 160

TÀI LIỆU THAM KHẢO 161 Phụ lục 1 Ðiểm khống chế và sai số nắn chỉnh hình học 172

Phụ lục 2a Báo cáo phân loại có kiểm định cửa sổ khảo sát 175 Phụ lục 2b Phân loại dưới pixel 177 Phụ lục 3 Thư viện của một số end-member (theo John Hopkins University và USGS) 186 Phụ lục 4 Bảng ma trận biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 188 Phụ lục 5 Giới thiệu một số phần mềm tính toán xói mòn 191 Phụ lục 6 Thông tin thực địa và kiểm tra độ chính xác bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật ……… ….195

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp bách của vấn đề

Xói mòn đã từ lâu được coi là nguyên nhân gây thoái hóa tài nguyên đất nghiêm trọng Vấn đề bảo vệ đất và xói mòn đã được đề cập đến trong các công trình của các tác giả Hy Lạp và La Mã cổ đại Trong nhiều trường hợp, các nền văn minh đã mất đi do đất đai bị khai thác cạn kiệt [31] Vì vậy, cùng với thoái hoá đất, xói mòn tồn tại như một vấn đề trong suốt quá trình phát triển của toàn nhân loại

Có thể nói rằng xói mòn đất được coi là nguyên nhân hàng đầu gây thoái hóa tài nguyên đất ở vùng miền núi Nguyên nhân của xói mòn đất có nhiều, nhưng có thể tựu trung lại thành hai nguyên nhân cơ bản là tự nhiên và hoạt động của con người Nguyên nhân con người, theo nhiều nhà nghiên cứu thể hiện ở sự quản lý (đất) kém

và dường như đó là một cái giá phải trả cho sự phát triển kinh tế, xã hội Các giải pháp đưa ra, được phân tích là khả thi nhất, là các biện pháp can thiệp vào lớp phủ thực vật nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc chống xói mòn [41] Xói mòn

có nguồn gốc tự nhiên là quá trình diễn ra liên tục trong tự nhiên và chỉ là thứ yếu nếu so với xói mòn do nguyên nhân con người Trong các nguyên nhân do con người, việc phá hoại thảm (lớp phủ) thực vật, tấm áo che chắn cho đất khỏi bị xói mòn là nguyên nhân trực tiếp khiến cho xói mòn gia tăng tại vùng miền núi

Ðể có thể giảm thiểu xói mòn ở khu vực miền núi, hai vấn đề cần được song song nghiên cứu: bản thân quá trình xói mòn, nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến nó và vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên bởi hai vấn đề này có mối liên quan hữu cơ Các nghiên cứu về quá trình xói mòn đã được nhiều tác giả tổng kết và đều

có kết luận chung là lớp phủ thực vật chính là nơi con người có thể tác động để giảm thiểu xói mòn Sử dụng hợp lý tài nguyên vốn là một bài toán tổng hợp, yêu cầu thông tin và hiểu biết về nhiều mặt khác nhau: điều kiện tự nhiên, xã hội, kinh

tế bởi sử dụng hợp lý chính là biện pháp làm cân bằng giữa nhu cầu phát triển kinh

tế với bảo vệ môi trường trong bối cảnh xã hội cụ thể Vì thế, mọi nghiên cứu theo hướng này cần gắn với một khu vực có những đặc trưng địa lý và xã hội cụ thể, hay

nói rõ hơn, là một lưu vực cụ thể Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đều quan hệ với nhau trong không gian, và ở một tỷ lệ thích hợp, lưu vực có thể được coi là một đơn vị không gian trong nghiên cứu xói mòn, đặc biệt là khi các nghiên cứu phục vụ công tác qui hoạch Hạn chế trong việc giải bài toán này hiện nay, theo một số tác giả [56,39], là việc thiếu thông tin cần thiết để tiến hành qui hoạch Vì thế việc tiến hành các nghiên cứu nhằm trả lời các câu hỏi liên quan đến quá trình xói mòn và mối quan hệ của nó với lớp phủ thực vật là rất bức thiết

Lưu vực sông Trà Khúc là nơi có xói mòn tương đối mạnh Theo số liệu của bản đồ Atlats Việt Nam (Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường – 1996), hầu hết diện tích lưu vực sông Trà Khúc có mức độ xói mòn rửa trôi bề mặt là từ 200 đến

300 T/năm Lưu vực sông Trà Khúc cũng là nơi có lớp phủ thực vật thay đổi mạnh trong thời gian những năm 90 đến nay, là một trong những điểm nóng về mất rừng tại Việt Nam [85,86] Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật ở lưu vực sông Trà Khúc mang tính cấp thiết cao

Có nhiều phương pháp khác nhau cũng như nhiều cách tiếp cận khác nhau có thể được lựa chon để nghiên cứu lớp phủ thực vật, quá trình xói mòn cũng như quan

hệ của chúng Trong các phương pháp nghiên cứu, các phương pháp viễn thám và GIS là những phương pháp hiện đại, là những công cụ mạnh có khả năng giúp giải quyết những vấn đề ở tầm vĩ mô (về không gian) trong thời gian ngắn Ðể theo dõi lớp phủ thực vật, nghĩa là đánh giá không chỉ các biến động về mặt diện tích mà cả

về không gian diễn ra các biến động này, việc tận dụng công nghệ viễn thám và GIS

là điều đã được nhiều tác giả đề cập [3,5,25] Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể cũng rất cần được nghiên cứu để tìm ra những cách tiếp cận hợp lý cũng như đánh giá khả năng của chúng một cách đúng đắn

Với các lý do nêu trên, việc áp dụng phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn, góp phần sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc là rất cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm các mục tiêu sau đây:

• Nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh số với tiếp cận đa qui mô (nhằm chiết xuất thông tin thu nhận được từ ảnh viễn thám ở nhiều mức độ; đa dạng hóa thông tin giúp cho việc khai thác ảnh viễn thám triệt để hơn, chính xác hơn) trong thành lập bản đồ lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc và đánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao

• Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa quá trình xói mòn và tính toán các thông tin định lượng trên lưu vực sông Trà Khúc bằng công cụ phân tích không gian của GIS

• Đánh giá ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng công cụ phân tích không gian trên GIS theo hướng tiếp cận quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và quá trình xói mòn ở tỷ lệ lưu vực

và sử dụng mối quan hệ đó để lượng hóa và không gian hóa các thông tin phục

vụ cho việc qui hoạch sử dụng đất chống xói mòn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Ðể có thể giải quyết các mục tiêu trên, nghiên cứu này có những nhiệm vụ sau:

• Tổng quan văn liệu về nguyên tắc, các phương pháp chiết xuất thông tin từ ảnh

vệ tinh, theo dõi lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh, mô hình hóa xói mòn và tiếp cận sinh thái trong qui hoạch

• Sử dụng tiếp cận đa qui mô trong xử lý ảnh số thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc từ ảnh vệ tinh đa phổ

• Thành lập bản đồ biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc bằng phương pháp xử lý ảnh số; đánh giá, phân tích biến động lớp phủ thực vật theo không gian và thời gian

• Thành lập bản đồ xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc bằng GIS

• Phân tích sự ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn, đưa ra các biện pháp sử dụng đất hợp lý nhằm giảm thiểu xói mòn dựa trên quan

hệ giữa lớp phủ thực vật và xói mòn

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi sau đây:

• Về không gian nghiên cứu: Khu vực nghiên cứu là lưu vực sông Trà Khúc1 Nghĩa là, qui mô nghiên cứu trong luận án này chỉ là để phục vụ nghiên cứu ở cấp độ lưu vực

• Về đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của luận án là biến động lớp phủ thực vật (tập trung vào các số liệu biến động thấy được mà không

đi vào giải thích nguyên nhân các biến động đó) bằng ảnh vệ tinh, cụ thể là ảnh

vệ tinh Landsat TM và ETM Nghiên cứu về xói mòn trong phạm vi lưu vực sông Trà Khúc được đề cập nhằm làm rõ ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn trên cơ sở áp dụng phương pháp mô hình hóa vào nghiên cứu điều kiện xói mòn trong lưu vực

• Về phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng các phương pháp viễn thám và phân tích không gian của hệ thống thông tin địa lý (GIS) Các kết quả thu nhận được trong luận án qua quá trình phân tích ảnh số và phân tích không gian trên máy tính cần có được những kiểm chứng thực địa đáng tin cậy trước khi sử dụng vào một mục đích cụ thể nào đó

5 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu

Quan điểm nghiên cứu

Ðể giải quyết các mục tiêu cụ thể trên, nghiên cứu này được tiến hành dựa trên quan điểm nghiên cứu chủ đạo là quan điểm hệ thống (xem hình 1) trong đó coi hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ thực vật và tài nguyên đất là những hợp phần tương tác với nhau Hoạt động sử dụng đất của con người tác động tới sự bền vững của tài nguyên đất (có thể bảo vệ và cũng có thể gây thoái hóa) thông qua lớp phủ thực vật

Qui hoạch sử dụng đất hợp lí chính là công cụ để bảo vệ tài nguyên đất và có thể có nhiều cách tiếp cận vấn đề qui hoạch sử dụng đất Tiếp cận vấn đề qui hoạch thông qua mô hình xói mòn, một trong những quá trình gây ra thoái hóa tài nguyên đất vùng miền núi, là một trong những cách tiếp cận Khi đó xói mòn có thể được coi là một hệ thống có các hợp phần quan hệ chặt chẽ với nhau và điều quan trọng là quan

hệ của các hợp phần này có thể được biểu diễn một cách định lượng Các hợp phần tham gia vào hệ thống xói mòn có thể được không gian hóa, nghĩa là biểu diễn bằng

dữ liệu không gian.Có thể tác động vào các hợp phần của hệ thống để làm thay đổi quá trình xói mòn Luận án chọn hợp phần lớp phủ thực vật làm đối tượng để nghiên cứu và tác động Do đó, nghiên cứu xói mòn bằng phương pháp mô hình hóa

là một công cụ hữu dụng giúp đề ra các biện pháp giảm thiểu xói mòn trên qui mô

lưu vực

Hiện trạng sử dụng đất

Tài nguyên đất

Lớp phủ thực vật

Hình 1 Qui hoạch và vấn đề sử dụng hợp lí tài nguyên đất tiếp cận qua quá trình xói mòn

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp viễn thám được sử dụng trong theo dõi đánh giá biến động lớp phủ thực vật khu vực nghiên cứu GIS được sử dụng để mô hình hóa quá trình xói mòn và phân tích biến động lớp phủ thực vật cũng như ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn (hình 2)

Hình 2 Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu viễn thám mang thông tin phong phú về hiện trạng lớp phủ thực vật

và có nhiều cách tiếp cận khác nhau để chiết xuất các thông tin về hiện trạng lớp phủ thực vật từ ảnh viễn thám Quá trình chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám thực chất là một quá trình chuyển đổi các thông tin ảnh thành các thông tin có nghĩa với người sử dụng Nhằm tận dụng triệt để thông tin mà ảnh viễn thám có thể cung cấp được, việc chiết xuất thông tin được tiếp cận theo cả hai hướng mà thông tin viễn thám có thể cung cấp : không gian và thời gian Tiếp cận theo không gian cho phép chiết xuất thông tin từ ảnh ở nhiều qui mô (cấp độ) : pixel (bằng phương pháp phân loại, phương pháp tính toán chỉ số thực vật) và dưới pixel (bằng phương pháp phân loại dưới pixel) Tiếp cận theo thời gian để đánh giá biến động lớp phủ thực vật từ các ảnh viễn thám

GIS, với khả năng phân tích không gian, được sử dụng để mô hình hóa quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc dựa trên phương trình USLE (Universal Soil Loss Equation) Các bản đồ thành phần của phương trình USLE được tính toán hoặc

Xói mòn

Lớp phủ thực vật

Biến động lớp phủ thực vật

Ảnh hưởng Biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn

Qui hoạch sử dụng đất giảm thiểu xói mòn

Chiết xuất thông tin đa

mòn (lượng đất mất trung bình hàng năm) được tính toán Ngoài ra, GIS còn được

sử dụng để phân tích biến động lớp phủ thực vật nhờ việc chồng xếp bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật của các date khác nhau Ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc cũng như bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mòn cũng được phân tích, tính toán trên GIS nhờ vào chức năng mô hình hóa

6 Các giả thiết nghiên cứu (luận điểm bảo vệ)

• Áp dụng tiếp cận đa quy mô để chiết xuất thông tin trong xử lý ảnh số ảnh viễn thám cho phép theo dõi biến động lớp phủ thực vật tại lưu vực sông Trà Khúc

• Việc phân tích quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng các phương pháp mô phỏng và phân tích trên hệ thống thông tin địa lý, cho phép đưa ra thông tin định lượng phục vụ qui hoạch theo hướng giảm thiểu xói mòn

7 Những điểm mới của luận án

• Áp dụng một hướng tiếp cận mới vào điều kiện cụ thể của lưu vực sông Trà Khúc trong việc chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám - tiếp cận đa qui mô Hướng tiếp cận mới này cho phép thu nhận thông tin từ ảnh chi tiết hơn với các mức độ tin cậy khác nhau

• Áp dụng các giải pháp kỹ thuật trong phân loại ảnh số dưới pixel cũng như một

số biện pháp xử lý ảnh số khác như nắn chỉnh địa hình, định chuẩn tương đối

• Đề xuất nguyên tắc thành lập bảng phân loại lớp phủ thực vật áp dụng cho phân loại ảnh viễn thám của lưu vực sông Trà Khúc

• Đưa ra đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ thực vật tới xói mòn trên khía cạnh biến động theo không gian và thời gian và sử dụng thông tin này trong qui hoạch bảo

vệ tài nguyên đất theo hướng giảm thiểu xói mòn tại lưu vực sông Trà Khúc

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

• Cơ sở khoa học và công nghệ cho tiếp cận thông tin đa quy mô trong phân tích ảnh vệ tinh đa phổ độ phân giải cao trong nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật, góp phần khẳng định ưu thế của viễn thám trong lĩnh vực này

• Cơ sở khoa học và công nghệ nghiên cứu mô hình hoá xói mòn và phân tích không gian ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn trên GIS cũng như sử dụng quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và xói mòn phục vụ qui hoạch theo hướng giảm thiểu xói mòn

Ý nghĩa thực tiễn

• Hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1989, 1997, 2001, đánh giá biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc qua các năm kể trên, góp phần cho công tác điều tra tài nguyên của lưu vực

• Đánh giá xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc theo phương trình USLE, góp phần cung cấp thông tin về điều kiện tự nhiên của lưu vực

• Góp phần định hướng và định lượng qui hoạch lưu vực sông Trà Khúc theo hướng giảm thiểu xói mòn

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

Ðể thực hiện được nghiên cứu này, các tài liệu sau đây đã được sử dụng

Ảnh vệ tinh Landsat TM và ETM như bảng 1 dưới đây

Bảng 1 Ảnh vệ tinh sử dụng trong luận án

Ảnh Ngày chụp Parth/row Số kênh Ðộ phân giải không gian

Bản đồ chuyên đề

Bản đồ chuyên đề cung cấp các thông tin chuyên đề, thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau Các thông tin này cần thiết cho việc mô hình hóa xói mòn bằng GIS Các loại bản đồ chuyên đề đã được sử dụng được liệt kê trong bảng 2

Bảng 2 Các bản đồ chuyên đề được sử dụng

Bản đồ hiện trạng rừng 1: 50 000 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 1: 50 000

Bản đồ đẳng trị lượng mưa 1: 250.000

Thông tin thực địa

Thông tin thực địa được sử dụng trong phân tích ảnh viễn thám Một đợt thực địa khu vực nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh tiến hành vào năm 2000 nhằm thu thập các thông tin mẫu cho việc xử lý ảnh viễn thám cũng như sử dụng

làm các thông tin kiểm chứng sau phân loại

10 Khối lượng và cấu trúc luận án

Không kể phần danh mục, phụ lục và tài liệu tham khảo, luận án được trình bày trong 159 trang khổ A4 với 59 hình vẽ, 23 bảng biểu và được trình bày như sau:

Chương 1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI MÒN VÀ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

Tổng hợp các nghiên cứu có tính chất lý thuyết liên quan đến vấn đề xói mòn

và theo dõi biến động lớp phủ thực vật bằng phương pháp viễn thám được trình bày trong các chương mục có liên quan của luận án được xem là cơ sở cho định hướng các nghiên cứu của luận án Trong chương này, nghiên cứu sinh chủ yếu tập trung vào tình hình cũng như các xu hướng nghiên cứu mới nhất Những nghiên cứu mới

có nội dung rất phong phú, nhiều khi chỉ phản ánh một vài khía cạnh liên quan đến vấn đề nghiên cứu được đề cập trong luận án hoặc có thể thiên về khía cạnh kỹ thuật

1.1 Tổng quan về nghiên cứu xói mòn

1.1.1.Vấn đề xói mòn

Có thể nói rằng con người đã quan tâm đến hiện tượng xói mòn từ rất sớm, từ thời Hy Lạp và La Mã cổ đại đã có những tác giả đề cập đến xói mòn cùng với việc bảo vệ đất Quá trình xói mòn hiện đại được gắn liền với các hoạt động nông nghiệp Một vài tác giả đã cho rằng đất đai bị khai thác cạn kiệt có thể là nguyên nhân khiến các nền văn minh quá khứ mất đi [31] Vì vậy, cùng với thoái hoá đất, xói mòn tồn tại như một vấn đề trong suốt quá trình phát triển của toàn nhân loại

Từ năm 1877 đến 1895 Các chuyên gia về đất người Đức đã tiến hành các thí nghiệm sớm nhất về xói mòn đất Sau đó, vào năm 1917, các giáo sư Mỹ đã xây dựng những bồn chứa đầu tiên để nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy tới xói mòn đất, sườn và cây trồng Theo các phân tích lý hoá cũng như sự khác biệt của dữ liệu thu thập từ các ô thí nghiệm, Middleton H.E và các đồng nghiệp (1930, 1932) nghiên cứu tính kháng xói của đất dựa trên tính bền vững cấu trúc và tính thấm Zingg đã thiết lập mối quan hệ giữa tổng lượng đất xói mòn và độ dốc, chiều dài sườn từ việc nghiên cứu tương quan giữa tổng lượng đất mất và các yếu tố địa hình

từ năm 1940 Từ kết quả đó, Browing (1947) đã tạo nên hệ thống quan hệ với việc giới thiệu hoàn chỉnh hệ số kháng xói của đất [64]

Về nguyên nhân xói mòn, hầu hết các nhà nghiên cứu đều thống nhất rằng có hai nguyên nhân cơ bản dẫn tới hiện tượng thoái hoá đất đang diễn ra mạnh mẽ trên qui mô toàn cầu hiện nay: tự nhiên và con người Nguyên nhân con người, theo nhiều nhà nghiên cứu thể hiện ở sự quản lý đất kém và dường như đó là một cái giá phải trả cho sự phát triển kinh tế, xã hội Các giải pháp đưa ra, được phân tích là khả thi nhất, là các biện pháp can thiệp vào lớp phủ thực vật nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc chống xói mòn [41] Xói mòn tự nhiên là quá trình diễn ra liên tục trong tự nhiên và chỉ là thứ yếu nếu so với xói mòn do nguyên nhân con người Tuy vậy, việc phân định nguyên nhân xói mòn không phải lúc nào cũng dễ dàng và cũng không cần thiết, nên trong việc lập bản đồ xói mòn, nhiều khi người ta không phân biệt hai nguyên nhân này [31] Ở Việt Nam, xói mòn do nước (hay do mưa) là nguyên nhân chính gây xói mòn và xói mòn có thể được coi là quá trình thoái hoá đất cơ học quan trọng nhất ở các vùng miền núi [54]

Ở Việt Nam trước đây, một số tác giả đã nghiên cứu xói mòn đất ở Đông bắc, Tây bắc bằng các phương pháp đơn giản và trực quan như đóng cọc, dùng dây dọi hoặc mô tả, đánh giá định tính quá trình xói mòn trong 4 năm (1961-1964) Sau đó,

do chiến tranh (1965-1976), vấn đề xói mòn ít được quan tâm nghiên cứu Những công trình đầu tiên nghiên cứu xói mòn ở Việt Nam đáng chú ý là của các tác giả Nguyễn Quí Khải (1962), Nguyễn Xuân Khoát (1963), Tôn Gia Huyên (1963, 1964), Bùi Quang Toản (1965), Trần An Phong (1967) Trong những năm 1977,

1978, các đề tài nghiên cứu xói mòn được triển khai trong nhiều chương trình khoa học cấp nhà nước như các chương trình Tây nguyên, Tây bắc, Môi trường Những công trình này đã đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tự nhiên đến xói mòn; phương pháp nghiên cứu định lượng, có sức thuyết phục do quan trắc, cân đo chính xác Đáng chú ý một số công trình của Bùi Quang Toản (1985), Đỗ Hưng Thành (1982), Phan Liên (1984), Nguyễn Quang Mỹ và nnk (1985, 1987) [12,13,15,19,20] Nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố địa hình tới xói mòn,

Nguyễn Quang Mỹ đã có những tổng kết đáng chú ý Tác giả cho rằng hiện tượng xói mòn trên lãnh thổ Việt Nam là khá nghiêm trọng do ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên và canh tác Các kết luận đáng chú ý nhất về ảnh hưởng của địa hình tới quá trình xói mòn có thể được tóm tắt như sau:

• Độ dốc tăng 2 lần, xói mòn tăng từ 2 đến 4 lần

• Chiều dài sườn tăng 2 lần, xói mòn tăng 2 đến 7,5 lần

• Hướng Đông, Đông nam, Tây nam, Tây, do năng lượng mặt trời chiếu nhiều, nhiệt độ tăng cao dẫn tới quá trình phong hoá khiến vật chất bị vỡ làm cho xói mòn tăng từ 1,8 đến 3,9 lần

• Sườn lồi tăng 2 đến 3 lần so với sườn thẳng Sườn lõm xói mòn yếu, sườn bậc thang xói mòn không đáng kể [12]

Một số nghiên cứu xói mòn phục vụ cho công tác tính toán bồi lắng cũng đáng được đề cập Vi Văn Vị và Trần Bích Nga [26] đã thử dự đoán lượng cát bùn bồi lấp lòng hồ Hoà Bình với con lượng xói mòn được đề cập cho toàn lưu vực là từ

20000 đến 40000 tấn/km2 năm Nghiên cứu sự liên quan giữa xói mòn và trầm tích trên lưu vực sông đã dẫn tới những kết luận đáng chú ý Dựa trên số liệu quan sát của xói mòn và lượng trầm tích thu được trên một lưu vực sông, Zhou Jinxing và đồng nghiệp đã kết luận được rằng với thời gian dài, lượng xói mòn và trầm tích đạt tới cân bằng Với thời gian ngắn, chúng không thể hiện sự cân bằng này mà thông qua một loạt yếu tố về địa hình và dòng chảy, xói mòn ảnh hưởng tới lượng trầm tích trên toàn lưu vực [95]

Không nhằm nghiên cứu xói mòn tại từng điểm, Lại Vĩnh Cẩm [54] sử dụng phương trình mất đất tổng quát (USLE) để đánh giá tiềm năng và mức độ xói mòn hiện tại của từng lưu vực (4 lưu vực lớn ở miền Bắc Việt Nam) Kết quả nghiên cứu

về xói mòn tại các lưu vực được tích hợp với phân tích lưu vực nhằm chỉ ra các khu vực xói mòn nguy hiểm và làm cơ sở cho đề xuất các biện pháp phòng tránh hữu hiệu nhằm mục tiêu phát triển bền vững [54]

Trong thời gian gần đây, khoảng từ những năm 90, với sự phát triển mạnh mẽ

toán xói mòn bằng cách mô hình hoá, sử dụng sức mạnh tính toán của công nghệ tin học Phương trình mất đất tổng quát (USLE) của Wischmeier và Smith được sử dụng rộng rãi trong các mô hình do tính minh bạch và dễ áp dụng của nó Điển hình cho các nghiên cứu loại này là của Trần Minh Ý, Lại Vinh Cẩm, Nguyễn Tứ Dần [23,24,27,28,54]

Gần đây nhất, trong đề tài nghiên cứu cơ bản 74 06 01, các tác giả đã ứng dụng phương trình mất đất tổng quát USLE để tính toán xói mòn Điểm đặc biệt đáng nói là các thông tin về lớp phủ thực vật, và qua đó “thông số lớp phủ thực vật”

đã được thu nhận qua tư liệu viễn thám đa phổ UoSAT-12 [27]

Ảnh hưởng của xói mòn đến môi trường đã được tổng kết bởi nhiều tác giả khác nhau [59,95,98]và đây cũng là một trong những hướng nghiên cứu xói mòn quan trọng Nhiều tác giả cho rằng thay đổi của kiểu sử dụng đất là nguyên nhân chính của xói mòn đất và ô nhiễm dòng chảy mặt Xói mòn và ô nhiễm dòng chảy mặt là đặc biệt nghiêm trọng với đất nông nghiệp do bón phân Xói mòn và ô nhiễm dòng chảy tràn là nguyên nhân dẫn tới ô nhiễm nước, vì vậy kế hoạch sử dụng đất trong thung lũng là rất quan trọng [57,59]

Quan tâm đến hạn chế xói mòn, các tác giả thống nhất rằng lớp phủ thực vật

là yếu tố chính làm giảm sự xói mòn đất và ô nhiễm dòng tràn, đứng về mặt vật lý của lớp phủ, nghĩa là độ phủ của nó Kiểu của lớp phủ ảnh hưởng trực tiếp tới xói mòn, vì vậy, bảo vệ lớp phủ thực vật là rất quan trọng [34,39,87]

1.1.2 Mô hình và mô hình hóa xói mòn

Ngay từ những này đầu, các nghiên cứu xói mòn đã có hướng tập trung vào việc mô hình hóa quá trình phức tạp này Việc mô hình hóa xói mòn được dựa trên hai kiểu chính là mô hình kinh nghiệm với các qui luật được rút ra từ những quan sát chi tiết và lâu dài và mô hình nhận thức sử dụng các hiểu biết về vật lý để mô phỏng quá trình xói mòn như một hàm số toán học Có thể kể ra đây một số mô hình kinh nghiệm như Musgrave (1947), Renfro (1975) và nổi tiếng nhất là mô hình USLE (Universal Soil Loss Equation) do Wischmeier và Smith phát triển [9,10,63] Hiện nay, nhiều phiên bản của mô hình này đang được sử dụng tại nhiều nơi trên

Thế giới với các thông số được thay đổi cho phù hợp với điều kiện địa phương Các

“mô hình nhận thức” [10] thường được sử dụng có thể kể ra là mô hình GAMES,

mô hình WEPP [10,47]

Hiện nay, các mô hình xói mòn được phát triển ngày càng phong phú để phù hợp với tình hình từng địa phương cụ thể Ðiều này cho thấy tích chất phức tạp cũng như đa dạng của quá trình xói mòn Chỉ trong một trang web về các mô hình xói mòn, người đọc có thể tìm thấy 20 mô hình chính riêng với quá trình xói mòn

do nước (http://soilerosion.net/doc/models_menu.html) Lưu ý rằng đây mới chỉ là liệt kê các mô hình đã được tin học hóa

Với sự ra đời và phát triển của công nghệ thông tin, các nghiên cứu xói mòn

đã mang diện mạo mới – đó là việc áp dụng sức mạnh phân tích của công nghệ thông tin vào mô phỏng và mô hình hóa xói mòn Ngoài việc sử dụng GIS để giải quyết bài toán xói mòn [4, 23, 24], nhiều chương trình tính xói mòn đã được thiết lập riêng biệt, thậm chí nhiều chương trình còn được “đóng gói” (ví dụ như SEAGIS, RUSLE2, ) hay đưa lên mạng internet để có thể tính toán xói mòn trực tuyến [47,48,49]

Phụ lục 6 có điểm qua một số phần mềm tính toán xói mòn cũng như các mô hình mà những phần mềm này sử dụng Hầu hết chúng có thể được download từ internet

1.1.3 Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn

Hiện nay, xói mòn được nghiên cứu mở rộng hơn với nhiều loại hình và tính chất khác nhau Ban đầu, khi nói đến xói mòn do nước, hầu hết các công trình chỉ

đề cập đến xói mòn do rửa trôi bề mặt (runoff) [16] Các khái niệm như xói mòn bề mặt (sheet erosion); xói mòn tạo xẻ rãnh nhỏ (rill erosion); xói mòn liên rãnh (interrill erosion); xói mòn xẻ rãnh lớn (gully erosion) đã được đề cập tới ngày càng nhiều trong các công trình nghiên cứu hiện đại

Xu hướng phổ biến hiện nay trong nghiên cứu xói mòn trên thế giới, thể hiện qua hội thảo lần thứ 12 của ISCO tổ chức tại Bắc Kinh năm 2002 là nghiên cứu xói

xói mòn kết hợp với các khoa học khác, chủ yếu để tìm hiểu quá trình cũng như tác động của xói mòn lên môi trường nhằm có được các biện pháp chống xói mòn khả thi Có thể hình dung các xu hướng này như hình 1.1

Bảo tồn tài nguyên đất và nước – Các chính sách và hành động ở qui mô khu

Quá trình xói mòn và các ảnh hưởng của nó tới môi trường

Công nghệ và phương pháp bảo tồn tài nguyên đất và nước

Hình 1.1 Các xu hướng nghiên cứu xói mòn hiện đại

Một điều đáng chú ý là nhiều nhà khoa học [82] đã đồng ý rằng hầu hết các nghiên cứu về xói mòn hiện được tiến hành nhằm các mục tiêu sao cho không cần phải xem xét đến sự khác biệt tỷ lệ (qui mô) không gian và thời gian Nhưng điều này sẽ dẫn đến những sai biệt đáng kể Theo Valentin và các đồng nghiệp, để có thể

dự báo được ảnh hưởng của sự thay đổi toàn cầu, chúng ta buộc phải tìm hiểu quá

trình xói mòn diễn ra ở các qui mô thời gian và không gian khác nhau, và điều này

cũng hoàn toàn phù hợp với kết luận của Drissa và nnk [82, 97]

• Quá trình xói mòn tương tác như thế nào với các quá trình khác ở các qui mô thời gian và không gian khác nhau?

• Các quá trình diễn ra ở tỷ lệ lớn thúc đẩy thế nào (với tư cách là nguyên nhân) tới quá trình xói mòn ở cấp độ thấp hơn?

• Và, đến lượt mình, các quá trình động ở tỷ lệ nhỏ hơn dẫn tới các điều kiện ngưỡng mà quá trình xói mòn xảy ra ở cấp độ cao hơn và ngược lại?

Một cách tiếp cận thích hợp là cần thiết để có thể hiểu và dự báo ảnh hưởng của thay đổi toàn cầu tới xói mòn đất [82, 35]

Ở Việt Nam, các nghiên cứu xói mòn vẫn là sự tiếp tục phát triển các hướng nghiên cứu truyền thống, trong đó phổ biến nhất là sử dụng phương trình mất đất tổng quát USLE (Wishmeier và Smith năm 1978) để đánh giá lượng đất mất Các nghiên cứu này tập trung vào nhiều qui mô khác nhau (toàn quốc, lưu vực, tỉnh, khu vực) hoặc giải quyết các vấn đề đơn lẻ trong phương trình USLE (hệ số R, hệ số K ).Một số tác giả đã có tìm tòi sâu hơn về tác động của xói mòn đến môi trường,

cụ thể hơn là đến tài nguyên đất Trong đề tài nghiên cứu cơ bản 73 51 01, các tác giả đã chỉ ra tác động môi trường của từng loại hình xói mòn, theo đó xói mòn bề mặt làm cho đất thoái hoá (mất N, P, K ); xói mòn xẻ rãnh nhỏ làm mất đất, xói mòn xẻ rãnh lớn ngoài việc làm mất đất còn là nguyên nhân gây sạt lở, trượt đất và

lũ quét, xói mòn trên núi đá vôi là nguyên nhân của sụp đất Mọi loại hình xói mòn đều gây ra bồi lấp hồ chứa, dòng chảy, cửa sông [16]

Một vài tác giả đã sử dụng phương trình RUSLE trong các nghiên cứu xói mòn của mình Pham Thai Nam và nnk [67] đã áp dụng phương trình này để tính toán lượng đất mất do xói mòn trên qui mô toàn cầu Các chỉ số C và P được công

bố trong nghiên cứu này cũng rất đáng chú ý

Bên cạnh việc sử dụng mô hình mất đất, một phương pháp khác cũng được sử dụng hiệu quả đó là áp dụng phương pháp địa hoá đồng vị, cụ thể là 137Cs để đánh giá tốc độ xói mòn (đề tài 73 51 01) Dựa vào sự biến thiên hàm lượng 137Cs theo chiều sâu trên từng đối tượng nghiên cứu cụ thể, tốc độ xói mòn được tính theo các công thức thực nghiệm với đơn vị là t/ha.năm [16]

1.1.4 Vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên đất và các biện pháp hạn chế xói mòn

Tài nguyên thiên nhiên được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau Trong những phương thức tiếp cận hiện đại, định nghĩa về tài nguyên thiên nhiên như sau [11]:

Tài nguyên thiên nhiên là toàn bộ những giá trị vật chất của thiên nhiên, cần

đai, động thực vật v.v và cả các điều kiện tự nhiên như: khí hậu, ánh sáng, không khí, nguồn nướcv.v Danh mục các loại tài nguyên thiên nhiên cũng thường xuyên được mở rộng , tùy thuộc vào những tiến bộ của xã hội, vào tình độ khoa học-kỹ thuật của con người Hiện nay, người ta phân các tài nguyên thiên nhiên ra 3 loại[11]:

• Tài nguyên có thể phục hồi được là các loại tài nguyên thiên nhiên sau khi khai thác, sử dụng hết, có thể tái tạo lại được sau một thời gian nhất định Ví dụ: độ phì của đất đai, số lượng các loài động vật, thực vật v.v Tuy nhiên

sự phục hồi đó cũng có giới hạn nhất định Nếu việc khai thác, sử dụng vượt quá mức thì không thể phục hồi lại được Chính vì vậy mà trên toàn thế giới hiện nay đã có nhiều loài động, thực vật hoàn toàn bị tuyệt chủng, nhiều vùng đất đai trở thành hoang mạc v.v

• Tài nguyên không phục hồi lại được: các loại tài nguyên thiên nhiên mà quá trình hình thành của chúng quá dài, hoặc điều kiện hình thành của chúng khó lặp lại Ví dụ khoáng sản là những tài nguyên đã được hình thành trong những khoảng thời gian dài hàng triệu năm, hoặc trong những điều kiện địa hình, khí hậu v.v hết sức đặc biệt

• Tài nguyên vô tận: các loại tài nguyên thiên nhiên tồn tại trên bề mặt trái đất với một lượng rất lớn, không bao giờ cạn như không khí, nước, ánh sáng mặt trời v.v Tuy nói là vô tận, nhưng các loại tài nguyên này cũng có giới hạn nhất định Nếu như chất lượng của nó vì một lý do nào đó thay đổi (ví dụ nước sông, nước biển bị ô nhiễm) thì giá trị sử dụng sẽ không còn nữa Lúc

đó tính chất vô tận cũng không còn ý nghĩa

Với tài nguyên đất, cho đến nay đã có nhiều định nghĩa trên nhiều quan điểm nghiên cứu khác nhau Trên quan điểm sinh thái học và môi trường, định nghĩa về đất của Winkler (1968) [11] đã xem xét đất như một vật thể sống, và đất cũng tuân thủ các quy luật sống: phát sinh, phát triển, thoái hóa và già cỗi Ðiều quan trọng trong định nghĩa này là tùy thuộc vào cách đối xử của con người đối với đất mà đất

có thể trở nên phì nhiêu hơn, cho năng suất cây trồng cao hơn và ngược lại Cũng

với cách nhìn nhận như vậy, các nhà sinh thái học còn cho rằng đất là vật mang của tất cả các hệ sinh thái tồn tại trên Trái Ðất Vì đất tự mang trên mình nó các hệ sinh thái nên muốn cho các hệ sinh thái bền vững thì trước tiên vật mang phải bền vững

Do đó, con người tác động vào đất cũng chính là tác động vào tất cả các hệ sinh thái

mà đất “mang” trên mình nó.Một vật mang và lại được đặc thù bởi tính chất độc đáo mà không vật thể tự nhiên nào có được - độ phì nhiêu giúp cho các hệ sinh thái tồn tại, phát triển “Xét cho cùng thì cuộc sống của con người cũng phụ thuộc vào tính chất độc đáo này của đất” [11]

Dưới cách nhìn nhận về tài nguyên đất như trên, việc sử dụng hợp lý, bền vững tài nguyên đất đang được đặt ra, đặc biệt với đất dốc Với ý định tạo cơ sở phương pháp luận và phương pháp để đánh giá sử dụng đất dốc, một khung đánh giá quản lý đất dốc bền vững đã được các nhà khoa học đưa ra năm 1991 Theo đó, khái niệm bền vững bao gồm 5 thuộc tính:

• Tính sản xuất hiệu quả (productivity)

dụ như lượng đất mất hay sự giảm sút năng suất cây trồng), thay thế trong một số trường hợp [22]

Qui hoạch – công cụ quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên đất

Ðể có thể giảm thiểu xói mòn, biện pháp mà con người có thể tác động chính

là loại từ nguyên nhân gây ra xói mòn, hay nói đúng hơn, loại trừ khả năng hạt mưa

và qui hoạch sử dụng đất là công cụ thích hợp nhất để đạt được điều đó Theo quan điểm của các nhà khoa học đất Việt Nam, quản lý sử dụng đất dốc không thể chỉ là vấn đề kỹ thuật đơn thuần Sự thành công chỉ có được do kết quả của việc kết hợp chặt chẽ giữa “kỹ thuật, công nghệ, kinh tế, chủ trương chính sách, xã hội nhân văn

và môi trường” Nghĩa là giải pháp chính có thể tóm tắt lại là quy hoạch sử dụng đất kết hợp chặt chẽ với phát triển kinh tế xã hội (sau khi giao đất giao rừng - chủ trương quản lý đất)

Ðã có nhiều nghiên cứu chứng thực và nhấn mạnh về vai trò quyết định của lớp phủ thựcvật trong giảm xói mòn Sự thay đổi lớp phủ thực vật, bị phá huỷ hay hồi phục đều có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự thay đổi của quá trình xói mòn và môi trường sinh thái Lớp phủ thực vật phát triển trên sườn dốc sẽ trực tiếp ngăn cản và làm giảm xói mòn trọng lực (gravity erosion), nghĩa là làm giảm đáng kể hiện tượng trượt đất Nghiên cứu các thay đổi của lớp phủ thực vật trong 130 năm, các tác giả cho rằng sự phục hồi của thảm thực vật là nguyên nhân thay đổi từ xói mòn do các yếu tố liên quan đến con người sang xói mòn tự nhiên dưới sự cân bằng sinh thái tự nhiên [93] Cũng nhằm làm sáng tỏ diễn biến của quá trình xói mòn và tìm biện pháp để giảm thiểu nó, Zha Xiaochun đã cho thấy cường độ của xói mòn do canh tác trên đất dốc gấp hơn 100 lần cường độ xói mòn của thảm rừng tự nhiên, và cùng với xói mòn, môi chất dinh dưỡng trong đất cũng bị mất đi, môi trường sinh thái bị thay đổi và theo đó, lượng xói mòn lại tăng lên Vì vậy, theo tác giả này, chuyển từ canh tác trên đất dốc sang phục hồi rừng và tái tạo Lớp phủ thực vật tự nhiên là

“chìa khoá” nhằm cải thiện môi trường dưới góc độ giảm thiểu xói mòn [94]

Để tăng cường độ che phủ thực vật, một số nghiên cứu ở châu Á đã chỉ ra rằng biện pháp tốt là khi rừng được giao cho cộng đồng quản lý A.P.Gautam và các cộng sự, nghiên cứu về sự thay đổi (thống kê và dynamic) của lớp phủ rừng trên phạm vi một lưu vực tại Nepal trong 14 năm đã thấy rằng với những khu vực rừng

do cộng đồng quản lý, tỷ lệ tăng diện tích rừng và giảm diện tích cây bụi cao hơn đáng kể so với khu vực không được cộng đồng quản lý [42] Lại Vĩnh Cẩm cũng cho rằng việc quản lý tốt đất đai là nhân tố chính góp phần làm giảm lượng đất mất

Tác giả cho rằng cần phải có một hệ thống giám sát kết quả của công tác quản lý đất, trong đó việc theo dõi phục hồi và tăng chất lượng rừng được gợi ý như là một chỉ tiêu cần theo dõi trước hết [54] Trong một nghiên cứu khác tại Ấn Độ, các tác giả đã nhận thấy sự “xâm lăng” của đất nông nghiệp đối với đất rừng cùng với sự mất đi của một số loài cây bản địa Các tác giả cho rằng, nguyên nhân chính là áp lực của gia tăng dân số và nhu cầu tăng cao thu nhập Để giải quyết tình trạng này, một trong những việc cần làm là xây dựng và phát triển nền kinh tế dựa vào sử dụng hợp lí tài nguyên rừng [73]

Các mô hình sử dụng đất khác nhau phục vụ cho phát triển bền vững, giảm thiểu xói mòn còn được đưa ra không chỉ thông qua nghiên cứu xói mòn Nghiên cứu về trắc lượng hình thái địa hình (độ dốc, độ phân cắt ngang và độ phân cắt sâu)

ở Sơn La, Lê Mỹ Phong và Nguyễn Ngọc Khánh đã đề xuất 9 biện pháp sử dụng đất trên 9 đơn vị trắc lượng hình thái nhằm đảm bảo phát triển bền vững [15] Tuy nhiên, đây mới chỉ là nghiên cứu bước đầu, các biện pháp được đưa ra chưa cụ thể

vì thiếu các số liệu về điều kiện kinh tế và xã hội

Bên cạnh công cụ qui hoạch, các mô hình sử dụng đất hợp lý cũng được nghiên cứu để sao cho có thể đạt được cùng lúc mục tiêu kinh tế và giảm xói mòn Theo dõi, rút ra qui luật từ biến động sử dụng đất trong quá khứ để lấy cứ liệu cho việc dự báo sử dụng đất trong tương lai, mô hình của Phạm Văn Tân và Nguyễn Cao Huần đã chỉ ra không những qui luật biến đổi hiện trạng sử dụng đất mà còn vạch rõ nhứng nơi cũng như tác động của việc điều khiển thay đổi sử dụng đất theo hướng có lợi qua mô hình “có điều khiển” [17]

Dưới quan điểm xây dựng mô hình hệ kinh tế sinh thái phục vụ phát triển nông thôn bền vững, các tác giả (Đặng Trung Thuận, Trương Quang Hải và nnk) [21] đã phân tích xói mòn như một nhân tố môi trường quan trọng cần được quan tâm đến trong quá trình xây dựng và đánh giá mô hình Các tác giả đã lượng hoá được quan hệ giữa nhân tố môi trường (quan trọng nhất là xói mòn với vùng thượng nguồn sông Trà Khúc) và nhân tố kinh tế Một trong những “bức xúc” về môi

là suy thoái tài nguyên rừng do nương rẫy và biến động dòng chảy sông Trà Khúc cũng đều có liên quan chặt chẽ tớí sự biến động của lớp phủ thực vật Qua tính toán theo mô hình định lượng, các tác giả đã đưa ra một số mô hình hệ kinh tế sinh thái với đặc điểm nổi bật là kết hợp nông lâm hợp lý

Một số biện pháp hạn chế xói mòn

Rất nhiều các biện pháp hạn chế xói mòn đã được các nhà khoa học tìm hiểu Ngoài các biện pháp liên quan đến vấn đề qui hoạch sử dụng đất (hay còn gọi là các biện pháp tổng hợp), các biện pháp kỹ thuật có thể được chia thành 2 nhóm chính:

• Xây dựng các công trình chống xói mòn (biện pháp công trình) Nhóm các biện pháp này thường được thực hiện ở những khu vực mà xói mòn gây hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là tới các công trình khác như đường giao thông, cầu,

• Thực hiện các biện pháp canh tác chống xói mòn (biện pháp sinh học), chủ yếu là phương pháp canh tác theo đường đồng mức, trồng một số loại cây có tác dụng chống xói mòn như cỏ vertiver [14]

Theo kinh nghiệm bảo vệ đất của Trung Quốc, kiểm soát xói mòn trên lưu vực nhỏ (diện tích nhỏ hơn 20km2) là phương pháp phù hợp và để bảo vệ đất, phải ngừng canh tác trên đất dốc [94]

1.2 Ðánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng ảnh vệ tinh

1.2.1 Ảnh vệ tinh và các thông tin phản ánh về hiện trạng lớp phủ

Kỷ nguyên sử dụng viẽn thám trong quan sát và nghiên cứu trái đất từ khoảng không được coi như bắt đầu từ năm 1972 với việc phóng vệ tinh Landsat 1 Tới nay, với hơn 30 năm phát triển, viễn thám đã trở thành một công cụ hiện đại, vừa mang tính phụ trợ, vừa mang tính cạnh tranh trong các công nghệ quan sát Trái Đất [91] Khả năng của dữ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ thực vật cũng ngày càng được cải thiện, và theo đó, dữ liệu viễn thám đang dần có xu hướng trở thành nguồn dữ liệu chủ đạo (prime data) cho việc thành lập bản đồ lớp phủ thực vật [61,62]

Ngay từ những ngày đầu tiên của sự phát triển công nghệ viễn thám, theo dõi lớp phủ thực vật đã được đề cập đến, trong đó “vẽ bản đồ lớp phủ thực vật là một trong những ứng dụng tiêu biểu và quan trọng của dữ liệu viễn thám” [52] Với bản chất việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng điện từ từ các đối tượng trên mặt đất, viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi lớp phủ thực vật Các loại lớp phủ thực vật, đến lượt mình lại phản ánh các điều kiện mặt đất tương ứng như rừng, đồng cỏ Các loại hình sử dụng đất này lại phản ánh các hoạt động của con người Vì vậy, viễn thám ngày càng có vai trò to lớn hơn và ngày càng có mặt nhiều hơn trong nghiên cứu liên quan đến tài nguyên thiên nhiên như lớp phủ thực vật, tài nguyên đất và tài nguyên nước Có thể thấy rõ được sự phát triển này qua số lượng các công trình công bố như trong hình 1.2

Nhu cầu về thông tin về lớp phủ thực vật đang ngày càng tăng trong các bài toán nghiên cứu, quản lý các vấn đề môi trường như mất rừng và thoái hoá đất, trong việc hoạch định chính sách môi trường và lập kế hoạch sử dụng tài nguyên thiên nhiên (natural resource planning) cũng như cho các khu bảo tồn được thành lập nhiều vào những năm 80 và 90 Nhu cầu về thông tin lớp phủ thực vật cũng xuất hiện trong các bài toán mô hình dự báo như thay đổi khí hậu toàn cầu cũng như các ảnh hưởng của nó [62] Một trong những ưu thế rõ rệt nhất của phương pháp sử dụng dữ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ lớp phủ thực vật nói riêng và các loại bản đồ chuyên đề nói chung là khả năng đem lại các thông tin cần thiết ở những vùng mà khó có thể sử dụng phương pháp mặt đất [91, 89] Ngoài khả năng cung cấp thông tin, phương pháp viễn thám còn đem lại ưu thế về giá thành của việc thành lập bản đồ [89]

Hình 1.2.Thành lập bản đồ thực vật trong ba thập niên gần đây [89]

Với đòi hỏi ngày càng cao của các nhu cầu nghiên cứu khoa học, nhất là đòi hỏi phải có thông tin chi tiết và tương đối thường xuyên về các vùng khó tiếp cận của các nhà quản lý, nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và sinh thái, viễn thám đã dần phát triển và trở thành một công cụ không thể thiếu Tuy nhiên, rõ ràng là trong rất nhiều trường hợp, các ứng dụng đòi hỏi các thông tin ở mức độ chi tiết cao hơn nhiều so với các thông tin viễn thám có thể cung cấp Vì thế, việc kết hợp giữa thông tin từ ảnh viễn thám với thông tin từ thực địa đang trở thành một xu hướng sử dụng ảnh viễn thám [91]

Nhiều nhà nghiên cứu cũng đã thừa nhận các khó khăn trong việc sử dụng ảnh viễn thám và đồng thời cũng đề ra các biện pháp khắc phục Trong những khó khăn mà kỹ thuật viễn thám gặp phải khi thành lập bản đồ lớp phủ thực vật vùng miền núi, đầu tiên phải kể đến là sự ảnh hưởng lên đặc tính phản xạ của bóng địa hình Việc loại bỏ các ảnh hưởng này là điều khó khăn, cần phải có các mô hình chính xác về sự chiếu sáng của mặt trời lên địa hình đó trong quá trình thu ảnh [62] Một hạn chế khác của dữ liệu viễn thám quang học là sự ảnh hưởng của mây và sương mù Chúng cản trở hoặc ngăn cản phản xạ của các đối tượng bề mặt trái đất tới vệ tinh, làm sai lệch phản xạ phổ thu nhận được hoặc, trong nhiều trường hợp,

làm cho không thu nhận được thông tin về phản xạ phổ của đối tượng Để có thể loại bỏ hạn chế này, việc kết hợp ảnh đa thời gian (có thời gian chụp rất gần nhau)

có thể được sử dụng Trong trường hợp không có ảnh đa thời gian, ta có thể dùng kỹ thuật mặt nạ để che các vùng mây

1.2.2 Nghiên cứu lập bản đồ hiện trạng lớp phủ từ ảnh vệ tinh

Một điều cần chú ý là phải phân biệt khái niệm lớp phủ thực vật với khái niệm hiện trạng sử dụng đất Hai thuật ngữ này cần được làm sáng tỏ trước khi bắt đầu các nghiên cứu về viễn thám Thuật ngữ hiện trạng sử dụng đất nhấn mạnh đến các thông tin về mục đích sử dụng của thửa đất trong khi thuật ngữ hiện trạng lớp phủ được dùng để chỉ các thông tin miêu tả trạng thái lớp phủ thực vật của thửa đất

ấy Một loại hình sử dụng đất (hay một lớp trên bản đồ hiện trạng) có thể bao gồm nhiều loại hình lớp phủ khác nhau Ví dụ như một sân gôn (hiện trạng sử dụng đất)

có thể bao gồm cỏ, rừng, mặt nước (hiện trạng lớp phủ) Các thông tin có thể thấy được trong dữ liệu viễn thám thường là các thông tin về hiện trạng lớp phủ hơn là các thông tin hiện trạng sử dụng đất [52] Dù sao thì giữa hiện trạng sử dụng đất và hiện trạng lớp phủ cũng có những sự tương quan chặt chẽ nên từ các thông tin về hiện trạng lớp phủ có thể được dùng để chiết xuất ra các thông tin về hiện trạng sử dụng đất một cách gián tiếp Bảng 2.1 cho thấy điểm mạnh cũng như điểm yếu của các phương pháp thành lập bản đồ thực vật khác nhau

Bảng 1.1 Điểm mạnh, yếu của các kỹ thuật thành lập bản đồ thực vật khác nhau [91]

Quan sát thực địa

Ảnh hàng không

Viễn thám số máy bay

Viễn thám số vệ tinh

km x 102 km x 102 Toàn cầu

Kiểu bản đồ

thành lập Hiện trạng lớp phủ

Hiện trạng sử dụng đất

Hiện trạng lớp phủ

Có thể phỏng đoán hiện trạng

Hiện trạng lớp phủ Hiện trạng lớp phủ

Khả năng tách

biệt

Từng cá thể Từng loài

Kiểu cấu trúc thực vật

Kiểu cấu trúc thực vật

Các lớp hiện trạng lớp phủ Tần suất lặp lại

thông tin Phụ thuộc vào khả năng nguồn

lực

Phụ thuộc vào nguồn lực và thời tiết

Phụ thuộc vào nguồn lực và thời tiết

Hàng ngày tới

20 ngày, phụ thuộc thời tiết Phương pháp

giải đoán

Quan sát Giải đoán mắt

thường

Xử lý ảnh tự động hoặc giải đoán ảnh

Xử lý ảnh tự động hoặc giải đoán ảnh Đầu tư (ban

đầu)

Giá trên đơn vị

diện tích Cao Trung bình Trung bình Thấp

Một trong những biện pháp xử lý ảnh viễn thám quan trọng trong nghiên cứu lớp phủ thực vật là sử dụng các chỉ số về thực vật (vegetation indices) Các chỉ số này được sử dụng rộng rãi trong tính toán định lượng các đặc tính về lớp phủ thực vật Các nghiên cứu đã cho thấy rằng chỉ số về thực vật có quan hệ chặt chẽ với sinh khối (biomass) trong mùa sinh trưởng [91]

Việc phát triển của các kỹ thuật phân tích không gian của GIS cũng đã có những ảnh hưởng to lớn tới việc thành lập bản đồ lớp phủ thực vật và quá trình giải đoán ảnh [61] Tuy nhiên, việc sử dụng kết hợp công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu theo dõi biến động lớp phủ thực vật cũng khó có thể tránh khỏi sai sót,

cả chủ quan và khách quan [44] Các sai sót này chủ yếu tập trung ở ba khía cạnh chính là sai số về không gian (do nắn chỉnh hình học); sai số về không gian do quá trình giải đoán và sai số về thuộc tính do quan niệm khi giải đoán

Với sự phát triển của công nghệ, các vệ tinh có thể chụp ảnh được với số kênh nhiều hơn, cung cấp lượng thông tin to lớn hơn Dựa trên ưu thế này, nhiều nhà khoa học đã đề nghị các biện pháp xử lý ảnh mới để có thể thu thập thông tin từ ảnh vệ tinh tốt hơn, trong đó có phương pháp phân loại dưới pixel (từ thuật ngữ tiếng Anh spectral unmixing) Phân loại này được ứng dụng không chỉ để tìm hiểu chi tiết về lớp phủ thực vật, cấu trúc tán lá mà còn ứng dụng trong các nghiên cứu thổ nhưỡng [77,58,61]

Những năm gần đây, ứng dụng viễn thám trong thành lập bản đồ hiện trạng

sử dụng đất cũng như bản đồ hiện trạng lớp phủ đã được thực hiện tương đối rộng

rãi Tuy nhiên, hầu hết các công bố của các tác giả Việt Nam chỉ nhằm sáng tỏ khía cạnh ứng dụng và kỹ thuật của các phương pháp cổ điển trong thành lập bản đồ từ ảnh viễn thám Các vấn đề nghiên cứu vẫn còn bỏ ngỏ ở nhiều khâu do nhiều lý do khác nhau [2]

1.2.3 Nghiên cứu theo dõi biến động lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh

Để có thể nhận biết được các mức độ khác nhau của một kiểu lớp phủ bằng phân tích ảnh số là một việc không dễ dàng Đã có nhiều phương pháp xử lý khác nhau được đề cập như tính toán chỉ số thực vật, phân tích thành phần chính, phân loại có kiểm định và phân loại không kiểm định [89,55,52,30]

Trong các công bố của mình, một số nhà nghiên cứu Việt Nam đã đề cập tới các nguyên tắc đánh giá biến động lớp phủ thực vật Nguyễn Đình Dương liệt kê hai phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật là so sánh bản đồ được thành lập độc lập và nhấn mạnh các biến động (làm rõ) nhờ tổ hợp màu hoặc phân tích thành phần chính [7] Tác giả cũng cho rằng cần phải có tư liệu cùng mùa trong năm để có thể nhận được những biến động “thực sự” [7,55,52] Điều này có thể thấy rõ với các khu vực có biến động theo mùa (đất nông nghiệp hoặc rừng rụng lá) [52]

Biến động của lớp phủ thực vật có thể bao gồm hai kiểu biến đổi: biến đổi từ lớp này sang lớp khác và biến đổi trong nội bộ lớp Biến đổi từ lớp này sang lớp khác là loại biến đổi mà hầu hết các nghiên cứu viễn thám tập trung vào để đánh giá Trong khi đó, biến đổi trong nội bộ lớp (ví dụ rừng với 80% lớp phủ biến thành rừng với 50% lớp phủ) là loại biến đổi mà ảnh viễn thám đa phổ cũng có thể nhận thấy được [40] Phân tích kỹ hơn về nguồn gốc các sai số có thể trong quá trình sử dụng ảnh vệ tinh để đánh giá biến động lớp phủ thực vật, G.S Biging et al cho rằng trong tất cả các quá trình, từ thu ảnh tới xử lý, phân tích và chuyển đổi dữ liệu đều

có sai số Việc chồng ghép các kết quả được xử lý độc lập để đánh giá biến động càng làm tăng sai số, nghĩa là kết quả chồng ghép sẽ có sai số lớn hơn sai số của từng phép phân tích độc lập Biện pháp đầu tiên được khuyến nghị như là một cách

để giảm thiểu sai số là tránh xử lý các ảnh đa thời gian một cách độc lập [33]

Đánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng phương pháp viễn thám số có thể được chia thành đánh giá biến động phản xạ phổ trước phân loại và đánh giá biến động sau phân loại Đánh giá biến động sau phân loại là phép chồng ghép so sánh kết quả phân loại độc lập các ảnh Phương pháp này có ưu thế là có thể sử dụng các loại ảnh vệ tinh khác nhau (khác đầu thu), chụp vào các mùa khác nhau trong năm Nhược điểm chính của phương pháp này là sự phụ thuộc vào độ chính xác của từng phép phân loại đơn lẻ [40]

Đánh giá biến động phản xạ phổ trước phân loại là phương pháp thu nhận biến đổi về phổ (spectral) để tạo nên một ảnh gồm một hay nhiều kênh ảnh trên đó các phần thay đổi về phổ được làm rõ từ hai ảnh cho trước Việc so sánh này có thể được tiến hành theo từng pixel (nghĩa là so sánh giá trị ở từng pixel tương ứng về vị trí trên các ảnh đa thời gian) hoặc trên toàn cảnh (nghĩa là so sánh sự khác biệt về giá trị phổ trên “khung cảnh” toàn ảnh Những kỹ thuật thông dụng nhất để tính toán sự biến đổi giữa các kênh ảnh phổ là “differencing” (phép trừ) và “image ratioing” (phép chia) Trong trường hợp tính toán sự biến đổi, các phương pháp đồng nhất hoá (equalization), ví dụ như phân tích thành phần chính thường được áp dụng [40] Sau khi đã có được các kết quả về sự khác biệt giữa các ảnh, cần phải có những phân tích để quyết định mức độ khác biệt thế nào đại diện cho sự thay đổi.Việc phân ngưỡng thay đổi có thể được dựa vào hàm phân bố, với ngưỡng thay đổi được chọn là lớn hơn hay nhỏ hơn một khoảng độ lệch chuẩn [40]

Phân tích thành phần chính (PCA) là một trong những công cụ hữu hiệu để đánh giá biến động lớp phủ thực vật và đã được các nhà nghiên cứu công bố từ những năm 80 và 90 Có hai cách sử dụng kỹ thuật pca trong đánh giá lớp phủ thực vật, đó là phân tích thành phần chính của ảnh đa thời gian và phân tích thành phần chính của ảnh đơn thời gian, sau đó so sánh với nhau [40, 65]

Nghiên cứu về sự cần thiết hay không của việc nắn chỉnh khí quyển là một nghiên cứu rất thú vị, đem lại những yêu cầu quan trọng của việc nắn chỉnh khí quyển và đặc biệt là trả lời câu hỏi khi nào thì cần thiết phải làm việc này Việc nắn chỉnh khí quyển là cần thiết trong nhiều ứng dụng viễn thám, đặc biệt là trong các

bài toán theo dõi biến động Tuy nhiên, không phải lúc nào việc nắn chỉnh khí quyển cũng là cần thiết Việc phân loại ảnh đơn thời gian (single date) bằng phương pháp phân loại độ tương tự lớn nhất (maximum likelihood) là một ví dụ rõ ràng nhất

về việc nắn chỉnh khí quyển không có ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng kể đến kết quả phân loại, do các kênh ảnh LandSat TM được thiết kế để tránh tối đa sự hấp thụ của khí quyển Điều này dẫn tới việc nắn chỉnh khí quyển làm thay đổi giá trị tuyệt đối của các pixel trên ảnh mà không làm thay đổi tương quan giữa chúng, nghĩa là việc phân loại dựa vào tương quan giữa giá trị các pixel thay vì giá trị tuyệt đối của chúng là không bị ảnh hưởng Điều này cũng có thể được mở rộng cho việc đánh giá biến động sau phân loại [78] Trường hợp này đúng khi phân loại ảnh đa thời gian theo từng ảnh riêng biệt và sau đó đánh giá biến động trên cơ sở kết quả phân loại riêng biệt này Tương tự như vậy, việc nắn chỉnh khí quyển cũng không cần thiết trong trường hợp đánh giá biến động dựa vào việc phân loại ảnh tổ hợp đa thời gian Ảnh tổ hợp đa thời gian là ảnh được tổ hợp từ kênh ảnh của nhiều thời gian khác nhau Với việc so sánh ảnh bằng cách trừ hai ảnh theo từng pixel cũng được chứng minh là không cần thiết phải nắn chỉnh khí quyển, tuy nhiên nên chuẩn hoá phản xạ phổ trong trường hợp này [78] khi quan niệm rằng giá trị không (0) là giá trị thể hiện khu vực không thay đổi Các nhà nghiên cứu cũng đã đi đến kết luận rằng việc nắn chỉnh khí quyển là không cần thiết với tất cả các trường hợp sử dụng các thuật toán tuyến tính, kể cả phân tích thành phần chính đa thời gian để đánh giá biến động lớp phủ thực vật [78] Với các đánh giá biến động dựa vào các phương trình không tuyến tính, ví dụ như chỉ số thực vật, ta có thể thấy ngay rằng ảnh hưởng của khí quyển sẽ khác nhau với các chỉ số thực vật của các ảnh chụp vào các ngày khác nhau, nghĩa là, do tính không tuyến tính, ảnh hưởng của khí quyển không

bị triệt tiêu, và việc nắn chỉnh khí quyển trở nên cần thiết

Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng hai phương pháp chính được sử dụng để đánh giá biến động lớp phủ thực vật là phương pháp dựa vào khác biệt phổ và phương pháp xử lý sau phân loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Ưu điểm nổi

liệu ảnh khác nhau, không phụ thuộc vào sự khác biệt của quá trình thu ảnh ở các thời điểm khác nhau Tuy nhiên, chính điều này lại đem lại nhược điểm là quá

“nhạy cảm” với kết quả phân loại từng ảnh cụ thể của phương pháp Phương pháp

so sánh khác biệt phổ, với nhiều cách tiếp cận khác nhau, đều có ưu thế chung là tránh được sai số do phân loại (hoặc xử lý) độc lập các ảnh đơn lẻ Thách thức lớn nhất mà phương pháp này phải giải quyết chính là ngưỡng “thay đổi” và “không thay đổi” Điều này có thể thấy rõ được qua phân tích hàm phân bố của các ảnh

“thay đổi”, chúng thường có dạng liên tục và việc đặt ra một ngưỡng cố định là điều khó đem lại sự chính xác cần thiết Phương pháp so sánh thay đổi phổ đã được phát triển thành rất nhiều kỹ thuật khác nhau và được sử dụng ngày càng nhiều Phần dưới đây điểm qua một số kỹ thuật nhận biết thay đổi phổ [40]

Kỹ thuật trừ ảnh gốc (raw image differencing)

Kỹ thuật này đơn giản là trừ giá trị trên kênh tương ứng của cặp ảnh gốc để tạo nên ảnh thay đổi với các giá trị số Số kênh của ảnh kết quả sẽ tương ứng với

số kênh của ảnh gốc

Nhiều tác giả đã sử dụng phương pháp này và ghi nhận nhiều kết quả khác nhau Phương pháp này được gho nhận là tốt cho phân biệt sự thay đổi giữa đất và nước Một số tác giả khuyến cáo nên sử dụng ảnh thay đổi ở dạng tổ hợp màu đa kênh sẽ thấy thay đổi rõ hơn và dễ hơn Tuy nhiên một số tác giả cũng đã ghi nhận nhược điểm của phương pháp này, trong đó nổi bật nhất là sai số do nắn chỉnh hình học; sai số do giá trị phổ của các kênh ảnh gốc khác

nhau và cuối cùng là giá trị khác biệt không đại diện được cho mức độ thay

đổi, ví dụ giá trị của ảnh thay đổi là 30 có thể là kết quá của hai ảnh gốc có giá

trị 180 và 150 hoặc 40 và 10

Phân tích véctơ thay đổi (change vector analysis)

Phương pháp này được đề xuất bởi Malila vào năm 1980 Véc tơ thay đổi là vec tơ miêu tả hướng và độ lớn của thay đổi từ ảnh thứ nhất sang ảnh thứ hai Trong phương pháp này, hai ảnh đơn kênh sẽ được tạo cùng nhau, ảnh thứ nhất chứa độ lớn của véctơ thay đổi của pixel trong khi ảnh thứ hai hướng của

véctơ thay đổi Để có thể nhận biết được pixel có thay đổi hay không, một ngưỡng được áp dụng cho ảnh thứ nhất, và khi pixel đã được coi là có thay đổi, chiều hướng thay đổi của nó sẽ được nhận trên ảnh thứ hai

Cũng như phương pháp trừ ảnh gốc, phương pháp này cũng rất nhậy cảm với sai số nắn chỉnh hình học và sự khác biệt phổ trong ảnh gốc (của các pixel không thay đổi) và việc chọn ngướng thay đổi cũng là một vấn đề khó khăn, đòi hỏi trình độ cao của người xử lý

Phân tích nội ảnh (inner product analysis)

Được các nhà nghiên cứu Nhật bản tiến hành [50] Giá trị phổ của pixel được coi là véctơ đa phổ Sự khác biệt giữa hai vectơ đa phổ được tính toán bằng cosin của góc tạo bời chúng Điều này có nghĩa là, không phụ thuộc vào độ lớn của vectơ đa phổ, nếu góc giữa chúng bằng 0 thì giá trị nhận được là 1 tương ứng với pixel không thay đổi Pixel được coi là có thể có thay đổi nếu phân tích nội ảnh cho giá trị khác 1 và nằm trong khoảng từ -1 đến 1 Phương pháp này cho phép xếp các pixel có tỷ lệ giá trị phổ như nhau nhưng khác nhau về giá trị tuyệt đối thành những pixel không đổi Cũng như phương pháp trên, phương pháp này chịu ảnh hưởng của độ chính xác nắn chỉnh hình học ảnh

Phân tích tương quan (correlation analysis)

Về mặt ý tưởng, phương pháp này cũng tương tự như phương pháp phân tích nội ảnh kể trên Điểm khác biệt là trong phương pháp này, giá trị trung bình của vectơ đa phổ được sử dụng như là một thông số để đánh giá mức độ thay đổi Vì thế, phương pháp này có ưu điểm hơn trong việc loại trừ bớt ảnh hưởng của các yếu tố của việc chụp ảnh như tổng lượng bức xạ mặt trời, góc cao mặt trời, ảnh hưởng khí quyển và đầu thu

Phương pháp tỷ lệ ảnh (image ratioing)

Đây được coi là một trong những phương pháp nhận biết biến động nhanh nhất Ảnh của 2 date khác nhau được tính tỷ lệ (chia ảnh cho ảnh) theo từng kênh Ý tưởng chính của phương pháp này là những vùng không thay đổi sẽ có

giá trị tỷ lệ tương tự nhau trong khi những khu vực có thay đổi sẽ có tỷ lệ lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị ở các vùng không thay đổi

Ảnh tỷ lệ, tương tự ảnh thay đổi trong phương pháp trừ ảnh, cần được phân tích và giải đoán để có thể nhận diện được các khu vực thay đổi Cũng như phương pháp trừ ảnh, phương pháp này bị ảnh hưởng của độ chính xác của phép nắn ảnh, đồng thời bị ảnh hưởng bởi thông số của đầu thu trong trường hợp đầu thu khác nhau (ví dụ TM5 và TM7) Một vài tác giả còn phê phán phương pháp này là ảnh tỷ lệ có hàm phân bố không phải dạng chuẩn

Phương pháp trừ chỉ số thực vật (vegetation index differencing)

Khác với phương pháp trừ ảnh gốc, phương pháp này sử dụng phép trừ với ảnh chỉ số thực vật được tính toán cho ảnh của hai thời điểm Chỉ số thực vật thông thường được tính toán trên kênh đỏ và kênh hồng ngoại dựa trên đặc tính hấp thụ và phản xạ năng lượng mặt trời khác nhau trên các kênh này của cây xanh (xem hình 2.1) Kết quả là có được một kênh ảnh thể hiện sự khác biệt chỉ số thực vật của hai ảnh Phương pháp này được ghi nhận là có tác dụng tốt với việc phân tích biến động của tán rừng (forest canopy) Cũng giống như bất kỳ phép phân tích biến động dựa trên pixel nào khác, phương pháp này cũng bị ảnh hưởng của phép nắn chỉnh hình học

Phương pháp trừ ảnh chuẩn hoá (normalizes image differencing)

Khác với phương pháp trừ ảnh gốc, ảnh thay đổi được tạo ra trong phương pháp này là kết quả của phép trừ hai ảnh chuẩn hoá tương ứng với hai ảnh gốc ban đầu Nghĩa là, trước khi thực hiện phép trừ ảnh, phép chuẩn hoá ảnh được tiến hành trên cả hai ảnh gốc theo từng kênh Chuẩn hoá ảnh nhằm mục đích tạo ra các ảnh có giá trị trung bình và độ lệch chuẩn có thể so sánh được Có nhiều cách khác nhau để có thể chuẩn hoá ảnh, thông thường nhất là sử dụng công thức sau:

uk=ak+bk(xk-xk_)

Trong đó: uk: giá trị kết quả của pixel ở kênh thứ k

xk: giá trị pixel ở kênh thứ k

xk_: giá trị trung bình của kênh thứ k

ak = uk_: giá trị trung bình của kênh thứ k trên ảnh kết quả

bk=Suk/Sxk, với Suk là độ lệch chuẩn của kênh thứ k trên ảnh kết quả và

Sxk là độ lệch chuẩn của kênh thứ k trên ảnh gốc

Phương pháp này thường cho kết quả tốt hơn phương pháp trừ ảnh gốc Cần quan tâm là việc lựa chọn các tham số cũng như thuật toán chuẩn hoá ảnh là rất quan trọng Phương pháp này cũng bị ảnh hưởng bởi độ chính xác nắn chỉnh hình học

Phương pháp trừ ảnh chuẩn hoá phổ (radiometrically normalized image differencing)

Tương tự như với phương pháp trừ ảnh gốc và phương pháp trừ ảnh chuẩn hoá, ảnh thay đổi được tạo ra bởi phương pháp này cũng là kết quả của phép trừ giữa hai ảnh, ảnh “subject” và ảnh “reference” Một trong hai ảnh được coi

là ảnh reference và ảnh subject được biến đổi (chuẩn hoá) sao cho có các điều kiện về phổ (radiometric) tương tự như ảnh reference Kỹ thuật biến đổi hay được sử dụng nhất là kỹ thuật tương tự như biến đổi tuyến tính [40,71], có dạng:

uk=akxk+bk

Trong đó: uk: giá trị kết quả của pixel ở kênh thứ k

xk: giá trị pixel ở kênh thứ k

ak, bk: hệ số Một trong những phương pháp quan trọng để có thể xác định được các hệ số ak

và bk là phương pháp phân tích hồi qui (regression) Dựa trên quan hệ giữa giá trị số của cặp ảnh chụp trên cùng một vùng, hai ảnh được đánh giá xem chúng

có quan hệ tuyến tính với nhau không Nếu có, phân tích hồi qui được áp dụng

để tìm ra giá trị ak và bk Sau đó, ảnh subject sẽ được biến đổi theo phương trình đã xác định ấy

Phương pháp trừ albedo (albedo differencing)

Albedo được định nghĩa là tỷ lệ giữa lượng năng lượng sóng điện từ phản xạ bởi vật thể với tổng lượng năng lượng sóng điện từ tới nó Như vậy, albedo chính là giá trị của mức độ phản xạ Trước tiên, ảnh albedo được tính toán trên từng date riêng biệt Ảnh kết quả được tạo bởi phép trừ hai ảnh albedo sẽ thể hiện những khu vực có mức độ phản xạ thay đổi

Có nhiều phương pháp khác nhau để tính được ảnh albedo Một điều dễ thấy là các phương pháp này đều đòi hỏi phải nắn chỉnh khí quyển cho ảnh (thì mới có thể qui giá trị thu nhận được ở vệ tinh thành giá trị phản xạ thực sự tại mặt đất

và tính toán được albedo) Một số phương pháp đòi hỏi phải có số liệu khí tượng, một số phương pháp chỉ đòi hỏi dữ liệu Landsat [69,88]

Phân tích thành phần chính ( principal component analysis)

Phân tích thành phần chính là kỹ thuật phân tích đa biến phổ biến để làm phi tương quan các dữ liệu đa phổ Hai kỹ thuật phân tích thành phần chính có thể được áp dụng trong theo dõi biến động từ ảnh vệ tinh là phân tích thành phần chính đa thời gian và phân tích thành phần chính đơn ảnh

Phân tích thành phần chính đa thời gian là áp dụng kỹ thuật phân tích thành phần chính cho ảnh đa thời gian Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hầu hết các khu vực biến động được thể hiện trong các kênh thành phần chính chứa ít thông tin (kênh PC3 hoặc PC4) Ảnh được sử dụng để phân tích thành phần chính có thể rất phong phú, từ ảnh gốc, ảnh albedo

Phân tích thành phần chính đơn ảnh sử dụng kỹ thuật phân tích thành phần chính cho từng ảnh riêng biệt trong cặp ảnh và sau đó các thành phần chính này được so sánh với nhau Kỹ thuật so sánh cũng rất đa dạng, có thể là trừ ảnh hoặc chia ảnh

Kỹ thuật phân tích thành phần chính hoàn toàn không dựa vào sự so sánh theo từng pixel Sự biến động nhận được là sự biến động trên cơ sở so sánh toàn ảnh chứ không phải từng pixel Tuy còn nhiều đánh giá khác nhau về áp dụng

kỹ thuật phân tích thành phần chính trong theo dõi lớp phủ thực vật, nhưng có

thể nhận thấy rằng đây là một phương pháp phức tạp, đòi hỏi người phân tích phải nắm rõ đặc tính của ảnh vệ tinh cũng như đối tượng được đánh giá, đặc biệt là trong việc đoán nhận sự thay đổi Và, kỹ thuật này cũng có thể đòi hỏi phải có các phân tích tiếp theo.

Một số tác giả đã thử nghiệm kết hợp cả hai phương pháp trên (phân loại và

so sánh thay đổi phổ) để đánh giá biến động lớp phủ thực vật, điển hình là công bố của Ding Yuan et al Các tác giả đã sử dụng phương pháp so sánh phổ để loại bỏ những khu vực không có sự khác biệt đáng kể và áp dụng phương pháp phân tích sau phân loại vào những khu vực có thể có sự thay đổi [40]

Trong đề tài nghiên cứu cơ bản 74 05 02 [4], nhóm tác giả đã phân tích ưu, nhược điểm của phương pháp xử lý ảnh số cũng như giải đoán mắt thường và đề xuất một phương án kết hợp, theo đó việc phân loại ảnh số được tiến hành, sau đó

“khái quát hoá” kết quả bằng mắt thường Theo công bố của nhóm nghiên cứu, đây

là một phương pháp có nhiều ưu điểm [4] Cũng trong một đề tài nghiên cứu cơ bản khác năm 2002, nhóm tác giả cho biết “thông số về sinh khối rừng được xác định bằng chỉ số thực vật trên ảnh SPOT”[18]

Tuy nhiên, dù bằng cách nào, theo quan điểm của tác giả luận án, sự “thay đổi” và “không thay đổi” trong tự nhiên không bao giờ có ranh giới rõ ràng vì mọi đối tượng đều biến đổi liên tục theo thời gian, đều “vô thường” Tất cả những ranh giới đặt ra để miêu tả sự “thay đổi” hay “không thay đổi” đều chỉ mang tính chất tương đối, vì vậy chúng ta sẽ phải chấp nhận những kết quả có tính chính xác tương đối Và để kết luận, chúng ta có thể sử dụng ý kiến sau đây của Wellens: dù sao đi nữa, không có một phương thức “chuẩn” nào có thể áp dụng được cho mọi vùng trên thế giới, nghĩa là từng phương pháp chỉ áp dụng tốt cho từng hoàn cảnh cụ thể

và chỉ có ý nghĩa tham khảo khi áp dụng vào các khu vực khác [89]