Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)

Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004 2014 (Luận văn thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH LANDSAT ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐỘ TÀN CHE CỦA RỪNG TÂY NGUYÊN GIAI ĐOẠN 2004-2014

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

ĐỖ THỊ HẰNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Nguyễn Tiến Thành

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS TS Doãn Hà Phong

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Phạm Minh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI

NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 31 tháng 12 năm 2017

Luận văn “Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004-2014” một công trình nghiên cứu khoa học độc lập cùng với sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không

vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Hà Nội, ngày 31 tháng12 năm 2017

Tác giả luận văn

Đỗ Thị Hằng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự quan tâm giúp đỡ về cả kiến thức, tinh thần cũng như ý kiến góp ý từ các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và gia đình Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Tiến Thành là người hướng dẫn trực tiếp tôi, luôn chỉ bảo, giúp đỡ, động viên tôi Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Trắc địa-Bản đồ, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

THÔNG TIN LUẬN VĂN viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Khái niệm biến động độ tàn che rừng 4

1.1.1 Khái niệm về độ tàn che rừng 4

1.1.2 Phân loại rừng 4

1.1.3 Khái niệm biến động độ tàn che rừng 6

1.2 Khả năng ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu biến động độ tàn che của rừng 7 1.2.1 Khái quát về viễn thám 7

1.2.2 Ứng dụng của viễn thám 13

1.2.3 Ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu biến động độ tàn che rừng 19

1.3 Khả năng ứng của GIS trong nghiên cứu biến động độ tàn che của rừng 21

1.3.1 Khái quát về hệ thống thông tin địa lý 21

1.3.2 Khả năng ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý(GIS) trong đánh giá biến động độ tàn che của rừng 23

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐỘ TÀN CHE CỦA RỪNG 25

2.1 Quy trình ứng dụng viễn thám đánh giá biến động độ tàn che của rừng 25

2.2 Cơ sở khoa học xác định độ tàn che từ ảnh vệ tinh 26

2.2.1 Tiền xử lý ảnh vệ tinh 27

2.2.2 Chiết tách thông tin độ tàn che từ ảnh vệ tinh 37

2.2.3 Phân tích thành phần chính 39

2.2.4 Xác định mô hình mật độ tàn che của rừng (FCD) 42

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH LANDSAT ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐỘ TÀN CHE RỪNG TÂY NGUYÊN 43

3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu và tư liệu sử dụng 43

3.1.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu 43

3.1.2 Tư liệu sử dụng 46

3.2 Chiết tách thông tin độ tàn che từ ảnh vệ tinh 50

3.2.1 Tiền xử lý ảnh 50

3.2.2 Chiết tách thông tin từ ảnh 51

3.3 Đánh giá biến động độ tàn che giai đoạn 2004-2014 57

3.3.1 Kết quả sơ đồ biến động độ tàn che của rừng 57

3.3.2 Số liệu thống kê biến động độ tàn che rừng giai đoạn 2004 – 2014 58

3.4 Thành lập bản đồ biến động độ tàn che của rừng 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT TỪ VIẾT

TẮT

1 MSS Multispectral Scanner Hệ thống quét đa phổ

2 PCA Principal Component Analysis Phân tích thànhphần chính

3 AVI Advance Vegetation Index Chỉ số thực vật cải tiến

6 SSI Scaled Shadow Index Chỉ số bóng tuyến tính

7 VD Vegetation Density Mật độ thực vật

8 FCD Forest Canopy Destiny Mật độ tàn che

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Giá trị hệ số Grescale ,Brescale đối với các kênh ảnh LANDSAT 4 TM 31

Bảng 2.2 Giá trị hệ số G, B đối với các kênh ảnh LANDSAT 5 TM 31

Bảng 2.3 Giá trị hệ số Lmax, Lmin đối với các kênh ảnh LANDSAT 5 TM 32

Bảng 2.4 Giá trị hệ số Lmax, Lmin đối với các kênh ảnh LANDSAT 7 ETM+ Low gain 32

Bảng 2.5 Giá trị hệ số Lmax, Lmin đối với các kênh ảnh LANDSAT 7 ETM+Highgain 33

Bảng 2.6 Giá trị M L, A L đối với ảnh hồng ngoại nhiệt LANDSAT 8 34

Bảng 3.1 Đặc trưng bộ cảm Landsat 5 TM 47

Bảng 3.2 Đặc trưng bộ cảm của ảnh vệ tinh Landsat 8 49

Bảng 3.3 Thống kê cảnh ảnh sử dụng trong nghiên cứu 50

Bảng 3.4 Số liệu thống kê diện tích biến động tỉnh Đắk Lắk 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của viễn thám 9

Hình 1.2 Mô hình công nghệ GIS 21

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 25

Hình 3.1 Bản đồ ranh giới hành chính tỉnhĐắk Lắk 43

Hình 3.2 Vệ tinh Landsat 5 46

Hình 3.3.Vệ tinh Landsat 8 48

Hình 3.4 Ảnh Landsat sau khi hiệu chỉnh bức xạ 50

Hình 3.5 Ảnh sau khi cắt theo khu vực nghiên cứu 51

Hình 3.6 Kết quả tính toán chỉ số thực vật cải tiến AVI 52

Hình 3.7 Kết quả tính toán chỉ số đất trống BI 53

Hình 3.8 Chỉ số bóng SI 54

Hình 3.9 Chỉ số mật độ thực vật VD 55

Hình 3.10 Mật độ tàn che năm 2004 56

Hình 3.11 Mô hình mật độ độ tàn che 2014 57

Hình 3.12 Sơ đồ biến động mật độ tàn che rừng 2004-2014 58

Hình 3.13 Biểu đồ thể hiện sự biến động mật độ tàn che năm 2004-2014 59

Hình 3.14 Bản đồ biến động độ tàn che rừng tỉnh Đắk Lắk 60

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên: Đỗ Thị Hằng

Lớp: CH1TĐ Khóa: 1

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tiến Thành

Tên đề tài: Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn

che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004-2014

Trong nghiên cứu này, bản đồ biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên

đã được thành lập Từ bản đồ biến động đã tính toán được số liệu thống

kê diện tích biến động độ tàn che rừng Đắk Lắk giai đoạn 2004 – 2014 biến động giảm chiếm 35% tổng diện tích Qua bảng biểu số liệu và bản

đồ đã được thành lập, các nhà quy hoạch, quản lý có thể dựa vào đó để lập

kế hoạch để giám sát và khai thác tài nguyên rừng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Rừng không những là cơ sở phát triển kinh tế - xã hội mà còn giữ chức năng sinh thái cực kỳ quan trọng: Rừng tham gia vào quá trình điều hoà khí hậu, đảm bảo chu chuyển ôxy và các nguyên tố cơ bản khác trên hành tinh, duy trì tính ổn định và độ màu mỡ của đất, hạn chế lũ lụt, hạn hán, ngăn chặn xói mòn đất, làm giảm nhẹ sức tàn phá khốc liệt của các thiên tai, bảo tồn nguồn nước mặt và nước ngầm và làm giảm mức ô nhiễm không khí và nước Đất nước Việt Nam trải dài trên nhiều vĩ tuyến và đai cao, với địa hình rất

đa dạng, hơn 2/3 lãnh thổ là đồi núi, lại có khí hậu thay đổi từ nhiệt đới ẩm phía Nam, đến á nhiệt đới ở vùng cao phía Bắc, đã tạo nên sự đa dạng về hệ sinh thái tự nhiên và sự phong phú về các loài sinh vật Những hệ sinh thái đó bao gồm nhiều loại rừng như rừng cây lá rộng thường xanh, rừng nửa rụng lá, rừng rụng lá, rừng trên núi đá vôi, rừng hỗn giao lá rộng và lá kim, rừng lá kim, rừng tre nứa, rừng ngập mặn, rừng tràm, rừng ngập nước ngọt,

Theo thống kê của các địa phương trong cả nước, đến năm 2008, toàn quốc có trên 12,9 triệu hecta rừng bao gồm: 10,35 triệu hecta rừng tự nhiên và trên 2,55 triệu hecta rừng trồng; độ che phủ đạt 38,27%

Phần lớn diện tích rừng phân bố ở các vùng cao thuộc vùng núi phía Bắc

và Tây Nguyên Địa bàn rừng núi nói chung hay các vùng đầu nguồn nói riêng là nơi cư trú của cộng đồng các dân tộc Việt Nam, đây cũng là nơi có địa hình chia cắt mạnh, giao thông đi lại khó khăn, kinh tế-xã hội chậm phát triển Đời sống của một bộ phận không nhỏ của những người dân sống trong vùng này vẫn còn gặp nhiều khó khăn, trình độ dân trí chưa cao, phương thức canh tác còn mang tính thủ công, truyền thống Đây là một nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm tài nguyên rừng, và ảnh hưởng sâu sắc đến tình hình kinh tế, chính trị, môi trường sinh thái của cả nước Đồng thời qua quá trình quản lý chưa bền vững, độ che phủ của rừng ở Việt Nam đã giảm sút đến mức báo

động Chất lượng của rừng tự nhiên còn lại đã bị hạ thấp quá mức

Bên cạnh những lợi ích thu được từ việc khai thác, sử dụng nguồn lợi từ rừng, các hoạt động của con người đã gây ra rất nhiều tác động đối với tài nguyên và môi trường Hiện nay, chúng ta đang phải đương đầu với những vấn đề về sự suy thoái của nguồn lợi tự nhiên và môi trường Sự phát triển kinh tế gắn với bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường theo hướng phát triển bền vững đang là vấn đề hết sức cấp thiết đối với nước ta và cũng là xu hướng chung của toàn cầu Để làm tốt công việc này, công tác điều tra, theo dõi và phân tích đánh giá độ tàn che rừng là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu

Tư liệu ảnh vệ tinh có khả năng thu nhận hình ảnh mặt đất một cách tức thời, liên tục trên phạm vi rộng, mang tính khách quan, được lặp lại theo chu

kì, có độ chính xác cao và đồng nhất ở mọi thời điểm Công nghệ khoa học đang rất phát triển đặc biệt là sự tích hợp công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) cho phép tạo nên giải pháp xây dựng cơ sở dữ liệu và phân tích đánh giá biến động

Chính vì vậy tôi chọn đề tài: “Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004-2014” Để vấn

đề nghiên cứu được cụ thể và chi tiết hơn tôi chọn phạm vi nghiên cứu là tỉnh Đắk Lắk làm khu vực thực nghiệm

2 Mục tiêu của luận văn

Đánh giá được biến động độ tàn che rừng Tây Nguyên giai đoạn

2004-2014 bằng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Độ tàn che

- Phạm vi nghiên cứu: Tỉnh Đắk Lắk

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập phân tích tư liệu: Thu thập, phân tích tư liệu hiện có liên quan đến độ tàn che rừng, các tư liệu bản đồ, ảnh vệ tinh và GIS

- Phương pháp viễn thám: Dùng tư liệu ảnh viễn thám thu thập được để tính toán độ tàn che rừng trong các thời điểm

- Phương pháp GIS: Từ bản đồ đã thành lập ở các thời điểm, dùng GIS thành lập bản đồ biến động và sau đó đánh giá biến động độ tàn che rừng

- Phương pháp thống kê: Thống kê được diện tích biến động độ tàn che rừng…

5 Nội dung nghiên cứu

- Tình hình nghiên cứu biến động độ tàn che

- Ứng dụng viễn thám để chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh Landsat ở hai thời điểm

- Ứng dụng GIS để thống kê diện tích độ tàn che rừng ở hai thời điểm

- Tính toán, đánh giá biến động và lập bản đồ biến động

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận văn “Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che của rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004-2014” là công trình có tính ứng dụng công nghệ khoa học cao, kết hợp được kiến thức chuyên môn vào công tác quản lý, là cơ sở phục vụ cho công tác quản lý tài nguyên rừng Tây Nguyên nói chung và tỉnh Đắk Lắk nói riêng

Nghiên cứu cũng đã chứng minh được việc áp dụng công nghệ viễn thám

và GIS trong quản lý tài nguyên rừng là đúng đắn, có tính hiệu quả cao và phù hợp với thực tiễn

7 Kết cấu luận văn

Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về những vấn đề cần nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu ứng dụng viễn thám đánh giá biến động độ tàn che của rừng

Chương 3: Thực nghiệm sử dụng ảnh vệ tinh Landsat đánh giá biến động độ tàn che rừng Tây Nguyên giai đoạn 2004-2014

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái niệm biến động độ tàn che rừng

1.1.1 Khái niệm về độ tàn che rừng

Độ tàn che rừng là mức độ che phủ của tán cây rừng hay là tỷ số diện tích tán rừng được chiếu xuống đất rừng bằng phép chiếu thẳng đứng

Độ tàn che được xác định là phần diện tích mặt đất mà các tán cây che phủ (tính riêng cho từng loài) tính theo giá trị phần trăm so với toàn bộ diện tích khu vực nghiên cứu

- Rừng phòng hộ: Là rừng được sử dụng chủ yếu để bảo vệ nguồn nước, bảo vệ đất, chống xói mòn, chống sa mạc hóa, hạn chế thiên tai, điều hòa khí hậu, bảo vệ môi trường

+ Rừng phòng hộ đầu nguồn: Rừng ở nơi phát sinh hoặc bắt nguồn nước tạo thành các dòng chảy cấp nước cho các hồ chứa trong mùa khô, hạn chế lũ lụt, chống xói mòn, bảo vệ đất Gồm những rừng có sẵn trong tự nhiên, chủ yếu là rừng hỗn giao gồm nhiều tầng, không đều tuổi, mật độ dày, cây có rễ sâu, bền, chắc

+ Rừng phòng hộ ven biển: Được thành lập với mục đích chống gió hạn, chắn cát bay, ngăn chặn sự xâm mặn của biển, chắn sóng lấn biển, chống sạt

lở, bảo vệ các công trình ven biển

+ Rừng phòng hộ bảo vệ môi trường sinh thái: Nhằm mục đích điều hòa khí hậu, chống ô nhiễm môi trường trong các khu dân cư, khu đô thị, khu du lịch

b Theo trữ lượng [1]

- Rừng giàu trữ lượng rừng trên 150 m³/ha

- Rừng trung bình trữ lượng rừng nằm trong khoảng (100-150) m³/ha

- Rừng nghèo trữ lượng rừng nằm trong khoảng (80-100) m³/ha

- Rừng kiệt trữ lượng rừng thấp hơn 50 m³/ha

c Sinh thái [1]

- Kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới

- Kiểu rừng kín rụng lá hơi ẩm nhiệt đới

- Kiểu rừng kín lá cứng hơi khô nhiệt đới

- Kiểu rừng thưa cây lá rộng hơi khô nhiệt đới

- Kiểu rừng thưa cây lá kim hơi khô nhiệt đới

- Kiểu rừng thưa cây lá kim hơi khô á nhiệt đới núi thấp

- Kiểu trảng cây to, cây bụi, cây cỏ cao khô nhiệt đới

- Kiểu truông bụi gai hạn nhiệt đới

- Kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới núi thấp

- Kiểu rừng kín hỗn hợp cây lá rộng, lá kim ẩm á nhiệt đới núi thấp

- Kiểu rừng kín cây lá kim ẩm ôn đới ẩm núi vừa

- Kiểu quần hệ khô lạnh vùng cao

- Kiểu quần hệ lạnh vùng cao

d Do tác động của con người [1]

- Rừng tự nhiên: Là rừng có sẵn trong tự nhiên hoặc phục hồi bằng tái sinh tự nhiên

- Rừng nguyên sinh: Là rừng chưa hoặc ít bị tác động bởi con người, thiên tai; Cấu trúc của rừng còn tương đối ổn định

- Rừng thứ sinh: Là rừng đã bị tác động bởi con người hoặc thiên tai tới mức làm cấu trúc rừng bị thay đổi

- Rừng phục hồi: Là rừng được hình thành bằng tái sinh tự nhiên trên đất

đã mất rừng do nương rẫy, cháy rừng hoặc khai thác kiệt

- Rừng sau khai thác: Là rừng đã qua khai thác gỗ hoặc các loại lâm sản khác

- Rừng nhân tạo: Là rừng được hình thành do con người trồng

e Dựa vào nguồn gốc [1]

- Rừng chồi: Là rừng được trồng bằng chồi thân, chồi rễ hay chồi gốc Chỉ

áp dụng cho các loài cây có khả năng đâm chồi mạnh

- Rừng hạt: Là rừng có nguồn gốc hạt, tiến hành tái sinh hạt sau khai thác trong quá trình nuôi dưỡng rừng Rừng hạt có sức sống mạnh, ổn định, đời sống dài, cây gỗ lớn

g Rừng theo tuổi [1]

- Rừng non: Giai đoạn phát triển của rừng từ lúc cây con hình thành, tán bắt đầu giao nhau (đối với rừng trồng) cho đến lúc cây mọc ổn định về chiều cao

- Rừng sào: Rừng bắt đầu khép tán, xuất hiện quan hệ cạnh tranh gay gắt

về ánh sáng và chiều cao giữa các cá thể cây gỗ Giai đoạn này cây gỗ phát triển mạnh về chiều cao

- Rừng trung niên: Rừng khép tán hoàn toàn, sự phát triển về chiều cao chậm lại, có sự phát triển về đường kính Rừng đã thành thục về tái sinh

- Rừng già: Trữ lượng cây gỗ đạt tối đa Có một vài cây gỗ già, chết Tán cây thưa dần, cây rừng vẫn ra hoa kết quả nhưng chất lượng không tốt

1.1.3 Khái niệm biến động độ tàn che rừng

Từ trước đến nay chưa có khái niệm chính xác về đánh giá biến động Nhưng đánh giá biến động có thể được hiểu là: Việc theo dõi, giám sát và quản lý đối tượng nghiên cứu để từ đó thấy được sự thay đổi về đặc điểm, tính chất của đối tượng nghiên cứu, sự thay đổi có thể định lượng được (Nguyễn Tiến Mạnh, 2008)

Đánh giá biến động độ tà che rừng là đánh giá được sự thay đổi về độ tàn che qua các thời điểm dưới sự tác động từ các yếu tố tự nhiên, kinh tế - xã hội, sự khai thác, sử dụng của con người Mọi vật trên thế giới tự nhiên không bao giờ bất biến mà luôn luôn biến động không ngừng, động lực của mọi sự biến động đó là quan hệ tương tác giữa các thành phần của tự nhiên Như vậy

để khai thác tài nguyên rừng một khu vực có hiệu quả, bảo vệ nguồn tài nguyên quý giá này và không làm suy thoái môi trường tự nhiên thì nhất thiết phải nghiên cứu biến động độ tàn che của rừng Sự biến động rừng do con người sử dụng vào các mục đích kinh tế - xã hội có thể phù hợp hay không phù hợp với quy luật của tự nhiên, cần phải nghiên cứu để tránh sử dụng rừng

có tác động xấu đến môi trường sinh thái

Như vậy biến động độ tàn che của rừng là xem xét quá trình thay đổi của diện tích đất thông qua thông tin thu thập đựợc theo thời gian để tìm ra quy luật và những nguyên nhân thay đổi từ đó có biện pháp sử dụng đúng đắn với nguồn tài nguyên này

1.2 Khả năng ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu biến động độ tàn che của rừng

1.2.1 Khái quát về viễn thám

a Khái niệm và nguyên lý của viễn thám

Viễn thám (Remote sensing) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu

Thực hiện được những công việc đó chính là thực hiện viễn thám - hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó

Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất" Dưới đây là định nghĩa

về viễn thám theo quan niệm của các tác giả khác nhau:

- Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vật đó (Ficher và nnk, 1976)

- Viễn thám là quan sát về một đối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhất định (Barret và Curtis, 1976)

- Viễn thám là một khoa học về lấy thông tin từ một đối tượng, được đo từ một khoảng cách cách xa vật không cần tiếp xúc với nó Năng lượng được đo trong các hệ viễn thám hiện nay là năng lượng điện từ phát ra từ vật quan tâm (D A Land Grete, 1978)

- Viễn thám là ứng dụng vào việc lấy thông tin về mặt đất và mặt nước của trái đất, bằng việc sử dụng các ảnh thu được từ một đầu chụp ảnh sử dụng bức xạ phổ điện từ, đơn kênh hoặc đa phổ, bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất (Janes B.Capbell, 1996)

- Viễn thám là "khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng, hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi phương tiện không tiếp xúc với vật, vùng, hoặc hiện tượng khi khảo sát "(Lillesand và Kiefer, 1986)

- Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin 1987) Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện, từ và trọng lực vì những quan trắc đó thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trường lực nhiều hơn là đo bức xạ điện từ Nguyên lý hoạt động của Viễn Thám:

Nguồn năng lượng chính sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin

chủ yếu về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ở từng bước sóng đã xác định

Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám, cho phép tách các thông tin hữu ích về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do

sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của viễn thám [2]

Nguồn năng lượng hay là nguồn chiếu sáng (A): Yêu cầu trước tiên đối với một hệ thống viễn thám là phải có nguồn năng lượng để chiếu sáng, cung cấp năng lượng điện từ cho đối tượng trên mặt đất

Sự bức xạ và khí quyển (B) : Khi sóng điện từ phát ra từ nguồn năng lượng

đi tới đối tượng, sóng điện từ sẽ tương tác với khí quyển Sự tương tác này diễn

ra ngay cả khi năng lượng điện từ phản xạ từ đối tượng trở lại Sensor

Tương tác với các đối tượng trên mặt đất (C): Ngoài sự tương tác với khí quyển, sóng điện từ còn tương tác với các đối tượng trên mặt đất Sự tương tác

này phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng cũng như đặc tính của sóng điện từ Thu nhận năng lượng bởi các bộ cảm biến (Sensor) (D): Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến (Sensor) Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy quét Sau khi năng lượng điện từ bị tán xạ hoặc hấp thụ bởi đối tượng, đòi hỏi phải có một Sensor để thu nhận phần năng lượng mà đối tượng phản xạ trở lại

Truyền, thu và xử lý dữ liệu (E): Năng lượng thu bởi Sensor sẽ được truyền tới trạm thu và xử lý để nhận được ảnh

Giải đoán và phân tích (F): Ảnh được giải đoán và phân tích bằng mắt hoặc kỹ thuật số, chiết tách thông tin về đối tượng

Ứng dụng (G): Nguồn thông tin phong phú về đối tượng được chiết tách từ ảnh được ứng dụng vào nhiều mục đích, giúp giải quyết các vấn đề thực tế

b Đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính

- Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật

Tính phản xạ của thực vật thấp trong vùng ánh sáng nhìn thấy và cao trong vùng gần hồng ngoại Thực vật có hệ số phản xạ thấp trong khoảng bước sóng từ 0.35m – 0.7m thì có tới 40% - 50% năng lượng tới vật bị phản xạ với bước sóng từ 0.7 - 1.3m thì năng lượng tới bị thực vật hấp thụ nhiều hơn Mặt khác, ngay trong nhóm các thực vật cũng có khả năng tách cây này thành cây khác Tương tự, cùng một loài nhưng có trạng thái sinh trưởng khác nhau sẽ có giá trị bức xạ hoặc phản xạ khác nhau Thông thường, cây non hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời vì vậy nó phản xạ kém Càng tới giai đoạn trưởng thành thì khả năng phản xạ phổ càng tăng cao trong vùng đỏ và giảm trong vùng hồng ngoại Nhờ đặc tính này, các giai đoạn phát triển của các đối tượng thực vật (đặc biệt là lúa) có khả năng phân biệt trên ảnh Trạng thái mùa cũng ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng phản xạ phổ của thực vật nhất là loài cây rụng lá Đường cong phản xạ phổ thấp đi rõ rệt trong vùng

hồng ngoại trong khoảng thời gian rụng lá do khả năng phản xạ giảm đi Tóm lại, có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới bức xạ phổ của thực vật nhưng yếu tố chủ đạo là hàm lượng chất diệp lục (chlorophyl) Chất diệp lục hấp thụ phần lớn năng lượng chiếu tới, do vậy khả năng phản xạ phổ của lá cây không lớn Ở bước sóng xanh lá cây (green), khả năng phản xạ phổ của lá cây rất cao, do đó

lá cây ở trạng thái tươi tốt được mắt người cảm nhận ở màu lục (green) Khi

lá úa hoặc có bệnh, hàm lượng clorophyl giảm đi, khả năng phản xạ phổ cũng thay đổi, mắt người sẽ cảm nhận lá cây có màu vàng, đỏ Ở vùng sóng hồng ngoại, ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng phản xạ phổ của lá cây là hàm lượng nước chứa trong lá [2]

Thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng mạnh nhất ở các bước sóng 1.4

μm, 1.9 μm, 2.7 μm Bước sóng 2.7 μm hấp thụ năng lượng mạnh nhất gọi là dải sóng cộng hưởng hấp thụ (sự hấp thụ mạnh diễn ra với dải sóng trong khoảng từ 2.66 μm – 2.73 μm) Khi hàm lượng nước chứa trong lá giảm đi, khả năng phản xạ phổ của lá cây cũng tăng lên đáng kể

- Đặc trưng phổ phản xạ của đất

Đặc trưng phản xạ chung nhất của thổ nhưỡng là khả năng phản xạ phổ tăng theo độ dài bước sóng, đặc biệt là bước sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt Ở dải sóng điện từ này, chỉ có năng lượng hấp thụ và năng lượng phản xạ mà không có năng lượng thấu quang Với các loại đất có thành phần cấu tạo các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau, khả năng phản xạ phổ sẽ khác nhau Tùy thuộc vào thành phần hợp chất có trong đất mà biên độ của đồ thị phản xạ phổ sẽ khác nhau

Hệ số phản xạ của đất tăng từ ánh sáng nhìn thấy đến hồng ngoại gần và đất khô thường sáng hơn đất ướt tại cùng một bước sóng Ngoài ra, đặc trưng phản xạ phổ của các loại đất khác nhau phụ thuộc vào thực phủ, thành phần

cơ giới, đặc biệt là độ ẩm (nói chung, khả năng phản xạ phổ các loại đất

thường giảm khi độ ẩm tăng Nguyên nhân này gây ra do sự tăng hấp thụ của nước trong đất ẩm làm giảm cường độ phản xạ của đất), hàm lượng hữu cơ, kiến trúc đất [2],

Cấu trúc của thổ nhưỡng phụ thuộc vào thành phần sét, bụi cát có trong đất Sét là hạn mịn có đường kính nhỏ hơn 0.002mm, bụi có đường kính 0.002 – 0.05mm, cát có đường kính 0.05 – 2mm Với đất hạt mịn thì khoảng cách giữa các hạt nhỏ, với đất hạt lớn, khoảng cách giữa các hạt lớn hơn dẫn đến khả năng vận chuyển không khí và độ ẩm dễ dàng hơn Độ ẩm và lượng nước có trong đất ảnh hưởng lớn đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng Một yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng là hợp chất hữu cơ có trong đất Với hàm lượng hợp chất hữu cơ từ 0.5 – 5.0% đất sẽ có màu nâu sẫm (phản xạ phổ yếu) Nếu hàm lượng chất hữu cơ trong đất thấp hơn, khả năng phản xạ phổ sẽ cao hơn Khả năng phản xạ phổ của thổ nhưỡng còn phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt chứa trong đất Khả năng phản xạ phổ tăng khi hàm lượng oxit sắt trong đất giảm xuống (đặc biệt là vùng phổ nhìn thấy) Trong dải sóng điện từ này, khả năng phản xạ phổ có thể giảm đến 40% khi hàm lượng oxit sắt trong đất tăng lên Khi loại bỏ oxit sắt

ra khỏi đất, khả năng phản xạ phổ tăng lên một cách rõ rệt, đặc biệt trong dải sóng điện từ 0.5 μm – 1.1 μm

- Đặc trưng phổ phản xạ của nước

Khả năng phản xạ phổ của nước thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước Ngoài ra, khả năng phản xạ phổ của nước còn phụ thuộc vào bề mặt nước và trạng thái của nước

Đối với đường bờ nước, ở dải sóng hồng ngoại và cận hồng ngoại có thể phân biệt một cách rõ ràng Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh năng lượng ở bước sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại, do đó năng lượng phản xạ sẽ rất ít

Ở dải sóng dài, khả năng phản xạ phổ của nước khá nhỏ nên có thể sử dụng

các kênh ở dải sóng ngoài để xác định ranh giới nước – đất liền

Trong nước chứa nhiều thành phần hữu cơ và vô cơ, cho nên khả năng phản xạ phổ của nước phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước Nước đục có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước trong, nhất là ở dải sóng dài Hàm lượng clorophyl cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước (giảm khả năng phản xạ phổ ở dải sóng ngắn, tăng ở dải sóng màu xanh lá cây) Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của nước, tuy không thể hiện rõ rệt qua sự khác biệt của đồ thị phổ: độ mặn của nước biển, hàm lượng khí metan, oxi, nitơ, cacbonic, trong nước

Nước có hệ số phản xạ cao hơn tại bước sóng là 0.6m và không phản xạ tại bước sóng bằng 0.7m (tại bước sóng này thường có phản xạ bằng 0) Khả năng phản xạ của nước chủ yếu phụ thuộc vào nước, độ đục và độ sâu của nước Nước bẩn chứa nhiều tạp chất có khả năng phản xạ phổ cao hơn nước sạch

1.2.2 Ứng dụng của viễn thám

Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, lĩnh vực ứng dụng của viễn thám rất đa dạng Hiện nay, kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, lâm nghiệp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất, môi trường, và thu được những thành tựu to lớn Trong nông - lâm nghiệp, kỹ thuật viễn thám được ứng dụng nhằm xác định các loài thực vật, dự báo mùa vụ, đánh giá khả năng sinh trưởng của cây trồng, kiểm kê rừng, đánh giá mật độ lớp phủ, dự báo và phát hiện cháy rừng, Trong địa chất, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi nhằm phát hiện và lập bản đồ phân bố các loại khoáng sản, lập bản đồ cấu trúc các lớp địa chất, địa mạo, nghiên cứu dự báo động đất, núi lửa, Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu biển và tài nguyên nước là một trong những lĩnh vực đạt kết quả quan trọng nhất Kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để nghiên cứu biến động đường bờ, nghiên cứu quần thể động - thực vật biển, theo dõi

các dòng chảy và độ đục/trong của nước,…

Ở nước ta, kỹ thuật viễn thám bắt đầu sử dụng từ những thập kỷ cuối của thế kỷ XX, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỷ lệ Ngày nay tư liệu ảnh vệ tinh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, giám sát tài nguyên nước, tài nguyên rừng, dự báo năng suất lúa,

- Lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất

Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều cơ quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùng lãnh thổ khác nhau, từ khu cực nhỏ đến tỉnh vùng và toàn quốc Bản đồ hiện trạng sử dụng đất của các vùng Tây Nguyên, đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng,… được thành lập trong các khuôn khổ chương trình điều tra tổng hợp, đều đã sử dụng ảnh vệ tinh như một nguồn tài liệu chính Những bản đồ này được thành lập trong những năm 1989, 1990 và do các cơ quan nghiên cứu khoa học và điều tra cơ bản thực hiện Bản đồ được thành lập chủ yếu

ở tỷ lệ 1:250.000 [3]

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc năm 1990 tỷ lệ 1: 1000000 được thành lập bằng nhiều nguồn tài liệu, trong đó có ảnh vệ tinh LANDSAT-TM Bản đồ này do Tổng cục Quản lý ruộng đất (nay thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường), cùng một số cơ quan khác thực hiện Bên cạnh đó, năm 1993 Tổng cục Quản lý đất đai, Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Điều tra Quy hoạch rừng, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghệp (Bộ Nông nghiệp

và Phát triển Nông thôn) đã thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất toàn quốc

tỷ lệ 1: 250.000 bằng ảnh LANDSAT-TM [3]

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất cấp tỉnh và các khu vực hẹp hơn của một số địa phương cũng được thành lập bằng ảnh vệ tinh Những bản đồ này thường

được thành lập ở các tỷ lệ 1: 100.000 (cấp tỉnh) đến 1: 25.000 (khu vực cụ thể) do các viện thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp, Trung tâm Viễn thám thuộc Bộ Tài nguyên và Môi Trường và một số Trường Đại học thực hiện trong khuôn khổ các đề tài nghiên cứu và các dự án Năm 2000, một số Sở Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành thử nghiệm thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất bằng ảnh vệ tinh Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã thành lập bình đồ ảnh vũ trụ tỷ lệ 1: 10.000 phục vụ kiểm kê đất đai của 13 tỉnh trong đợt kiểm kê đất năm 2005 [3]

Từ 1979, ảnh vệ tinh được bắt đầu sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và trở thành một công cụ quan trọng trong điều tra quy hoạch

và thiết kế kinh doanh rừng Ảnh vệ tinh LANDSAT-TM được sử dụng rất nhiều trong xây dựng các bản đồ rừng cấp vùng và toàn quốc (1985-1990) trong chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1991-1995”, nghiên cứu biến động rừng ngập mặn trong

20 năm ở Minh Hải, dự án Mê Công “Theo dõi, đánh giá biến động lớp phủ rừng” Ảnh vệ tinh LANDSAT ETM+ được sử dụng trong Chương trình

“Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 2001-2005” để lập bản đồ rừng và sử dụng đất cho 64 tỉnh, thành phố hoàn toàn bằng công nghệ xử lý ảnh số Ảnh vệ tinh SPOT được sử dụng trong các chương trình “Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc, giai đoạn 1996-2000” để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất cấp tỉnh tỷ lệ 1:100.000, dự án phục hồi rừng ngập mặn Cà Mau, dự án

“Phát triển hệ thống thông tin rừng nhiệt đới – Information System Development Project for Tropical Forests” Ảnh vệ tinh độ phân giải cao Quickbird được sử dụng trong việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất tỷ lệ 1:10.000 cho 2 lâm trường M’drac và Nam Nung (2004-2005),

các xã vùng đệm thuộc dự án Bảo vệ và Phát triển những vùng đất ngập nước ven biển miền Nam Việt Nam (2005) [3]

- Đối với nông nghiệp [3]

Ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu được triển khai trong các công trình nghiên cứu đơn lẻ hay một số các dự án do nước ngoài tài trợ Trong khuôn khổ các dự án “Quy hoạch nguồn nước lưu vực Srepok” và “Phát triển bền vững đất nông nghiệp Tây Nguyên” Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp đã phối hợp với một số cơ quan, tổ chức trong và ngoài nước lập bản đồ sử dụng đất trên cơ sở giải đoán bằng mắt ảnh vệ tinh LANDSAT MSS, TM và SPOT Viện đã sử dụng kết hợp các phần mềm xử lý ảnh viễn thám và GIS xây dựng bản đồ lớp phủ một số xã thí điểm tỉnh Bắc Kạn từ ảnh SPOT Một dự án thử nghiệm “Hệ thống thông tin cây trồng Việt Nam” đã thực hiện ở huyện Đại Từ, Thái Nguyên với mục tiêu cung cấp nhanh chóng, xác thực số liệu về qui mô diện tích cây trồng (trọng tâm là cây chè) từ tư liệu viễn thám, so sánh số liệu thu thập từ nguồn này với thống kê và đề xuất một số giải pháp phát triển vùng sản xuất chè Dự án đã góp phần chứng minh khả năng lớn của công nghệ viễn thám và GIS trong đáp ứng kịp thời nhu cầu giám sát diễn biến diện tích cây trồng nông nghiệp và dự báo những vùng có thay đổi lớn ở cấp quốc gia, đồng thời tạo cơ sở khoa học tin cậy cho những quyết định về quy hoạch nông nghiệp nông thôn và những quyết sách về chuyển đổi cơ cấu nông nghiệp và phát triển nông sản hàng hóa Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã giao cho viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp chủ trì dự án “Điều tra hiện trạng sản xuất một số cây công nghiệp lâu năm toàn quốc (chè, cà phê, cao su, hồ tiêu và điều)” Ảnh viễn thám SPOT5 với độ phân giải 10m đa phổ và 2,5m toàn sắc được sử dụng trong điều tra diện tích các loại cây công nghiệp lâu năm trọng điểm

- Nghiên cứu biến động sử dụng đất [3]

Nghiên cứu biến động sử dụng đất là một trong những lĩnh vực quan trọng và khó khăn trong điều tra, giám sát môi trường, trong đó ảnh vệ tinh đã được sử dụng như một công cụ hữu hiệu Nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, điều tra cơ bản, giáo dục ở nước ta đã quan tâm đến ứng dụng công nghệ viễn thám

để thực hiện nhiệm vụ này như Viện Địa lý, Địa chất, Vật lý, Nghiên cứu biển thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Trung tâm Viễn thám, Liên đoàn Bản đồ Địa chất thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường đã tiến hành nhiều thử nghiệm dưới dạng các đề tài nghiên cứu, các dự án và đã thu được những kết quả ban đầu quan trọng

Trong chương trình của Cục Bảo vệ Môi trường, Trung tâm Viễn thám -

Bộ Tài nguyên và Môi trường và một số cơ quan khác đã sử dụng ảnh vệ tinh

đa thời gian để khảo sát biến động của bờ biển, lòng sông, biến động rừng ngập mặn, diễn biến rừng, biến động lớp phủ mặt đất và sử dụng đất (ở một

số vùng), thành lập các bản đồ rừng ngập mặn tỉ lệ 1: 100.000 phủ trùm toàn dải ven biển và tỉ lệ lớn hơn cho từng vùng, bản đồ đất ngập nước toàn quốc tỉ lệ 1: 250.000

- Sử dụng ảnh radar theo dõi lúa [3]

Cho đến nay ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám quang học như ảnh NOAA/AVHRR hoặc SPOT/Vegetation cho việc theo dõi sự tăng trưởng mùa màng nói chung, và mùa vụ lúa nói riêng Tuy nhiên độ phân giải không gian của chúng (1km) không cho phép theo dõi từng thửa ruộng Các tư liệu viễn thám quang học khác như LANDSAT và SPOT

có thể sử dụng cho mục đích này, nhưng phần lớn thời gian gieo trồng lúa ở vùng nhiệt đới là mùa mưa, nhiều mây Vì vậy không hoặc ít khi có được ảnh quang học có chất lượng tốt Để khắc phục hạn chế này, các tư liệu viễn thám radar được sử dụng vì ảnh radar cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với

điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời, thích hợp cho việc giám sát

sự tăng trưởng cây lúa, lập bản đồ và dự báo năng suất mùa vụ

Tại Việt Nam, thông qua một dự án hợp tác giữa viện nghiên cứu lúa IRRI, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Đại học Cần Thơ đã chọn một khu vực tại Đồng Bằng Sông Cửu Long làm thử nghiệm theo dõi lúa (1998) Trong khuôn khổ chương trình công nghệ thông tin IT 2000, Trung tâm liên ngành viễn thám và GIS thực hiện dự án nghiên cứu “Sử dụng tư liệu Radasat trong theo dõi lúa ở đồng bằng sông Cửu Long” Có thể nói từ năm 2000 trở

về trước, các nghiên cứu ở Việt Nam dừng ở mức lập bản đồ các vùng trồng lúa từ ảnh radar Sau này, vấn đề theo dõi sinh trường và dự báo năng suất lúa bằng các tư liệu radar được thực hiện ở một số tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long (Sóc Trăng, An Giang) Trong đó tập trung chủ yếu vào nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám SAR đa thời gian để tìm hiểu mối quan hệ của chúng với chu kỳ sinh trưởng của cây lúa Trong khuôn khổ dự án thử nghiệm sử dụng ảnh ENVISAT ASAR theo dõi và dự báo lúa ở Bắc Bộ Việt Nam (2005), Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp phối hợp với SARMAP đã tiến hành khảo sát trên 100 điểm ở Thái Bình Nhìn chung, kết quả sử dụng tư liệu ảnh radar ở nước ta, nhất là trong nông nghiệp còn rất khiêm tốn do công nghệ xử lý khá mới mẻ và phức tạp, đặc điểm manh mún, xen kẽ trong phương thức canh tác Nhưng về lâu dài, nó rất phù hợp với Việt Nam bởi cho phép quan sát bề mặt trái đất độc lập với điều kiện thời tiết và sự chiếu sáng của mặt trời

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát tài nguyên và môi trường

ở nước ta trong thời gian qua tuy đã thu được một số kết quả song còn ít, tản mạn và trên thực tế chưa đáp ứng được nhu cầu Các ứng dụng công nghệ viễn thám chủ yếu mới tập trung vào lĩnh vực hiện chỉnh bản đồ địa hình, thành lập một số bản đồ chuyên đề, bước đầu đề cập đến ứng dụng công nghệ

viễn thám phục vụ quản lý đất đai và một số khía cạnh của môi trường Thực

tế đó đòi hỏi phải đẩy mạnh ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường Để đạt được nhiệm vụ trên, việc đầu tư công nghệ mới nhằm xây dựng đồng bộ hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu và áp dụng tư liệu ảnh vũ trụ là yêu cầu cần thiết với nước ta hiện nay

1.2.3 Ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu biến động độ tàn che rừng

Ngày nay, với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học công nghệ, tài liệu ảnh vệ tinh đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường Những ưu thế cơ bản của ảnh viễn thám có thể kể ra là:

- Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (Landsat 180km x180km, SPOT, ASTER 60km x 60 km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc

- Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiên cứu các đặc điểm của đối tượng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau

- Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau do đó cho phép nghiên cứu bề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau Ví dụ như các loại ảnh độ phân giải siêu cao như SPOT5, IKONOS, QuickBird, ảnh hàng không để nghiên cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhưng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn như MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu vực

- Khả năng chụp lặp lại hay còn gọi là độ phân giải thời gian Do đặc điểm quĩ đạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại được vị trí trên mặt đất Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tượng diễn ra trên mặt đất, ví dụ như quá trình sinh trưởng của cây trồng, thảm thực vật

Các dữ liệu được thu nhận ở dạng số nên tận dụng được sức mạnh xử lý của máy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin như hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Do những đặc tính hết sức ưu việt như trên ảnh viễn thám đã trở thành một công cụ không thể thiếu được trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường nói chung và việc chiết tách các thông tin độ tàn che nói riêng, nhất là ở những vùng khó tiếp cận như các vùng núi cao, biên giới, hải đảo

Mật độ tàn che rừng là một nhân tố chính trong việc đánh giá tình trạng rừng và là một chỉ số quan trọng để các nhà quản lý có thể theo dõi diễn biến rừng

Ước tính độ che phủ rừng gần đây đã trở thành một phần quan trọng trong kiểm kê rừng Sử dụng hình ảnh vệ tinh để ước tính phạm vi bảo vệ tán rừng có lịch sử lâu dài Các phương pháp viễn thám thông thường đánh giá tình trạng rừng dựa trên phân tích dữ liệu định tính bắt nguồn từ “vùng mẫu” Điều này có một số bất lợi về thời gian và chi phí cho việc thiết lập vùng mẫu Mô hình mật

độ tán rừng là một trong những phương pháp hữu ích để phát hiện và ước lượng mật độ tán trên diện tích rộng theo thời gian và có hiệu quả về kinh tế

Việc sử dụng vệ tinh viễn thám ngày càng tăng cho sử dụng dân dụng đã chứng tỏ là phương tiện hiệu quả nhất để lập bản đồ và giám sát các thay đổi môi trường về thực vật, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như Việt Nam

Viễn thám đóng một vai trò then chốt trong việc tìm thông tin về độ che phủ rừng, loại thảm thực vật và sự thay đổi sử dụng đất Để quản lý rừng tốt hơn, cần xem xét đến sự thay đổi mật độ Mật độ tàn che rừng là một trong những thông

số hữu ích nhất để xem xét trong việc lập kế hoạch và thực hiện chương trình cải tạo Có thể là không có sự thay đổi nào trong diện tích rừng trong thời gian đó nhưng mật độ tán rừng bị thay đổi

1.3 Khả năng ứng của GIS trong nghiên cứu biến động độ tàn che của rừng

1.3.1 Khái quát về hệ thống thông tin địa lý

Khái niệm: Hệ Thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản

lý nhất định

Hình 1.2 Mô hình công nghệ GIS [4]

Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Là một nhánh của công nghệ thông tin,

đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây

GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản

lý các hoạt động theo lãnh thổ

Ngày nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt động kinh tế-xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm hoạ thiên tai v.v GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân v.v đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế-xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên cơ sở toạ độ của các

dữ liệu bản đồ đầu vào

Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể

Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS

Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý

Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Chuyên viên, dữ liệu, phương pháp phân tích, phần mềm, phần cứng

Chức năng: Một hệ GIS phải đảm bảo được 6 chức năng cơ bản sau:

- Capture: Thu thập dữ liệu Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể

là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số…

- Store: Lưu trữ Dữ liệu có thể được lưu dưới dạng vector hay raster

- Query: Truy vấn (tìm kiếm) Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ hoạ hiển thị trên bản đồ

- Analyze: Phân tích Đây là chức năng hộ trợ việc ra quyết định của người dùng Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi

- Display: Hiển thị Hiển thị bản đồ

- Output: Xuất dữ liệu Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dưới nhiều định dạng: Giấy in, Web, ảnh, file…

Lịch sử phát triển: Theo nhiều tài liệu cho thấy, lịch sử hình thành GIS không được cụ thể lắm bởi lẽ những khái niệm tương tự GIS đã tồn tại ngay từ khi xuất hiện con người, từ khi con người có nhu cầu đi lại, sinh hoạt, buôn bán, Mặc dù vậy, sự đóng góp rất lớn và rất tích cực của Giáo sư Roger Tomlinson vào năm 1963 đã khiến thế giới phải công nhận ông chính là cha

đẻ của GIS Roger Tomlinson là người xây dựng Hệ thống thông tin địa lý đầu tiên trên thế giới Đó là Hệ thống thông tin địa lý quốc gia Canada Ngoài

ra, ông còn được biết đến như là người đầu tiên đưa ra thuật ngữ GIS Chúng

ta cùng nhau đi ngược lại lịch sử để thấy sự ra đời kỳ diệu của GIS Như chúng ta cũng biết, năm 1940 ngành đồ họa máy tính bắt đầu hình thành và phát triển Sự khó khăn trong việc sử dụng các thiết bị kinh điển để khảo sát những bài toán phức tạp hơn đã dẫn đến hình thành ngành Bản đồ máy tính vào những năm 1960 Cũng thời gian này, nhiều bản đồ đơn giản được xây dựng với các thiết bị vẽ và in Tuy nhiên, chỉ khoảng 10 năm sau, năm 1971 khi chip bộ nhớ máy tính được phổ biến, các ngành liên quan đến đồ họa trên máy tính thật sự chuyển biến và phát triển mạnh Tuy nhiên, nói đến GIS, chúng ta cũng có thể nghĩ đến việc lưu trữ và truy vấn dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu không gian đồ sộ Những lý thuyết và thực tế về cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin ra đời vào cuối những năm 60, đầu những năm 70 là một đóng góp khác cho sự ra đời của GIS Vào những năm 1950, các lực lượng quân sự bắt đầu sử dụng viễn thám môi trường trong các công tác đặc biệt Sự "chuyển nhượng" công nghệ viễn thám từ quân sự sang dân sự vào những năm 1960 là một động lực khác thúc đẩy GIS GIS sẽ không là GIS nếu nó không thực hiện các bài toán phân tích không gian Một lớp bài toán phân tích không gian kinh điển đó là chồng lớp Những lý luận ứng dụng đại số bản đồ vào những năm 60 trong các ứng dụng quy hoạch giúp bổ sung thêm một "bệ phóng" nữa cho "tên lửa" GIS Tất cả những ý tưởng trên dường như được hội tụ vào cùng một thời điểm Roger Tomlinson là một trong những người nhạy bén đón nhận những tinh hoa đó và chuyển thành một GIS GIS ngày nay không chỉ dừng lại ở mức công nghệ mà nó đã tiến lên nhiều nấc đến khoa học và dịch vụ

1.3.2 Khả năng ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong đánh giá biến động độ tàn che của rừng

So với việc đánh giá biến động bằng phương pháp truyền thống thì việc tự động hóa trong đánh giá biến động cho ta một lợi ích to lớn GIS cho phép người dùng thực hiện các chức năng: Hiển thị trực quan, tạo lập bản đồ, trợ

giúp ra quyết định, trình bày, khả năng tùy biến của chương trình

Nguyên lý của việc đánh giá biến động của phần mềm này là sau khi chồng xếp 2 lớp thông tin bản đồ lên nhau, phần mềm sẽ tự động hiển thị những vùng biến động về trường dữ liệu đã đăng ký giữa hai lớp và tính toàn được diện tích biến động của các vùng đó trên bản đồ với thao tác đơn giản để đưa ra kết quả Từ lớp thông tin biến động ta có thể xây dựng được bản đồ biến động

Để đánh giá biến động cần có một ma trận đánh giá biến động Ma trận này dựa trên các thông tin biến động ta đã xử lý ở trên Bản đồ biến động thể hiện sự phân bố không gian của mật độ tàn che bị biến động hoặc cũng có thể biểu thị được mức độ biến động của độ tàn che trên bản đồ, còn ma trận biến động hiển thị kết quả thống kê diện tích độ tàn che của các loại đối tượng cùng với sự phân bố biến động sang độ tàn che của các đối tượng khác Và đây chính là ưu điểm hơn hẳn của phương pháp này so với các phương pháp khác

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG ĐỘ TÀN CHE CỦA RỪNG 2.1 Quy trình ứng dụng viễn thám đánh giá biến động độ tàn che của rừng

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu

Đánh giá biến động giai đoạn

2004 - 2014

Thành lập bản đồ biến động độ tàn che rừng giai đoạn 2004 - 2014 Mật độ tàn che rừng năm 2004 Mật độ tàn che rừng năm 2014

2.2 Cơ sở khoa học xác định độ tàn che từ ảnh vệ tinh

Việc sử dụng ảnh vệ tinh viễn thám cho mục đích dân sự ngày càng nhiều

đã chứng tỏ rằng viễn thám là phương tiện hiệu quả rất lớn để lập bản đồ và giám sát các thay đổi môi trường về thực vật và các tài nguyên không tái tạo được, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như Việt Nam Dữ liệu có thể thu được thường xuyên như yêu cầu cung cấp thông tin để xác định những thay đổi định tính và chất lượng của địa hình Rừng là một phần của cuộc sống con người, rừng có một vị trí đặc biệt trong phát triển kinh tế, ổn định nguồn tài nguyên nước và đất ở khắp nơi trên thế giới Nhưng vì những lý do khác nhau như phát triển dân số, rừng suy giảm nghiêm trọng do rất nhiều nguyên nhân tác động như: Nông nghiệp, khai thác năng lượng và tái tạo nhiên liệu đã làm ảnh hưởng không hề nhỏ đối với rừng Để quản lý và khai thác rừng tốt hơn ta cần điều tra sự thay đổi diện tích rừng và mật độ rừng, có thể không có

sự thay đổi về diện tích rừng trong một khoảng thời gian nào đó nhưng mật độ tàn che đã bị thay đổi Chính vì vậy trong nghiên cứu này, phương pháp mô hình mật độ tàn che rừng được ứng dụng để tính toán cho khu vực thực nghiệm tỉnh Đắk Lắk

Mật độ tàn che rừng là một trong những yếu tố chính trong việc đánh giá tình trạng rừng và là một chỉ số quan trọng có thể tham gia công tác quản lý

Độ tàn che rừng, được định nghĩa là tỷ số diện tích tán rừng được chiếu xuống đất rừng bằng phép chiếu thẳng đứng Ước tính độ tàn che rừng gần đây đã trở một phần quan trọng trong công tác kiểm tra rừng Sử dụng ảnh vệ tinh để ước tính độ tàn che có lịch sử lâu dài Các phương pháp viễn thám thông thường đánh tình trạng rừng dựa việc phân tích dữ liệu định tính bắt nguồn từ các vùng mẫu Điều này có một số bất lợi về thời gian và chi phí cho việc thiết lập các vùng mẫu Mô hình mật độ tán rừng là một trong những phương pháp hữu ích để phát hiện và ước lượng mật độ tán rừng trên diện tích rộng

theo thời gian và có tính kinh tế cao Mô hình dựa trên ba chỉ số: Chỉ số thực vật cải tiến (AVI), Chỉ số đất trống (BI), chỉ số bóng (SI)

Trong quá trình nghiên cứu này, mô hình mật độ tàn che của rừng đã được chuẩn bị Mô hình mật độ tàn che rừng sử dụng mật độ tán rừng như một tham số thiết yếu cho các điều kiện đặc trưng của rừng Mô hình này mô tả và phân tích các mô hình phổ sinh học bằng cách sử dụng dữ liệu có nguồn gốc từ chỉ số cây

- Chỉ số thực vật cải tiến (AVI)

Các phép tiền xử lý là những công đoạn như khôi phục và hiệu chỉnh ảnh

Nó được sử dụng để hiệu chỉnh bức xạ và hiệu chỉnh hình học do những biến

dạng gây ra bởi bộ cảm biến và vật mang

Tiền xử lý ảnh số bao gồm hiệu chỉnh hình học và bức xạ, thường được thực hiện trên các máy tính lớn tại các trung tâm thu dữ liệu vệ tinh nhằm tạo

ra một dữ liệu ảnh lý tưởng cung cấp cho người sử dụng Thực tế cho thấy, khi đo các bức xạ và phản xạ sóng từ mặt đất thu nhận bởi Sensor đặt trên các vật mang, người ta thấy sự khác biệt so với trường hợp quan sát cùng đối tượng đó ở khoảng cách gần Điều này chứng tỏ ở những khoảng cách xa luôn tồn tại một lượng nhiễu nhất định gây bởi ảnh hưởng của góc nghiêng và độ cao mặt trời, của điều kiện khí quyển như sự hấp thụ, tán xạ… Do đó, để đảm bảo nhận được những giá trị chính xác của năng lượng bức xạ và phản xạ, cần phải thực hiện việc hiệu chỉnh bức xạ nhằm loại trừ các nhiễu Ngoài ra, do