Nghiên cứu biến động lớp phủ rừng trong quá trình phát triển kinh tế xã hội tỉnh hòa bình với sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và GIS

Các nghiên cứu trên thế giới đã dịch chuyển từ tập trung vào việc xác địnhbiến động lớp phủ rừng tới nâng cao sự hiểu biết về động lực của sự thay đổi cảnhquan với mô hình sử dụng đất hi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ THÚY HẠNH

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ RỪNG

TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH HÒA BÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA CÔNG

NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ

HÀ NỘI, 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ THÚY HẠNH

NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ RỪNG

TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH HÒA BÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA CÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu,kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thúy Hạnh

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo trường Đại học Tài nguyên vàMôi trường Hà Nội, Ban lãnh đạo khoa Trắc địa - Bản đồ - nơi tác giả đang côngtác cùng toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ, chia sẻ côngviệc để tác giả có thể hoàn thành luận án này.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch vàTS.Trần Vân Anh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và độngviên, tạo điều kiện giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Đinh Thị Bảo Hoa, PGS.TS PhạmVăn Cự, TS Hoàng Thị Thu Hương - Khoa Địa lý- Trường Đại học Khoa học Tựnhiên và TS.Vũ Kim Chi - Viện Việt Nam học và Khoa học phát triển - Đại họcQuốc Gia Hà Nội và nhiều Nhà khoa học khác - những người tiên phong trongnghiên cứu lớp phủ, biến động lớp phủ để đến hôm nay tác giả được kế thừa vàtiếp tục phát triển hướng nghiên cứu, đặc biệt là những gợi ý từ các khóa luận,luận án đã góp phần bổ sung, hoàn thiện luận án này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học thuộc các cơ quan: ViệnĐịa lý, Viện Công nghệ Vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam;Đại học Sư phạm Hà Nội; Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, Đại học Lâm nghiệp,…

đã đóng góp ý kiến từ nhiều khía cạnh để luận án trở nên hoàn thiện hơn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Sở Tài nguyên và Môi trường Hòa Bình, CụcThống kê Hòa Bình, Trung tâm Viễn thám Địa chất – Liên đoàn Bản đồ Địa chấtmiền Bắc, …đã cung cấp tư liệu cho luận án

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, tác giả xin bày tỏ lòng biết

ơn tới gia đình, đặc biệt là người bạn đời đã luôn luôn sát cánh, chia sẻ và độngviên tinh thần trong suốt nhiều năm tác giả thực hiện luận án

Hà nội, ngày 10 tháng 7 năm 2016

Tác giả

Nguyễn Thị Thúy Hạnh

iv

MỤC LỤC

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Điểm mới của luận án 3

5 Luận điểm bảo vệ 3

6 Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài 3

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

8 Cấu trúc của luận án 5

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LỚP PHỦ VÀ LỚP PHỦ RỪNG 6

1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan 6

1.1.1 Tổng quan tình hình sử dụng tư liệu viễn thám nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừng trên thế giới 6

1.1.2 Tình hình nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừng tại Việt Nam 11

1.1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan đến lớp phủ và lớp phủ rừng tại Hòa Bình 13

1.2 Cơ sở lý luận nghiên cứu lớp phủ rừng 17

1.2.1 Khái niệm lớp phủ rừng và hệ thống phân loại lớp phủ 17

1.2.2 Các phương pháp chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám 21

1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu biến động bằng viễn thám và GIS 23

1.2.4 Các mô hình nghiên cứu biến động 27

1.3 Quan điểm, phương pháp và quy trình nghiên cứu 35

1.3.1 Quan điểm nghiên cứu 35

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 36

1.3.3 Quy trình nghiên cứu 38

CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ RỪNG TỈNH HÒA BÌNH QUA CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI 40

2.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến lớp phủ rừng 40

2.1.1 Vị trí địa lý 40

2.1.3 Điều kiện kinh tế xã hội 49

2.2 Tích hợp viễn thám và GIS nghiên cứu hiện trạng lớp phủ rừng qua các giai đoạn 67

2.2.1 Nghiên cứu thay đổi về trạng thái lớp phủ rừng 68

2.2.2 Nghiên cứu phân bố không gian và biến động lớp phủ rừng 74

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ RỪNG TỈNH HÒA BÌNH VÀ ĐỀ XUẤT ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN-BẢO VỆ 87

3.1 Đặc điểm và xu hướng biến động 87

3.2 Phân tích mối quan hệ giữa biến động lớp phủ rừng và các yếu tố địa lý tự nhiên, kinh tế xã hội 91

3.2.1 Kết quả phân tích mất rừng và suy thoái rừng 97

3.2.2 Kết quả phân tích tái sinh rừng tự nhiên 103

3.2.3 Kết quả phân tích mở rộng rừng trồng 108

3.3 Kiểm chứng và thảo luận về các yếu tố gây biến động lớp phủ rừng qua hai giai đoạn nghiên cứu 113

3.3.1 Các yếu tố tác động trực tiếp đến biến động lớp phủ rừng qua hai giai đoạn nghiên cứu 113

3.3.2 Kết quả điều tra tại các điểm chìa khóa 114

3.3.3 Biến động lớp phủ rừng và chính sách phát triển kinh tế xã hội 120

3.4 Dự báo biến động lớp phủ rừng và định hướng phát triển-bảo vệ lớp phủ rừng đến năm 2020 123

3.4.1 Dự báo biến động lớp phủ rừng đến năm 2020 123

3.4.2 Định hướng phát triển và bảo vệ lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình đến năm 2020 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 137

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

PHỤ LỤC 151

Phụ lục 1: Tư liệu sử dụng 151

Phụ lục 2: Mã hóa các biến giải thích 184

Phụ lục 3: Bản đồ tương ứng với các biến giải thích 185

Phụ lục 4: Kết quả chạy mô hình hồi quy 186

vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Những lớp đối tượng nghiên cứu trong luận án 21

Bảng 2 1 Số liệu thống kê mật độ dân số tỉnh Hòa Bình 50

Bảng 2 2 Tăng trưởng kinh tế tỉnh Hòa Bình……….54

Bảng 2 3 Cơ cấu giá trị sản xuất công nghiệp phân theo ngành……… 55

Bảng 2 4 Một số chỉ số về tăng trưởng kinh tế ngành nông nghiệp………… 57

Bảng 2 5 Kết quả thực hiện một số chỉ số phát triển ngành lâm nghiệp……….58

Bảng 2 6 Số lượng trường học trong các huyện 62

Bảng 2 7 Số lượng học sinh và giáo viên trong các huyện 62

Bảng 2 8 Thay đổi sử dụng đất qua các năm 63

Bảng 2 9 Chỉ số NDVI và biến động chỉ số NDVI 70

Bảng 2 10 Thống kê diện tích các loại lớp phủ 77

Bảng 2 11 Độ chính xác kết quả phân loại năm 1994 82

Bảng 2 12 Độ chính xác kết quả phân loại năm 2005 82

Bảng 2 13 Độ chính xác kết quả phân loại năm 2015 82

Bảng 3 1 Gộp nhóm các loại biến động……… 92

Bảng 3 2 Các biến phụ thuộc 95

Bảng 3 3 Các biến độc lập 95

Bảng 3 4 Mô hình mất rừng và suy thoái rừng 1994-2005 97

Bảng 3 5 So sánh bản đồ xác suất mất rừng và suy thoái rừng với bản đồ biến động thực tế 99

Bảng 3 6 Mô hình mất rừng và suy thoái rừng giai đoạn 2005-2015 100

Bảng 3 7 Mô hình tái sinh rừng tự nhiên giai đoạn 1994-2005 103

Bảng 3 1 So sánh bản đồ xác suất tái sinh rừng tự nhiên và bản đồ tái sinh rừng thực tế……….108

Bảng 3 9 Mô hình tái sinh rừng tự nhiên giai đoạn 2005-2015 106

Bảng 3 10 Mô hình mở rộng rừng trồng giai đoạn 1994-2005 108

Bảng 3 11 So sánh bản đồ xác suất mở rộng rừng trồng với BĐBĐ thực tế 110

Bảng 3 12 Mô hình mở rộng rừng trồng giai đoạn 2005-2015 110

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Phân tích vector biến động……… 25

Hình 1 2 Nguyên tắc của kỹ thuật trừ ảnh 25

Hình 1 3 Diện tích dưới đường cong ROC 35

Hình 2 1 Bản đồ hành chính tỉnh Hòa Bình 40

Hình 2 2 Mô hình số độ cao tỉnh Hòa Bình 42

Hình 2 3 Ảnh vệ tinh Landsat TM band 5, band 7 và tổ hợp band 432 42

Hình 2 4 Bản đồ địa mạo tỉnh Hòa Bình 43

Hình 2 1 Bản đồ sinh khí hậu tỉnh Hòa Bình 47

Hình 2 6 Mạng lưới sông suối tỉnh Hòa Bình 46

Hình 2 7 Bản đồ thổ nhưỡng tỉnh Hòa Bình 48

Hình 2 2 Cơ cấu lao động theo ngành kinh tế năm 1994, 2001 và 2011……….56

Hình 2 9 Cơ cấu các ngành kinh tế năm 1994, 2000, 2010 và 2014 54

Hình 2 10 Hệ thống đường giao thông tỉnh Hòa Bình 60

Hình 2 3 Phương pháp trước phân loại nghiên cứu biến động trạng thái lớp phủ rừng……… 71

Hình 2 12 Ảnh NDVI qua các năm 69

Hình 2 13 Histogram ảnh NDVI 1994-2005 (trái) và 2005-2015 (phải) 70

Hình 2 14 Biểu đồ biến động trạng thái lớp phủ 1994-2005-2015 71

Hình 2 15 Biến động chỉ số NDVI giai đoạn 1994 - 2005 72

Hình 2 16 Biến động chỉ số NDVI giai đoạn 2005 - 2015 73

Hình 2 17 Nghiên cứu biến động lớp phủ rừng theo phương pháp sau phân loại .74

Hình 2 18 Biểu đồ phân bố các pixel trong không gian phổ 75

Hình 2 19 Kết quả phân loại ảnh 76

Hình 2 20 Biểu đồ cơ cấu diện tích các loại lớp phủ 76

Hình 2 21 Ảnh phân loại sau khi gộp nhóm 78

Hình 2 22 Biến động lớp phủ rừng tại khu Bảo tồn Phu Canh 78

Hình 2 23 Biến động lớp phủ rừng tại khu vực lòng hồ sông Đà 79

Hình 2 24 Biến động lớp phủ rừng tại khu bảo tồn Thượng Tiến 79

Hình 2 25 Biến động lớp phủ rừng tại khu vực Lạc Thủy 80

viii

Hình 2 26 Biến động lớp phủ rừng tại khu vực Lương Sơn 80

Hình 2 27 Phân bố không gian lớp phủ rừng năm 1994 83

Hình 2 28 Phân bố không gian lớp phủ rừng năm 2005 84

Hình 2 29 Phân bố không gian lớp phủ rừng năm 2015 85

Hình 3 1 Diện tích biến động theo khoảng cách đến đường giao thông chính giai đoạn 1994-2005 ………87

Hình 3 2 Diện tích biến động theo khoảng cách đến đường giao thông phụ giai đoạn 1994-2005 87

Hình 3 3 Diện tích biến động theo khoảng cách đến sông suối lớn giai đoạn 1994-2005 88

Hình 3 4 Diện tích biến động theo khoảng cách đến sông suối nhỏ giai đoạn 1994-2005 88

Hình 3 5 Diện tích biến động theo độ cao địa hình giai đoạn 1994-2005 88

Hình 3 6 Diện tích biến động theo độ dốc giai đoạn 1994-2005 89

Hình 3 7 Diện tích biến động theo khoảng cách đến đường giao thông chính giai đoạn 2005-2015 89

Hình 3 8 Diện tích biến động theo khoảng cách đến đường giao thông phụ giai đoạn 2005-2015 89

Hình 3 9 Diện tích biến động theo khoảng cách đến sông suối lớn giai đoạn 2005-2015 90

Hình 3 10 Diện tích biến động theo khoảng cách đến sông suối nhỏ giai đoạn 2005-2015 90

Hình 3 11 Diện tích biến động theo độ cao địa hình giai đoạn 2005-2015 90

Hình 3 12 Diện tích biến động theo độ dốc giai đoạn 2005-2015 91

Hình 3 13 Bản đồ biến động LPR 93

Hình 3 14 Bản đồ biến động LPR 94

Hình 3 15 Sơ đồ các bước phân tích mối quan hệ giữa biến động lớp phủ rừng và các yếu tố địa lý 96

Hình 3 16 Xác suất mất rừng và suy thoái rừng giai đoạn 1994-2005 98

Hình 3 17 Đường cong ROC kiểm chứng mô hình mất rừng và suy thoái rừng.99 Hình 3 18 Xác suất mất rừng và suy thoái rừng giai đoạn 2005-2015 102

Hình 3 19 Xác suất tái sinh rừng tự nhiên giai đoạn 1994 - 2005 104

Hình 3 20 Đường cong ROC kiểm chứng mô hình tái sinh rừng tự nhiên 105

Hình 3 21 Xác suất tái sinh rừng tự nhiên giai đoạn 2005-2015 107

Hình 3 22 Xác suất mở rộng rừng trồng giai đoạn 1994-2005 109

Hình 3 23 Đường cong ROC kiểm chứng mô hình mở rộng rừng trồng 110

Hình 3 24 Xác suất mở rộng rừng trồng giai đoạn 2005-2015 112

Hình 3 25 Vị trí các xã và các hộ gia đình được phỏng vấn 115

Hình 3 26 Vị trí các xã và các hộ gia đình được phỏng vấn ở Huyện Đà Bắc 115

Hình 3 27 Rừng keo được trồng tại thôn Rổng Vòng, xã Lâm Sơn, H Lương Sơn 116 Hình 3 28 Ngôi nhà được xây dựng khang trang bằng tiền thu nhập từ trồng rừng tại thôn Rổng Vòng, xã Lâm Sơn, H Lương Sơn 116

Hình 3 29 Ngôi nhà của người Kinh ở thôn Bình Tiến, xã Dân Hạ, H Kỳ Sơn 117 Hình 3 30 Bên trong một ngôi nhà của người Dao tại xã Hiền Lương, Đà Bắc 118 Hình 3 31 Cơ cấu số hộ gia đình theo nguồn thu nhập chính của mỗi nhóm 119

Hình 3 32 Những ngôi nhà của người Tày, xã Tân Minh, H Đà Bắc 120

Hình 3 33 Những đống củi được các hộ gia đình người Tày, xã Tân Minh 120

Hình 3 34 Bản đồ dự báo xác suất mất rừng và suy thoái rừng đến năm 2020 125 Hình 3 35 Bản đồ dự báo xác suất tái sinh rừng tự nhiên đến năm 2020 126

Hình 3 36 Bản đồ dự báo xác suất mở rộng rừng trồng đến năm 2020 127

Hình 3 2 Bản đồ phân vùng địa lý tự nhiên………131

x

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

BTTN: Bảo tồn Thiên nhiên

DEM: Digital Elevation Model

DNs: Digital numbers

FAO: Food and Agriculture Organisation

GPS: Global positioning system

KT-XH: Kinh tế-xã hội

Landsat MSS: Landsat Multi-Spectral Scanner

Landsat TM: Landsat Thematic Mapper

Landsat OLI: Operational Land Imager

LBCS: Land – Based Classification Standard

LCML: Land Cover Meta Language

LPĐ: Lớp phủ đất

LPR: Lớp phủ rừng

MLC: Xác suất cực đại

MLR: Multiple Logistic Regressions

NDVI: Normalized Difference Vegetation Index

NSX: Nhà sản xuất

NSD: Người sử dụng

SPSS: Statistical Product and Services Solutions

PLA: Phân loại ảnh

SDĐ: Sử dụng đất

TNMT: Tài nguyên môi trường

TT-BTNMT: Thông tư Bộ Tài nguyên Môi trườngUSGS: United State Geological Survey

VQG: Vườn Quốc gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Biến động lớp phủ rừng là hợp phần chủ yếu của biến đổi toàn cầu như gópphần làm biến đổi khí hậu, tác động đến đa dạng sinh học và chất lượng nước, làmgia tăng thoái hóa đất đai,… và đang trở thành thách thức lớn nhất đối với pháttriển bền vững, đặc biệt là với các nước đang phát triển trước bối cảnh toàn cầuhóa nền kinh tế [91, 103]

Thông tin về lớp phủ rừng, biến động lớp phủ rừng rất cần thiết đối vớicông tác quy hoạch, quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môitrường chẳng hạn như bản đồ lớp phủ rừng là dữ liệu đầu vào quan trọng đối vớinhiều mô hình nông nghiệp, địa chất, thủy văn và sinh thái, Trong nhiều trườnghợp, nhiệm vụ nghiên cứu biến động lớp phủ rừng diễn ra trên quy mô lớn lại yêucầu nhanh chóng có kết quả Mặt khác, lớp phủ rừng và biến động lớp phủ rừng lạiliên quan trực tiếp đến hoạt động kinh tế xã hội của con người Các hoạt động nàyrất đa dạng và thường xuyên biến đổi theo thời gian và không gian địa lý Vì vậy,

tư liệu viễn thám là công cụ đắc lực trợ giúp cho nhiệm vụ này Ảnh vệ tinh đaphổ và đa thời gian cho phép quan sát, cập nhật thông tin, thậm chí chiết tách cácđại lượng vật lý, những thông tin liên tục biến đổi (sinh khối, sự tăng trưởng củathực vật, …) cũng như các thông tin ít biến đổi (địa mạo, địa chất, địa hình, …)thông qua các ảnh chỉ số Biến động lớp phủ rừng là chỉ báo của biến đổi kinh tế

xã hội, ngược lại biến đổi kinh tế xã hội sẽ gây ra biến động lớp phủ rừng Vì vậynghiên cứu biến động lớp phủ rừng là chìa khóa để phân tích rõ hơn các biến động

về kinh tế xã hội, đồng thời cảnh báo các xu hướng sử dụng tài nguyên không bềnvững

Biến động lớp phủ rừng đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ nhiều thập

kỷ trước Các mô hình mô phỏng và dự báo biến động không ngừng được phát triển

và hoàn thiện Mô hình biến động lớp phủ rừng là công cụ hỗ trợ phân tích cácnguyên nhân và hậu quả của động thái sử dụng đất, phục vụ quy hoạch đất đai và raquyết định Các nghiên cứu trên thế giới đã dịch chuyển từ tập trung vào việc xác địnhbiến động lớp phủ rừng tới nâng cao sự hiểu biết về động lực của sự thay đổi cảnhquan với mô hình sử dụng đất hiện tại để dự báo biến động trong tương lai Cácnghiên cứu này đã và đang được thực hiện dưới sự hỗ trợ của các chương trình biếnđổi môi trường toàn cầu ở quy mô quốc tế và quốc gia như các chương trình Sử dụngđất và lớp phủ đất, Dự án đất đai toàn cầu và các Chương trình nghiên cứu biến đổikhí hậu của Mỹ Tuy nhiên nội dung nghiên cứu biến động lớp phủ rừng gắn với quátrình phát triển kinh tế xã hội còn ở mức khiêm tốn

1

Lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình bị tàn phá cạn kiệt vào đầu những năm 90, độ chephủ chỉ đạt 28% trong khi độ che phủ rừng thích hợp ở khu vực miền núi nước ta phảikhoảng 70% -80% [17] Từ đó đến nay, diện tích rừng tái sinh tự nhiên và rừng trồngtăng đáng kể [79]; đây là kết quả của sự thay đổi trong chính sách, các chương trìnhtrồng cây gây rừng được phát động: Sắc lệnh 327 (năm 1992) và các chương trìnhkhác như Luật đất đai năm 1993 (đã thực hiện giao đất giao rừng tới hộ gia đình, gắnlợi ích của các cá nhân với trách nhiệm bảo vệ và trồng rừng) [46, 135], Chương trình

5 triệu ha rừng (bắt đầu từ năm 1998)…Tiếp theo, trong bối cảnh công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước và hội nhập kinh tế những năm 2000, Hòa Bình thu hút ngàycàng nhiều dự án đầu tư phát triển công nghiệp và dịch vụ, điển hình là khai thác vậtliệu xây dựng và dịch vụ du lịch Phát triển kinh tế một mặt góp phần nâng cao đờisống người dân nhưng mặt khác sẽ ảnh hưởng đến lớp phủ rừng theo cả hai khíacạnh tích cực và tiêu cực Vì vậy cần phải có những nghiên cứu sâu và cụ thể về biếnđộng lớp phủ rừng và các nguyên nhân gây nên biến động đó để thiết lập cơ sở khoahọc cho chiến lược sử dụng hợp lý tài nguyên và bảo vệ môi trường tại Hòa Bình

Đó là những lý do tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu biến động lớp phủ rừng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Hòa Bình với sự trợ giúp của công nghệ viễn thám và GIS”.

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá biến động lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình giai đoạn 1994- 2005 và2005-2015 bằng công nghệ viễn thám và GIS, xác lập mối quan hệ giữa biến độnglớp phủ rừng với các yếu tố kinh tế xã hội qua các giai đoạn nghiên cứu

2.2 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, đề tài cần nghiên cứu các nội dung chính sau:

- Hệ thống hóa các cơ sở lý luận về nghiên cứu lớp phủ rừng, nghiên cứu biến động

- Xây dựng cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu biến động lớp phủrừng tỉnh Hòa Bình bằng tư liệu viễn thám và công cụ phân tích không gian trong hệthống thông tin địa lý - GIS

- Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội và những ảnh hưởng đến đặc điểm lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình

- Xác định hiện trạng, biến động lớp phủ rừng và nguyên nhân gây biếnđộng lớp phủ rừng qua các giai đoạn nghiên cứu Dự báo xu hướng biến động lớp phủrừng đến năm 2020 và định hướng các giải pháp bảo vệ - phát triển bền vững lớp phủrừng tỉnh Hòa Bình

3 Phạm vi nghiên cứu

3.1 Phạm vi không gian

Khu vực lựa chọn nghiên cứu là toàn bộ lãnh thổ tỉnh Hòa Bình theo ranhgiới hành chính năm 2008, có vị trí địa lý từ 20°19' đến 21°08' vĩ độ Bắc và từ104°48' đến 105°40' kinh độ Đông

3.2 Phạm vi khoa học

Với mục tiêu và nội dung đã đặt ra, đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứutrong những vấn đề chủ yếu sau:

- Nghiên cứu phân bố không gian của lớp phủ rừng tại các thời điểm 1994,

2005 và 2015, biến động lớp phủ rừng giai đoạn 1994 – 2005 và 2005 – 2015

- Phân tích mối quan hệ giữa các yếu tố kinh tế xã hội với biến động lớpphủ rừng, dự báo biến động và đề xuất định hướng giải pháp phát triển - bảo vệ lớpphủ rừng bền vững đến năm 2020

4 Điểm mới của luận án

- Đã làm rõ hiện trạng và quy mô lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình giai đoạn

1994 - 2005 và 2005 - 2015 trên cơ sở tích hợp phân tích ảnh viễn thám Landsat đathời gian và hệ thông tin địa lý

- Đã làm rõ tính đặc thù của kiểu biến động lớp phủ rừng theo ba nhóm:mất rừng và suy thoái rừng, tái sinh rừng tự nhiên và mở rộng rừng trồng trong mốiquan hệ với các yếu tố kinh tế - xã hội và yếu tố tự nhiên theo khả năng tiếp cận đốitượng

5 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Tích hợp tư liệu ảnh Landsat và GIS cho phép xác định hiện

trạng lớp phủ rừng, quy mô và kiểu biến động đặc trưng của lớp phủ rừng tỉnhHòa Bình

Luận điểm 2: Kết quả phân tích biến động lớp phủ rừng trong quá trình

phát triển kinh tế xã hội là cơ sở cho định hướng phát triển và bảo vệ rừng bềnvững tỉnh Hòa Bình

6 Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài

Luận án được thực hiện dựa trên các nguồn dữ liệu chủ yếu sau:

Ảnh vệ tinh Landsat năm 1994, 2005 và 2015 toàn lãnh thổ tỉnh Hòa Bình là

tư liệu chính để chiết tách thông tin, thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng Ngoài

ra, luận án còn sử dụng ảnh hàng không năm 1993, 2005 và 2014 do Liên đoàn Bản

đồ Địa chất Miền Bắc cung cấp để lấy mẫu và kiểm chứng kết quả phân loại

3

Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2005, bản đồ hiện trạng rừng năm 1993

và 2015 được sử dụng để lấy mẫu phân loại, đánh giá độ chính xác phân loại ảnh.Bên cạnh đó, nghiên cứu này còn sử dụng bản đồ địa hình, bản đồ địa mạo, bản đồsinh khí hậu, bản đồ thổ nhưỡng để khai thác thông tin về các biến tự nhiên Cácbản đồ này do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hòa Bình cung cấp

Các phần mềm chuyên dụng bản đồ, viễn thám và GIS: Envi, ArcGIS,MapInfor, các phần mềm văn phòng: Word, Excel, phần mềm phân tích thống kêSPSS

Các công trình khoa học trên thế giới và trong nước mang tính lý luận vềlớp phủ rừng và các tác nhân gây biến động lớp phủ rừng Các đề tài khoa học,luận án và các công trình nghiên cứu khác có liên quan, bổ sung kiến thức lý luận

và thực tiễn cho đề tài

Số liệu thống kê, điều tra, văn bản, báo cáo kinh tế xã hội, niên giám thống

kê tỉnh Hòa Bình và các nghiên cứu đã công bố trong giai đoạn 1994-2015

Kết quả nghiên cứu và điều tra thực địa tại tỉnh Hòa Bình của tác giả dưới

sự hướng dẫn của các thày cô giáo Khoa Địa lý, Trường ĐHKHTN – ĐHQGHNtrong suốt thời gian thực hiện luận án

Tất cả các nguồn tư liệu sử dụng đều được sự đồng ý của người cung cấp,tài liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học:

- Kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần làm phong phú thêm cơ sởkhoa học nghiên cứu biến động lớp phủ rừng thông qua việc tích hợp hai phươngpháp: (i) trước phân loại theo hiệu NDVI xác định biến động về trạng thái lớp phủrừng và (ii) sau phân loại dựa trên thông tin lớp phủ rừng được chiết tách theo thuậttoán phân loại xác suất cực đại phù hợp cho khu vực nghiên cứu

- Kết quả nghiên cứu đã lượng hóa được mối quan hệ giữa biến động lớpphủ rừng với các yếu tố địa lý thông qua mô hình hồi quy logistic bội: xác định

được yếu tố có tương tác thuận và yếu tố tương tác nghịch cũng như trọng số củatừng yếu tố đối với biến động lớp phủ rừng Kết quả điều tra nông hộ tại các điểmchìa khóa và kết quả kiểm chứng bằng đường cong ROC đã khẳng định được độtin cậy của phương pháp

- Ý nghĩa thực tiễn: hiện nay Hòa Bình đang thực hiện Nghị quyết số

hoạch tổng thể phát triển kinh tế-xã hội đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030,các dữ liệu và thông tin về biến động lớp phủ rừng, đề xuất định hướng giải phápphát triển - bảo vệ lớp phủ rừng là các thông số, thông tin cần thiết phục vụ choquá trình điều chỉnh các chỉ tiêu, quy mô các dự án thành phần hướng tới sự pháttriển bền vững của tỉnh.

8 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, cấu trúc luận án gồm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừngChương 2: Hiện trạng lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình qua các giai đoạn phát triển kinh tế - xã hội

Chương 3: Đánh giá biến động lớp phủ rừng tỉnh Hoà Bình và đề xuất định hướng phát triển, bảo vệ

5

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LỚP

PHỦ VÀ LỚP PHỦ RỪNG

Chương này trình bày tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan, lýluận về lớp phủ rừng, các hệ thống phân loại lớp phủ, phân tích các phương phápnghiên cứu và hình thành hướng tiếp cận phù hợp cho nghiên cứu biến động lớpphủ rừng tỉnh Hòa Bình

1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan

1.1.1 Tổng quan tình hình sử dụng tư liệu viễn thám nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừng trên thế giới

Hoạt động nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừng bắt đầu từ những năm 50của thế kỷ 20 nhưng chỉ thực sự phát triển mạnh mẽ từ khi có tư liệu viễn thám vàcông cụ GIS – thập kỷ 70 Các công trình nghiên cứu trên thế giới chủ yếu tậptrung vào 2 nhóm: Nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ và lớp phủ rừng vàNghiên cứu mối quan hệ giữa biến động lớp phủ và lớp phủ rừng với con người vàmôi trường

1.1.1.1 Nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ và lớp phủ rừng

Các loại tư liệu ảnh viễn thám sử dụng để xác định biến động lớp phủ vàlớp phủ rừng rất đa dạng, khả năng ứng dụng của mỗi loại ảnh vệ tinh tùy thuộcvào quy mô và tỉ lệ nghiên cứu Ảnh viễn thám có tiềm năng lớn trong việc phânloại lớp phủ, dự báo các thông số của rừng như chiều cao, sinh khối,… Mức độcung cấp thông tin phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giải không gian, có thể chia độphân giải không gian một cách tương đối thành 3 cấp như sau: độ phân giải khônggian thấp (trên 30 m), độ phân giải không gian trung bình (2-30 m) và độ phân giảicao (dưới 2 m)

1 Các nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải thấp

Các bộ cảm độ phân giải thấp như MODIS, NOAA-AVHRR có khả năngthu nhận thông tin bề mặt trên diện rộng; vì vậy, dữ liệu này được sử dụng trongnhiều năm trước đây để nghiên cứu lớp phủ rừng trên quy mô toàn cầu hoặc lụcđịa Giri và nnk (2003) phân tích dữ liệu AVHRR đa thời gian để thành lập bản đồlớp phủ nhằm phát hiện các khu vực trải qua nhiều biến động về lớp phủ lục địaĐông Nam Á [71] Bộ dữ liệu toàn cầu từ AVHRR những năm 1990 đã trợ giúpcho nhiều nghiên cứu biến động LPĐ/SDĐ trên quy mô lớn

Vệ tinh viễn thám thế hệ mới hơn - MODIS đã làm cho phương pháp tiếpcận cũng như sản phẩm của các nghiên cứu LPĐ và LPR tăng nhanh đáng kể, điểnhình là bộ sản phẩm 5 loại lớp phủ gần đây của Friedl và nnk (2010) [69] và cácchỉ số thực vật như chỉ số diện tích lá-LAI [51] Thời gian qua, đã có nhiều công

trình nghiên cứu quan trọng ra đời dựa trên ảnh MODIS và các sản phẩm của nóchẳng hạn như Maselli và nhóm nghiên cứu (2009) đã bổ sung cho bản đồ lớp phủcủa FAO các thông tin về năng suất cây trồng và vật hậu học nhờ chỉ số NDVIchiết tách từ ảnh MODIS [98] Coops và nnk (2009) đã khám phá ra sức mạnh dựbáo tương đối của các chỉ báo môi trường như tương quan giữa lớp phủ và năngsuất từ dữ liệu MODIS [54] Sản phẩm đa thời gian của ảnh MODIS về thảm thựcvật: NDVI, LAI cho phép mô hình hóa về sự phân bố các loài [45].

Taohong và Kunihiko đã phân tích chuỗi đa thời gian ảnh MODIS để loạitrừ nhiễu ngẫu nhiên do mây và tuyết gây ra, sau đó sử dụng phân loại cây quyếtđịnh dựa trên đặc điểm vật hậu học của thực vật chiết tách từ sản phẩm MODISEVI, nhiệt độ bề mặt và điều kiện địa hình để lập bản đồ lớp phủ rừng năm 2000

và 2010 ở vùng núi Daxing, Trung Quốc; tiếp theo tác giả sử dụng kỹ thuật phântích thống kê để xác định biến động rừng [84] Ono và cộng sự đã phân tích chỉ sốbóng và mối quan hệ giữa chỉ số bóng với độ cao của tán rừng ở quy mô toàn cầu.Trước hết, dữ liệu phản xạ bề mặt Terra MODIS (MOD09CMG) được thu nhậnhằng ngày, chỉ số bóng SI và chỉ số thực vật NDVI được dự đoán cho quy mô toàncầu Sau đó từ bộ dữ liệu độ cao tán rừng kế thừa từ nghiên cứu của Simard cùngcác cộng sự (2011) và thông tin điều tra về mối quan hệ giữa độ cao tán rừng, chỉ

số bóng và chỉ số thực vật dựa trên 17 loại lớp phủ, nghiên cứu này đã chỉ ra rằnggiữa chỉ số bóng và độ cao tán rừng có tồn tại mối quan hệ tuyến tính [114]

2 Các nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình

Các nhà khoa học có nhiều lựa chọn khi sử dụng tư liệu độ phân giải trungbình trong nghiên cứu LPĐ và LPR, điển hình là Landsat, SPOT và IRS Có thể nóiLandsat là một trong những dữ liệu độ phân giải trung bình được sử dụng sớm nhất

và rộng rãi nhất Đến nay đã có 8 thế hệ vệ tinh Landsat được phóng mang các bộcảm với thông số không ngừng được cải thiện Tư liệu Landsat đặc biệt phù hợp vớicác nghiên cứu biến động lớp phủ rừng dài kỳ ở quy mô quốc gia hoặc vùng lãnh thổ

Ví dụ, bộ dữ liệu Landsat TM/ETM+ 20 năm liên tục được sử dụng để giám sát biếnđộng lớp phủ rừng ở Oregon [131] Tư liệu Landsat kết hợp với dữ liệu bổ trợ chophép nâng cao độ chính xác phân loại ảnh và có thể thành lập bản đồ lớp phủ rừng chitiết hơn Dự án nghiên cứu Đặc trưng hóa cảnh quan Bắc Mỹ (North AmericanLandscape Characterization- NALC) của NASA sử dụng bộ dữ liệu Landsat MSS đathời gian để theo dõi biến động lớp phủ qua hai thập kỷ 1972-1992 và giới thiệu môhình hai bước để đánh giá kết quả phân loại, cung cấp một bộ dữ liệu vệ tinh tiêuchuẩn hỗ trợ cho hoạt động nghiên cứu biến động lớp phủ rừng Kết quả đã chỉ ra kỹthuật sau phân loại trên bộ dữ liệu bổ trợ là hướng

7

tiếp cận đem lại hiệu quả kinh tế cao trong chiết tách thông tin lớp phủ phục vụđiều tra phát thải cacbon của rừng [152] Một số nghiên cứu khác sử dụng dữ liệuđịa hình đã cho phép cải thiện độ chính xác phân loại ảnh, điển hình là Franklin(1987) đã công bố độ chính xác phân loại ảnh Landsat MSS tăng từ 58 lên 79 %khi kết hợp DEM [68] Cibula và Nyquist (1987) sử dụng biến độ dốc và hướngphơi sườn để cải thiện độ chính xác phân loại ảnh Landsat MSS [49] Ngoài ra,DEM cũng được tích hợp vào tư liệu siêu cao tần để phân biệt cấu trúc bề mặt,nghiên cứu rừng và giám sát tuyết [73] Li và nnk (2011) đã thành công trong việc

sử dụng ảnh Landsat TM kết hợp với dữ liệu độ cao, độ dốc để nâng cao độ chínhxác phân loại ảnh (độ chính xác toàn cục tăng 7.66%) [93] Bên cạnh việc tích hợpDEM, chỉ số NDVI cũng được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng để khửảnh hưởng của yếu tố địa hình, tuy nhiên nếu chỉ sử dụng NDVI thì hiệu quả đạtđược cũng không cao, Eiumnoh và Shrestha (2000) đã phát hiện việc tích hợp cảDEM và NDVI trong quá trình phân loại ảnh cải thiện độchính xác từ10-20%[59]. Kanungo và Sarkar (2011) đã kết hợp DEM và NDVI với ảnh IRS-LISS-III

để thành lập bản đồ lớp phủ và lớp phủ rừng phục vụ nghiên cứu sạt lở đất ởDarjeeling (Ấn Độ) Kết quả cho thấy độ chính xác toàn cục đạt tới 91% và độ chínhxác nhà sản xuất của hầu hết các lớp đều đạt trên 90% [78] Alsaaideh và nnk (2013)

đã tách riêng được rừng ngập mặn ra khỏi các loại thực phủ khác ở một số đảo phíaNam Nhật Bản thông qua tích hợp chỉ số NDWI, NDVI, tỉ số kênh 5/4 và kênh 5 củaảnh Landsat ETM+ với thông tin địa hình, độ chính xác toàn cục tăng từ 89.3% lên93.6% [42]

3 Các nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao

Ảnh độ phân giải cao được sử dụng để thành lập bản đồ lớp phủ rừng chi tiết hơn

ở quy mô nhỏ, kiểm chứng kết quả phân loại các ảnh vệ tinh khác hoặc hiện chỉnh bản

đồ lớp phủ cũ; chẳng hạn như Wikantika và cộng sự (2007) đã sử dụng ảnh IKONOS

và QuickBird để phát hiện biến động lớp phủ sau một trận sóng thần [150] Pacifici vàcộng sự (2009) đã sử dụng kênh pan độ phân giải siêu cao của QuickBird vàWorldView-1 để phân loại sử dụng đất thành 4 loại đô thị khác nhau [116] Coops vànnk (2006) đã đánh giá khả năng ứng dụng ảnh QuickBird đa phổ trong theo dõi thiệthại rừng do bọ cánh cứng gây ra; kết quả cho thấy tư liệu QuickBird đặc biệt hữu íchtrong phát hiện tán rừng có đốm đỏ do sâu bệnh gây ra [53]

1.1.1.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động lớp phủ và lớp phủ rừng với con người và môi trường

Thời kỳ đầu xuất hiện các nghiên cứu về mối quan hệ giữa rừng với nhữngdiễn thế trong cảnh quan nông nghiệp Turner và nnk (1988) và Pan và nnk (2001)

đã kết hợp ảnh hàng không cũ và các số liệu đo đạc cảnh quan để miêu tả về biếnđộng lớp phủ dưới sự hỗ trợ của công cụ GIS [117, 138] Sau đó là những nghiêncứu liên kết mô hình không gian của biến động rừng với các tác nhân gây nên biếnđổi LPĐ, đặc biệt là động thái SDĐ [117] Turner và Ruscher (1988) đã tích hợp

dữ liệu ảnh hàng không và GIS để dự báo phân bố của đàn gia súc- phản ánh môhình SDĐ tại địa phương và các yếu tố môi trường Bằng phương pháp thống kê,Pan và nnk (2001) đã phát hiện mô hình biến động LPĐ/SDĐ từ ảnh hàng không

và các mô hình có liên quan với cấu trúc vật lý bên trong của các yếu tố cảnh quan[117]. Pascarella cùng nnk (2000) sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu về sựthay đổi trong phân bố và thành phần hệ địa sinh thái rừng [120] McGrath và nnk(2001) sử dụng dữ liệu từ 39 nghiên cứu về động thái dinh dưỡng trong rừng tựnhiên và đất lâm nghiệp để kiểm tra giả thuyết liên quan đến những tác động củabiến đổi LPĐ/SDĐ lên tính chất của đất [101]

Kiage và nnk (2007) đã tìm ra mối quan hệ giữa biến động LPĐ với dân số

và số lượng vật nuôi tại lưu vực Kenya [80], đồng thời nghiên cứu này còn pháthiện được thoái hóa đất đai do mất rừng qua dấu hiệu lượng phù sa và độ đục củanước hồ gia tăng Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của biến đổi LPĐ/SDĐ hiệnnay tập trung vào lưu vực trên quy mô lớn; bằng phân tích dữ liệu dòng chảy vàbản đồ mất rừng, Rodriguez và cộng sự (2010) đã phát hiện những dấu hiệu thayđổi mô hình thủy văn do ảnh hưởng của SDĐ tại lưu vực sông Amazon rộng 33

000 km2 [128] Amundson và nnk (2003) xác định sự thay đổi tính chất của thổ nhưỡng từ dữ liệu lớp phủ của Mỹ [39]

Với các nghiên cứu ở quy mô lớn: toàn cầu và lục địa, Lambin và Ehrlich(1995) đã phân tích dữ liệu đa thời gian AVHRR: tích hợp thông tin nhiệt độ bềmặt và chỉ số thực vật để phát hiện sự gia tăng tính phân lập các quần xã thực vật ởquy mô lục địa [87] Dài kỳ hơn là các nghiên cứu biến động LPĐ trải qua hàngthế kỷ, khi đó rất cần thiết phải tính đến tác động môi trường chẳng hạn như sựrối loạn gây ra cho nhân loại từ những thay đổi cảnh quan [56] Các nghiên cứu dài

kỳ này dựa trên tư liệu cũ từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như, dựa trên bản

đồ địa hình năm 1898, Korytny và nnk (2003) đã chỉ ra những biến đổi trong mạngthủy văn và cường độ xói mòn là hậu quả của sản xuất nông nghiệp trong thế kỷ

20 [83] Longfield và Macklin (1999) đã đánh giá ảnh hưởng của biến đổi SDĐtrên quy mô lớn đến lũ lụt và bồi tụ phù sa tại vùng York nước Anh từ những sốliệu quan trắc về ngập lụt năm 1878 [95] Từ bản đồ lớp phủ năm 1883 và dữ liệu

về khí hậu năm 1915 đến nay, Cuo và nnk (2009) đã tìm ra ảnh hưởng của biếnđộng lớp phủ, khí hậu và nhiệt độ đến dòng chảy tại các độ cao khác nhau ở lưu

9

vực Puget Sound của Mỹ [55] Trên cơ sở một nguồn tư liệu cũ giá trị khác là dữliệu về thực vật và cảnh quan, Foster và nnk (1998) đã đánh giá sự biến đổi thựcvật rừng và SDĐ ở New England qua hơn 3 thế kỷ [67] Schulte và nnk (2007) đã

sử dụng tổ hợp dữ liệu thực vật, cảnh quan, tài liệu kiểm kê rừng và dữ liệu lớpphủ để định lượng ảnh hưởng cấp khu vực của một thế kỷ SDĐ tại Great Lakes-

Mỹ [132]

Gomarasca và nnk (1993) đã số hóa bản đồ chuyên đề từ năm 1888 đến

1990 và so sánh với bản đồ lớp phủ thành lập từ ảnh vệ tinh thời điểm hiện tại đểnghiên cứu biến đổi LPĐ/SDĐ xảy ra trên các khu vực có tốc độ phát triển nhanh

về nông nghiệp, dân cư, công nghiệp ở Milan, Italy [72] Fisher và nnk (2006) đãtái tạo lại lớp phủ trong vòng 350 năm tại khu vực Trung Đại Tây Dương nước

Mỹ bằng việc sử dụng ảnh vệ tinh, ảnh hàng không, bản đồ cũ và các dữ liệu kinh

tế xã hội Để dự báo ảnh hưởng của biến đổi LPĐ/SDĐ, các tác giả này đã thuthập dữ liệu cũ từ năm 1660-1850 về dân số, sản lượng nông nghiệp, thống kê laođộng và xuất khẩu sản phẩm trồng trọt đồng thời phân tích dữ liệu nước- hóa học

từ giữa thế kỷ 20, sau đó tích hợp nhiều bộ dữ liệu này vào mô hình ảnh hưởnghóa-sinh-địa [65] Vanacker (2002) phát hiện biến động lớp phủ rừng có liên quanđếnloại đá gốc ở Austro Ecuatoriano [144] trong khi Szillassi và nnk (2010) chỉ ra

có mối tương quan giữa biến động lớp phủ rừng với thổ nhưỡng ở lưu vực sôngBalaton- Hungary [137]

Munroe và nnk (2001) đã chỉ ra trồng rừng và mất rừng ở Honduras (Mỹ)

có liên quan đến khả năng tiếp cận: rừng nguyên sinh chỉ còn lại ở nơi có độ dốclớn, địa hình cao, xa khu dân cư và xa đường giao thông [110] Kết quả tương tựvới nghiên cứu này, Etter và nnk (2006) và Castella và nnk (2005) phát hiện biếnđộng lớp phủ rừng có liên quan đến khoảng cách đến đường giao thông [47, 60],trong khi Van Dessel và nnk (2008) và Koning (2000) lại chứng minh tồn tại mốiquan hệ giữa trồng rừng, mất rừng với khoảng cách đến các thôn bản ở lưu vực hồBalaton [82, 142] Kết quả nghiên cứu bốn trường hợp ở Bolivia của SébastienBoillat và nnk (2015) chỉ ra trong đó có ba trường hợp mất rừng tỉ lệ thuận vớikhả năng tiếp cận trước bối cảnh mở rộng cây công nghiệp trong khi tại tỉnhLuang Prabang (Lào), lớp phủ rừng lại có xu hướng gia tăng tại khu vực có khảnăng tiếp cận cao do chính sách thâm canh và quy hoạch đất đai [43]

Biến đổi lớp phủ rừng (trong đó hoạt động của con người đóng vai trò quantrọng) đã tác động đáng kể đến các hệ sinh thái, tới môi trường ở quy mô địaphương, khu vực và trên phạm vi toàn cầu, do đó ảnh hưởng lớn đến biến đổi khíhậu toàn cầu một cách trực tiếp hoặc gián tiếp [66] Các nghiên cứu thuộc nhóm

này đã phát hiện biến đổi toàn cầu thường bao gồm một chuỗi những biến đổitrong các khu vực, và ngày càng nhiều mô hình khác nhau được tái tạo để phảnánh sự thay đổi phức tạp này, mặt khác những biến đổi này sẽ mở rộng sang nhiềukhu vực và dần dần đến quy mô toàn cầu Do có sự khác biệt lớn trong đặc tính vật

lý, hóa học, sinh học của bề mặt đất giữa các khu vực trên trái đất nên tác động củabiến động lớp phủ rừng lên các hệ thống khí hậu từng khu vực cũng khác nhau rấtnhiều

Nói tóm lại, dữ liệu thực vật và cảnh quan sử dụng trong các nghiên cứu vềbiến động LPĐ/LPR đã giúp các nhà khoa học phát hiện ra biến đổi môi trườngkhông chỉ xảy ra từ vài thập kỷ trước mà còn từ vài thế kỷ, các kết quả nghiên cứunày đã chỉ ra ảnh hưởng của SDĐ thực tế dài hơn và mối quan hệ môi trường-thảmthực vật diễn ra ở phạm vi địa lý rộng lớn Vì vậy, biến động LPR nên được coi làthành phần chủ yếu của biến đổi toàn cầu, việc kết hợp bản đồ cũ, số liệu đo đạc vàGIS với viễn thám cho phép tái cấu trúc biến đổi LPĐ/SDĐ dài kỳ hàng thập kỷ hoặchàng thế kỷ để từ đó có thể đánh giá tác động môi trường Bên cạnh đó, GIS giúp tíchhợp dữ liệu SDĐ nhiều thời điểm khác nhau và có khả năng mô hình hóa các bộ dữliệu bổ sung: đất, dân số để dự báo ảnh hưởng của biến đổi LPĐ/LPR

1.1.2 Tình hình nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừng tại Việt Nam

Công nghệ viễn thám và GIS ra đời đã thúc đẩy hoạt động nghiên cứu lớpphủ và lớp phủ rừng tại Việt Nam phát triển thông qua các chương trình, dự án và

đề tài các cấp như chương trình InterCosmos (1979-1984), Chương trình pháttriển Liên hợp quốc (UNDP), Chương trình viễn thám khu vực Ngoài ra, việc ứngdụng viễn thám và GIS còn được triển khai theo các ngành, điển hình là ngànhlâm nghiệp đã sử dụng ảnh SPOT và Landsat để theo dõi chương trình trồng mới 5triệu ha rừng và kiểm kê rừng định kỳ 5 năm Viện điều tra quy hoạch rừng đã sửdụng tư liệu viễn thám để lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng với nhiều tỉ lệ khácnhau, từ tỉ lệ nhỏ 1: 1 000 000 (ảnh NOAA AVHRR và MODIS), 1: 250 000 (ảnhLandsat), đến tỉ lệ trung bình 1: 50 000 và 1: 25 000 (ảnh SPOT và ASTER); bản

đồ các kiểu rừng ở Việt Nam tỉ lệ 1: 250 000 đã được thành lập từ dữ liệu Landsat

TM và MSS Hiện nay, Việt Nam đang thu nhận dữ liệu NOAA AVHRR vàMODIS phục vụ dự báo cháy rừng trên toàn quốc

Cục Viễn thám Quốc gia, Cục Bảo vệ Môi trường và một số cơ quan khác đãứng dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để 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, đồng thời giám sátbiến động rừng ngập mặn Đề tài của Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp đã chỉ

ra xu hướng biến đổi rừng ở lưu vực Srepok, Tây Nguyên là phá rừng để mở rộng

11

diện tích đất canh tác nông nghiệp Viện Địa lý và Cục Bảo vệ Môi trường đã sửdụng ảnh MODIS để thành lập bản đồ phân bố rừng và thảm thực vật tỉ lệ 1: 500

000 ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên

Trong giai đoạn 1990 - 2000, nước ta đã thu hút được nhiều dự án quốc tếnghiên cứu về biến động lớp phủ rừng và thành lập bản đồ hiện trạng rừng vớimục đích nâng cao năng lực quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường bằng tư liệuviễn thám và công cụ GIS Đối với khối đào tạo, nhiều luận văn thạc sĩ, khóa luậntốt nghiệp và luận án tiến sĩ nghiên cứu về biến động lớp phủ rừng có giá trị đónggóp về mặt khoa học đã được bảo vệ thành công

Sự kiện Việt Nam phóng thành công vệ tinh quan sát tài nguyên thiênnhiên, môi trường và thiên tai đầu tiên - vệ tinh VnRedsat-1A đã đánh dấu mộtmốc son trong lịch sử phát triển của khoa học viễn thám nước ta, từ nay Việt Namhoàn toàn chủ động được nguồn dữ liệu phục vụ giám sát tài nguyên môi trườngnói chung và nghiên cứu biến động lớp phủ rừng nói riêng

Nhìn chung, các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào thành lập bản

đồ LPĐ và LPR, chỉ có một số ít các công trình đề cập đến mối quan hệ giữa lớp phủrừng với con người và môi trường, điển hình là Meyfroidt và Lambin (2008) cho biếttại Việt Nam, mật độ dân số nông thôn cao sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến lớp phủ rừng tựnhiên và rừng trồng vì dân số tăng dẫn đến nhu cầu lương thực lớn, cần phải mở rộngdiện tích đất trồng cây lương thực, gây áp lực lớn lên rừng tự nhiên và giảm quỹ đấtcho trồng rừng, bên cạnh đó nhu cầu về củi đốt và gỗ làm nhà cũng tăng lên

[104]. Mặt khác, kết quả nghiên cứu của Meyfroidt và Lambin (2008) cũng như củaMüller và Zeller (2002) chỉ ra lớp phủ rừng của Việt Nam tăng đồng biến với dân số vàothập kỷ cuối của thế kỷ 20 [104, 108] do áp dụng công nghệ mới như đổi mới giống câytrồng, vật nuôi, thay đổi sinh kế, chính sách Phạm Văn cự và nnk : nghiên cứu sự chuyểnđổi đất nông nghiệp sang đất xây dựng ở thành phố Hà Nội bằng tư liệu Landsat (1993,

2000 và 2007) Kết quả cho thấy 1/3 diện tích đất nông nghiệp đã bị chuyển thành đất xâydựng, các mảnh đất nông nghiệp có xu hướng ngày càng bị xé nhỏ và có hình dạng bấtthường Chuyện mất đất, các thửa đất đất nông nghiệp bị xé vụn với cạnh của nó khôngtheo quy tắc liên quan đến sự chuyển đổi từ nông nghiệp sang đô thị Xu hướng của sựchuyển đổi đó tương ứng với mô hình phát triển đô thị ở Hà Nội [121] Vũ Kim Chi vànnk (2013) nghiên cứu biến đổi sử dụng đất lưu vực Suổi Muội bằng tư liệu Landsat vàSpot qua hơn 40 năm Kết quả của việc áp dụng mô hình hồi quy logistic đã phát hiện ramối liên hệ giữa biến đổi sử dụng đất với các đặc điểm tự nhiên (độ dốc, địa hình, loạiđất) và các đặc trưng văn

hóa của các dân tộc khác nhau Sự kết hợp giữa nhiều phương pháp nghiên cứu vàtiếp cận theo hướng đa ngành: phân tích thống kê không gian, thông tin phỏng vấn hộgia đình, phỏng vấn các nhân vật điển hình …cho phép phát hiện và kiểm chứng cácnhân tố gây biến đổi lớp phủ rừng, sử dụng đất ở khu vực Tây Bắc [146].

1.1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan đến lớp phủ và lớp phủ rừng tại Hòa Bình

Do tỉnh Hòa Bình có vị trí quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế xãhội với nền văn hóa Hòa Bình độc đáo và nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phúnên đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Các nghiên cứu trướcđây thực hiện ở nhiều quy mô: cấp vùng, cấp tỉnh hoặc cấp huyện, xã và đề cậpđến nhiều vấn đề khác nhau: quy hoạch môi trường, SDĐ, sạt lở đất, tài nguyênrừng, dòng chảy sông Đà, phát triển kinh tế, du lịch và văn hóa các dân tộc… làtiền đề lý luận cũng như cơ sở dữ liệu quan trọng cho luận án Nhìn chung, cácnghiên cứu này có thể phân chia một cách tương đối theo các lĩnh vực sau:

1.1.3.1 Các nghiên cứu về tai biến thiên nhiên, địa chất, địa mạo

Các tác giả như Nguyễn Ngọc Thạch, Nguyễn Quang Mỹ, Đào Đình Bắc,Nguyễn Vi Dân đã có nhiều nghiên cứu cấp vùng Tây Bắc trong đó có Hòa Bình[1, 6, 18, 19, 28, 29], các nghiên cứu này đã đề cập đến một số loại hình tai biếnthiên nhiên thường xảy ra ở đây như sạt lở đất, lũ quét, lũ ống Điều quan trọngnhất là các tác giả đã mô tả những dấu hiệu để nhận biết các loại hình tai biến này,đánh giá mức độ nguy hiểm và dự báo sớm để giảm thiểu thiệt hại cho người dânđịa phương Trong đó, Nguyễn Ngọc Thạch là tác giả có nhiều công trình nghiêncứu ở các giai đoạn khác nhau với chủ đề phong phú và đa dạng như tai biến thiênnhiên, dự báo khoáng sản, địa mạo, quy hoạch môi trường,…[24-26, 28, 29] Đốivới các nghiên cứu thuộc nhóm này, bản đồ lớp phủ là dữ liệu đầu vào quan trọngkhông thể thiếu của các mô hình đánh giá tổng hợp

1.1.3.2 Các nghiên cứu về dòng chảy sông Đà cũng như vấn đề tài nguyên môi trường khi Nhà máy thủy điện đi vào hoạt động

Chu Văn Ngợi và nnk đã đánh giá xu thế bồi tụ- xói lở dựa trên cơ sở: phântích ảnh viễn thám qua các thời kỳ (1986, 2000 và 2010), tổng hợp các kết quảnghiên cứu đánh giá sự biến động lòng sông Đà, các quá trình bồi tụ- xói lở, khảosát thực địa, nghiên cứu tại hiện trường về đặc điểm bồi tụ- xói lở và các đặc điểmđứt gẫy hoạt động Kết quả đã khẳng định: bối cảnh địa chất và hoạt động của đậpthủy điện Hòa Bình là các yếu tố cơ bản chi phối quá trình bồi tụ và xói lở, xu thế

13

xói lở gia tăng và trở thành nguy cơ đe dọa các khu dân cư, các công trình văn hóa

và lịch sử có giá trị [21]

Nguyễn Thọ Sáo và cộng sự đã tổng quan tình hình dòng chảy hạ lưu sông Đà

từ khi nhà máy thủy điện Hòa Bình đi vào hoạt động, cũng như tình trạng xói lở đoạnsông này [22] Ngoài ra còn phải kể đến đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học điều hành

hệ thống hồ chứa thượng nguồn sông Hồng phục vụ phát điện và cấp nước chống hạn

hạ du”, tác giả Nguyễn Hữu Khải và nnk đã áp dụng mô hình HEC - RESSIM để diễntoán vận hành hệ thống hồ chứa Hòa Bình – Tuyên Quang theo các kịch bản cấp nước

và mô hình MIKE 11 để diễn toán tiếp dòng chảy về hạ lưu [15]

1.1.3.3 Các nghiên cứu về tài nguyên, môi trường, lớp phủ

Bộ dữ liệu điều tra cơ bản tỉnh Hòa Bình về tài nguyên thiên nhiên, kinh tế

xã hội đã sớm được xây dựng và hoàn thiện (1994-1995) [8, 11], bên cạnh đó làcác nghiên cứu dự báo biến động môi trường gây ra do hoạt động của thủy điệnsông Đà và định hướng phát triển kinh tế xã hội [14] Đề tài “Nghiên cứu cơ sởkhoa học xây dựng bản đồ hiện trạng môi trường thành phần và ứng dụng để xâydựng bản đồ hiện trạng môi trường đất, nước tỉnh Hoà Bình” của Phạm Ngọc Hồ

và nnk đã thiết lập các công thức đánh giá chất lượng môi trường theo chỉ tiêuriêng lẻ và tổng hợp, mô hình hoá các chỉ số đặc trưng cho chất lượng môitrường, thiết lập quy trình thành lập bản đồ hiện trạng môi trường thành phần vàtổng hợp, đánh giá hiện trạng môi trường đất và nước tỉnh Hoà Bình theo chỉ sốtương đối và tổng hợp dựa trên số liệu điều tra khảo sát, đo đạc thực địa trên phạm

vi tỉnh Hoà Bình vào mùa mưa và mùa khô năm 2005, xây dựng bản đồ hiện trạngmôi trường đất, nước tỉnh Hoà Bình năm 2005 [12]

Lớp phủ rừng của tỉnh là đối tượng thu hút được nhiều sự quan tâm, Clement

đã đánh giá tính hiệu quả của chính sách trồng cây gây rừng ở Việt Nam thông quaphân tích ảnh hưởng của 2 chương trình: trồng 5 triệu ha rừng và giao đất giao rừng,trong đó có Hòa Bình [50] Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của các chính sáchnày đến quản lý và SDĐ, đồng thời phát triển khung lý thuyết Phát triển và phân tíchthể chế của Ostrom nhằm điều chỉnh lý thuyết này cho phù hợp hơn đối với phân tíchchính sách trồng rừng tại Việt Nam Khung lý thuyết này được áp dụng ở nhiều quy

mô không gian: cấp xã, cấp tỉnh và cấp vùng Tây Bắc, trong đó đề cao mối liên hệgiữa các cấp Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở quy mô vùng lãnh thổ thì chươngtrình 5 triệu ha rừng không thành công đối với các hộ gia đình làm lâm nghiệp, chínhsách giao đất rừng tới hộ gia đình có ảnh hưởng không đáng kể tới sự phục hồi củarừng, chính sách phát triển kinh tế cá thể được

vận dụng chưa tốt đối với mục đích thiết lập hệ sinh thái-xã hội ở miền Bắc -ViệtNam trong giai đoạn đầu thực thi Nguyên nhân sâu xa của sự kém hiệu quả củachính sách này là do tổng hợp nhiều yếu tố phức tạp của điều kiện tự nhiên, kinh

tế, chính trị, xã hội Đóng góp của nghiên cứu này là chỉ ra ảnh hưởng đồng thờicủa các biến này ở nhiều cấp quản lý và ở phạm vi không gian địa lý khác nhau

Một số tác giả khác lại đề cập đến vấn đề kỹ thuật chiết tách thông tin viễnthám, điển hình là Lại Anh Khôi đã đề xuất một số giải pháp nâng cao độ tin cậyphân loại ảnh số và ứng dụng thành lập bản đồ lớp phủ phục vụ theo dõi biến độngtài nguyên rừng, mặt nước [16] và Trần Tuấn Ngọc đã sử dụng ảnh radar để xácđịnh sinh khối rừng Hòa Bình, kết quả đã đưa ra được sự lựa chọn tối ưu cho dữliệu phân cực (HH và HV) trong bài toán đánh giá sinh khối trên mặt đất của rừngtại khu vực nghiên cứu Phương pháp tích hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khácnhau một cách có lựa chọn để nâng cao độ chính xác tính sinh khối trên mặt đấtcủa rừng [20]

Trong đề tài cấp bộ, Dương Tiến Đức đã chiết tách thông tin tư liệu Landsat

và Spot thành lập bản đồ lớp phủ thực vật vùng phòng hộ sông Đà các năm 2002,

2005 và 2007, kết hợp với số liệu điều tra thực địa làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho hệthống GIS để quản lý bền vững tài nguyên rừng vùng phòng hộ sông Đà [9]

1.1.3.4 Các nghiên cứu về phân vùng cảnh quan, tổ chức lãnh thổ và phát triển sinh kế

Một số nghiên cứu cấp vùng lãnh thổ Tây Bắc (trong đó có Hòa Bình) nhưNguyễn Khanh Vân và nnk đã đề xuất cơ sở khoa học địa lý học góp phần tổ chứclãnh thổ phát triển sản xuất trên quan điểm sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môitrường vùng Tây Bắc trong tương lai [36]

Một số nghiên cứu khác lại tiếp cận ở phạm vi không gian nhỏ nhưng sâuvào từng chi tiết như Trương Quang Hải và nnk đã điều tra đời sống dân cư và sựkhai thác các lâm sản ngoài gỗ tại xã Trường Sơn – huyện Lương Sơn, tỉnh HòaBình để đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội phục vụ tổ chứclãnh thổ cấp huyện [10]; Nguyễn Khanh Vân định hướng sử dụng hợp lý tàinguyên sinh khí hậu cho phát triển sản xuất, dân sinh và du lịch ở vùng hồ HòaBình [35]; Lê Thị Thanh Tâm đã phản ánh hiện trạng chất lượng nước sinh hoạtcủa nhân dân xã Hợp Thịnh và Phú Minh, huyện Kỳ Sơn, tỉnh Hòa Bình và từ đó

đề xuất các giải pháp khắc phục [23] Dựa trên dữ liệu điều tra hộ gia đình của cácnghiên cứu trước đó (1998, 2005), Nguyễn Thanh Lâm và nnk đã diễn tả sự thay

15

đổi trong hệ thống canh tác ở Bản Tất (Đà Bắc) trong vòng 15 năm (1988-2005) vànhận diện các yếu tố gây nên sự thay đổi này [113].

* Nhận xét và đề xuất vấn đề nghiên cứu

Qua phần tổng quan tài liệu về tình hình nghiên cứu lớp phủ trên Thế giới,tại Việt Nam và trên khu vực Hòa Bình, nghiên cứu sinh nêu ra một số nhận xétnhư sau:

- Xu hướng nghiên cứu biến động lớp phủ và lớp phủ rừng trên thế giới đãdịch chuyển từ việc phát triển các phương pháp xác định biến động lớp phủ, lớp phủrừng sang nghiên cứu tìm nguyên nhân của sự biến đổi Các công trình này ngày càng

đi sâu vào tính phức tạp liên quan đến quá trình biến động lớp phủ và lớp phủ rừng(không chỉ đề cập đến 2 hoặc 3 nhân tố như trước) để thấy được mối quan hệ haichiều đối với từng trường hợp cụ thể trong vô số các yếu tố ở phạm vi không gian vàthời gian khác nhau; theo đó, các phát hiện và sự giải thích ngày càng phong phú

- Tư liệu sử dụng để xác định biến động lớp phủ rừng có độ phân giải khácnhau: độ phân giải thấp, độ phân giải trung bình và độ phân giải cao Trong đó, các tưliệu độ phân giải thấp như MODIS và NOAA thích hợp với phạm vi nghiên cứu lớn(toàn cầu, lục địa), ảnh có độ phân giải trung bình như Landsat, SPOT,…phù hợp vớiquy mô vừa (quốc gia hoặc cấp tỉnh), ảnh có độ phân giải không gian cao cho phép lậpbản đồ rừng chi tiết trên quy mô nhỏ

- Các nghiên cứu biến động lớp phủ và lớp phủ rừng được tiến hành ởnhiều quy mô không gian (cấp huyện, tỉnh, quốc gia, vùng lãnh thổ và toàn cầu) vàthời gian khác nhau (vài năm, hàng chục năm, hàng thế kỷ); mỗi nghiên cứu lại cónhững phát hiện mới, bổ sung cho nhau Động lực của biến động lớp phủ rừng phụthuộc vào từng lãnh thổ, không thể dựa vào những nghiên cứu trước đó để kết luậnchung cho các vùng địa lý khác

- Trong những năm qua, hoạt động nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừng tạiViệt Nam đã hình thành những tiền đề quan trọng về cơ sở dữ liệu, đang dần tiếp cậnvới công nghệ trên thế giới Tuy nhiên, những kết quả đạt được còn khiêm tốn, cáccông trình nghiên cứu chủ yếu mới chỉ khai thác thế mạnh của viễn thám trong lập bản

đồ, rất ít các nghiên cứu về quan hệ giữa biến động lớp phủ rừng với các yếu tố kinh tế

xã hội

- Các nghiên cứu về khu vực Hòa Bình được tiến hành ở nhiều phạm vikhông gian (vùng Tây Bắc, lưu vực sông Đà, toàn bộ ranh giới tỉnh, huyện, xã, thônbản) và phạm vi khoa học (địa chất, địa mạo, tài nguyên thiên nhiên, kinh tế xã hội,bảo vệ môi trường,…) khác nhau, trong đó Hòa Bình là một hợp phần hoặc

ngược lại, bản đồ lớp phủ và lớp phủ rừng chỉ là một phần dữ liệu đầu vào của các

mô hình Đây là nguồn tài liệu quan trọng cho luận án và là cơ sở để tác giả pháttriển hướng nghiên cứu nhằm thực hiện mục tiêu đã đề ra Tại Hòa Bình chưa cómột nghiên cứu nào về biến động lớp phủ rừng trên phạm vi toàn tỉnh có tính đếnảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố tự nhiên, kinh tế xã hội được mô hình hóabằng một mô hình toán học phù hợp trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóađất nước, hội nhập kinh tế và toàn cầu hóa, phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên,bảo vệ môi trường và đảm bảo phát triển bền vững

Do đó, vấn đề nghiên cứu cần thiết đặt ra trong luận án này là sử dụng tưliệu Landsat để xác định quy mô và kiểu biến động đặc trưng của lớp phủ rừngtỉnh Hòa Bình giai đoạn 1994- 2005 và 2005-2015, từ đó xác lập mối quan hệ giữabiến động lớp phủ rừng với các yếu tố kinh tế xã hội qua các giai đoạn nghiên cứu,góp phần quản lý tài nguyên đảm bảo phát triển bền vững Nghiên cứu này lựachọn ảnh Landsat vì đây là nguồn tư liệu được cung cấp miễn phí và tỉnh HòaBình có diện tích 4600 km2 nên sử dụng ảnh có độ phân giải trung bình là phùhợp Giai đoạn nghiên cứu được xác định từ năm 1994 đến nay vì năm 1994 làthời điểm lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình suy thoái và kiệt quệ nhất, từ đó đến nay lớpphủ rừng dần dần được phục hồi

1.2 Cơ sở lý luận nghiên cứu lớp phủ rừng

1.2.1 Khái niệm lớp phủ rừng và hệ thống phân loại lớp phủ

Khái niệm rừng:

Rừng là đất có cây che phủ 10 % với diện tích 0,5 ha trở lên, cây phải có độcao tối thiểu là 5 m, không kể cây ăn quả và cây trồng trong các hệ thống nông lâmkết hợp (FAO 2000) Đây là khái niệm được sử dụng rộng rãi cho mục đích sảnxuất, bảo tồn rừng; tại Việt Nam, thông tư 34/2009/TT-BNNPTNT có nêu rõ cáctiêu chí xác định rừng, bao gồm các tiêu chí sau [2]: (i) Rừng là một hệ sinh tháivới thành phần chính là các loài cây lâu năm thân gỗ, cau dừa có chiều cao vútngọn trên 5 mét có khả năng cung cấp gỗ, lâm sản ngoài gỗ và các giá trị khác nhưbảo vệ môi trường và cảnh quan, bảo tồn đa dạng sinh học (ii) Diện tích liềnkhoảnh phải lớn hơn 0,5 ha, nếu là dải cây rừng phải có chiều rộng ít nhất 20 mét

và có từ 3 hàng cây trở lên Cây rừng trên các diện tích tập trung dưới 0,5 ha hoặcdải rừng hẹp dưới 20 mét được gọi là cây phân tán

Tiêu chí phân loại rừng:

- Căn cứ trên nguồn gốc hình thành, rừng được phân thành hai loại: (i)Rừng tự nhiên là rừng có nguồn gốc tự nhiên bao gồm các loại rừng nguyên sinh

17

và rừng tái sinh; (ii) Rừng trồng là rừng nhân tạo được trồng lại trên đất trước đây

đã có rừng hoặc trồng mới trên đất chưa có rừng

- Theo mục đích sử dụng, rừng được phân thành ba loại: (i) Rừng đặc dụng

là rừng được sử dụng vào mục đích bảo tồn thiên nhiên, bảo tồn nguồn gen thực vật

và động vật rừng, phục vụ nghiên cứu khoa học, bảo vệ di tích lịch sử, du lịch nghỉdưỡng và tham quan (ii) Rừng phòng hộ là rừng được sử dụng phục vụ điều tiếtnguồn nước, giảm thiểu thiên tai: bảo vệ đất, chống xói mòn, chống cát bay, chắnsóng biển, điều hoà khí hậu, đảm bảo cân bằng sinh thái và an ninh môi trường (iii)Rừng sản xuất là rừng sử dụng cho mục đích sản xuất, kinh doanh lâm sản và cân bằngsinh thái kết hợp phòng hộ môi trường

- Phân loại rừng theo điều kiện lập địa bao gồm: (i) Rừng núi đất là rừngphát triển trên nền núi đất; (ii) Rừng núi đá là rừng phát triển trên núi đá; (iii) Rừngngập nước là rừng phát triển trên các diện tích ngập nước quanh năm hoặc ngập nướckhông thường xuyên; (iii) Rừng trên đất cát là rừng mọc trên các cồn cát, bãi cát

- Phân loại rừng theo trữ lượng bao gồm: rừng rất giàu, rừng giàu, rừng trung bình, rừng nghèo và rừng chưa có trữ lượng

Có nhiều hướng tiếp cận nghiên cứu về rừng như hệ sinh thái rừng, tàinguyên rừng, môi trường rừng …; tuy nhiên trong khuôn khổ của luận án, nghiêncứu sinh sẽ đề cập đến khía cạnh lớp phủ rừng trên cơ sở các thông tin khách quan

do các vệ tinh viễn thám thu nhận được hay nói cách khác cách tiếp cận trong luận

án này coi rừng là một loại lớp phủ

Việc xây dựng hệ thống phân loại phục vụ nghiên cứu LPĐ/SDĐ nói chung

và LPR nói riêng là cần thiết, cho đến nay chưa có một hệ thống phân loại nàođược chấp nhận dùng chung trên toàn cầu (Di Gregorio and Jansen 2000); vì vậyhiện nay vẫn tồn tại song song nhiều hệ thống phân loại (hệ thống phân loại củaUSGS, UNESCO, LBCS, FAO, Bộ TNMT…) và chúng lại được điều chỉnh chophù hợp với từng dự án cụ thể

Cục địa chất liên bang Mỹ USGS thông qua hệ thống phân loại áp dụng cho

tư liệu viễn thám vào giữa thập kỷ 70 (Anderson và nnk 1976) [40], cấu trúc vàcác định nghĩa cơ bản của hệ thống này vẫn còn nguyên giá trị cho đến ngày nay.Mặc dù công nghệ đo vẽ bản đồ đã phát triển cho phép thành lập bản đồ lớp phủchi tiết hơn, theo nhiều chuyên đề cụ thể từ nhiều nguồn tư liệu vệ tinh thế hệ mớinhưng hệ thống phân loại của các dự án này vẫn phát triển trên cơ sở hệ thốngphân loại của USGS Hệ thống phân loại này bao gồm 4 cấp độ tương ứng với các

loại tư liệu viễn thám có độ phân giải không gian khác nhau Theo kết quả điều tra

và thử nghiệm thực tế của USGS, mức I phù hợp với các tư liệu có độ phân giải20-100 m, các bộ cảm độ phân giải 5-20 m sẽ cho phép chiết tách thông tin ở cấp

độ II, ảnh có độ phân giải 1- 5 m phù hợp với cấp độ III, tư liệu độ phân giải < 1

m cho phép chiết tách thông tin ở cấp độ IV Hệ thống này được xây dựng theo 10tiêu chí:

+ Độ chính xác phân biệt các đối tượng LPĐ phải đạt 85% trở lên

+ Các lớp phủ trong bảng phân loại phải cùng độ chính xác phân loại và thích hợp với khả năng cung cấp thông tin của tư liệu

+ Kết quả phân tích phải cùng độ chính xác nếu có nhiều người giải đoán.+ Hệ thống phân loại có thể được áp dụng cho phạm vi nghiên cứu rộng.+ Hệ thống phân loại phải phản ánh thông tin SDĐ thông qua các loại LPĐ+ Hệ thống phân loại có thể được sử dụng khi phân tích các tư liệu thu nhận

ở nhiều thời điểm khác nhau

+ Hệ thống phân loại cho phép dùng các bậc phân loại phụ khi phân tích từ các ảnh viễn thám tỷ lệ lớn hơn

+ Sự tổng hợp của hệ thống phân loại có thể thực hiện trên cơ sở các cấp phân loại trong hệ thống chú giải

+ Hệ thống phân loại có thể so sánh với tài liệu SDĐ trong tương lai

+ Có thể nhận biết được đặc điểm SDĐ khác nhau thông qua hệ thống chú giải

Hệ thống phân loại UNESCO: được sử dụng để thành lập bản đồ thực phủ

toàn cầu ở tỉ lệ 1/1 000 000 và nhỏ hơn, cho phép so sánh các hệ sinh thái trên toànthế giới dựa trên tổ hợp các hình thái đời sống thực vật

Hệ thống tiêu chuẩn phân loại dựa trên đất đai (Land – Based ClassificationStandard-LBCS): đây là hệ thống phân loại theo thứ bậc toàn diện nhất đối với SDĐ đôthị hoặc ven đô do Hiệp hội Quy hoạch Mỹ (2006) phát triển trên cơ sở Hướng dẫn mãhóa sử dụng đất tiêu chuẩn năm 1965, Hướng dẫn tiêu chuẩn phân loại công nghiệp năm

1987 và Tiêu chuẩn phân loại công nghiệp Bắc Mỹ năm 2006 Hệ thống này yêu cầu dữliệu đầu vào phải là các tư liệu vệ tinh độ phân giải cao hoặc ảnh hàng không có thể cungcấp thông tin ở cấp độ thửa đất bao gồm: hoạt động, chức năng, sở hữu, vị trí và kiến trúc

Hệ thống này chỉ cung cấp mã cho các hoạt động SDĐ công nghiệp và thương mại màkhông cung cấp thông tin về LPĐ hay đặc tính thực vật [38]

Hệ thống phân loại LPĐ của Tổ chức nông lương thế giới FAO được xâydựng theo tiêu chuẩn ISO TC211 trên cơ sở ngôn ngữ về lý lịch lớp phủ (Land

19

Cover Meta Language-LCML) của FAO trước đó Mục đích của LCML là địnhnghĩa khung tham chiếu chung phục vụ so sánh và tích hợp dữ liệu từ bất kỳ hệthống chú giải LPĐ nào vì hiện nay các quốc gia và các khu vực sử dụng nhiều hệthống phân loại khác nhau Nói cách khác, LCML tạo ra một khung quy tắc chung,sau đó sắp xếp các loại LPĐ của các hệ thống đang tồn tại trên thế giới vào vị tríthích hợp trong khung này Vì vậy, hệ thống này có thể được sử dụng để kết nối

và sắp xếp bất kỳ loại LPĐ nào trên thế giới [57]

Hệ thống phân loại của Bộ Tài nguyên Môi trường được ban hành kèmtheo thông tư số 08/2007/TT-BTNMT về Hướng dẫn thực hiện thống kê, kiểm kêđất đai và xây dựng bản đồ hiện trạng SDĐ trên phạm vi cả nước bao gồm cáccấp: tỉnh, huyện, xã Bản đồ này chủ yếu thể hiện các thông tin về mục đích hiệntrạng đang sử dụng, trong đó, bản đồ cấp xã (đơn vị hành chính nhỏ nhất) đượcthành lập trên cơ sở tổng hợp trực tiếp từ thực địa, từ hồ sơ địa chính hoặc các hồ

sơ khác liên quan, trường hợp chưa có bản đồ địa chính thì sử dụng ảnh hàngkhông hoặc ảnh vệ tinh có độ phân giải cao kết hợp điều tra thực địa Bản đồ hiệntrạng SDĐ của các cấp cao hơn được tổng hợp từ bản đồ hiện trạng SDĐ của cácđơn vị hành chính cấp thấp [4]

Sau khi nghiên cứu các hệ thống phân loại, nghiên cứu sinh nhận xét:

Hệ thống phân loại của Bộ TNMT tuy được sử dụng bắt buộc với các bản

đồ hiện trạng SDĐ và các tài liệu SDĐ mang tính pháp lý nhưng không phù hợpvới mục tiêu nghiên cứu của luận án, vì luận án nghiên cứu LPĐ từ việc chiết táchthông tin viễn thám trong khi hệ thống phân loại này lại hướng dẫn thành lập bản

đồ SDĐ trên cơ sở điều tra, tổng hợp thông tin là chủ yếu

Hệ thống phân loại của FAO là hệ thống phân loại nhằm dung hòa và kếtnối các hệ thống phân loại đang tồn tại trên thế giới chứ không đưa ra nguyên tắc

cụ thể phục vụ thành lập bản đồ LPĐ từ tư liệu viễn thám

Hệ thống phân loại LBCS chỉ có các mã về SDĐ đô thị hoặc ven đô (khucông nghiệp, khu thương mại ) mà không cung cấp thông tin về thực phủ; hơnthế nữa, hệ thống này yêu cầu dữ liệu đầu vào là ảnh độ phân giải cao cung cấpthông tin ở cấp độ thửa đất nên không phù hợp cho nghiên cứu LPĐ từ tư liệuLandsat (độ phân giải 30 m) trong luận án này

Hệ thống phân loại của USGS được xây dựng để áp dụng cho công tácthành lập bản đồ LPĐ từ tư liệu viễn thám, dựa trên các tiêu chí cụ thể và đã đượckiểm chứng, thử nghiệm qua nhiều dự án, từ đó đưa ra hướng dẫn cụ thể

về sự phù hợp của từng loại tư liệu viễn thám với các cấp độ của hệ thống phânloại này Do đó, nghiên cứu sinh đánh giá đây là hệ thống phân loại phù hợp nhấtvới luận án, có thể áp dụng để thành lập bản đồ LPR từ tư liệu Landsat (độ phângiải không gian 30 m) ở mức I với tỉ lệ 1: 100 000 Đồng thời, căn cứ vào đặcđiểm địa lý, đặc điểm lớp phủ tỉnh Hòa Bình và mục tiêu nghiên cứu của luận án,nghiên cứu sinh xây dựng hệ thống phân loại gồm 6 lớp đối tượng như bảng 1.1

Bảng 1 1: Những lớp đối tượng nghiên cứu trong luận án

Bình hoặc rừng mới trồng dưới 3 năm

Cây bụi Các loài cây tạp, thân cỏ mọc thấp, hình thành sau khi khai thác rừng

hoặc mọc trên đất bỏ hoang

Nông nghiệp Lúa hoặc hoa màu tốt, phủ kín mặt đất hoặc mặt nước

Núi đá vôi trọc, ruộng lúa, nương rãy và rừng sau khi thu hoạch hoặcĐất trống mới trồng, đất bỏ hoang, mỏ khai thác khoáng sản hoặc vật liệu xây

dựng lộ trơ mặt đất; nhà cửa và các công trình phục vụ dân sinh.Mặt nước Ruộng lúa ngập nước sau thu hoạch, sông suối, ao hồ

1.2.2 Các phương pháp chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám

Các nghiên cứu biến động cần tuân thủ những yêu cầu riêng về kỹ thuật tiền

xử lý ảnh; trước hết, các ảnh đa thời gian cần được nắn chỉnh hình học chính xác vềcùng một hệ tọa độ, nếu không thì nguồn sai số từ việc nắn chỉnh hình học có thể dẫnđến những sai lầm trong xác định biến động Ngoài ra, nếu nghiên cứu sử dụng ảnhchỉ số thì việc chuyển từ giá trị số sang đại lượng phản xạ cũng rất cần thiết

Do ảnh sử dụng cho nghiên cứu biến động được chụp ở hai thời điểm khácnhau nghĩa là trong điều kiện khí quyển khác nhau nên các ảnh này cần được chuẩnhóa ảnh hưởng của khí quyển, đặc biệt là khi áp dụng kỹ thuật trước phân loại [96]

Thông tin về lớp phủ có thể được chiết tách thông qua các phương pháp sau:

1.2.2.1 Giải đoán ảnh bằng mắt

Giải đoán bằng mắt là dựa trên việc quan sát bằng mắt kết hợp với trí tuệ đểtách chiết các thông tin trên ảnh viễn thám, giải đoán bằng mắt có thể sử dụng kính

21

lúp, kính lập thể, kính phóng đại, nhằm nâng cao khả năng phân tích của mắt.Phân tích ảnh bằng mắt có thể áp dụng cho nhiều nội dung nghiên cứu khác nhau,đặc biệt là nghiên cứu lớp phủ mặt đất Cơ sở để giải đoán bằng mắt là dựa vào cácdấu hiệu đoán đọc và chìa khoá giải đoán; phân tích ảnh bằng mắt đòi hỏi phảitổng hợp, kết hợp nhiều thông số của ảnh, bản đồ, tài liệu thực địa và kiến thứcchuyên môn [94].

1.2.2.2 Phân loại đa phổ

1 Phân loại không giám sát

Phân loại không giám sát dùng để tìm hiểu sơ bộ về sự phân chia lớp phổcủa khu vực nghiên cứu hay sử dụng trong trường hợp không có thông tin hoặc rất

ít thông tin về các lớp phủ Phương pháp này dựa trên giải thuật ghép nhóm, trong

đó các lớp kết quả không biết trước, và có thể cả số các lớp cũng không biết trước[27, 94]

Các thuật toán phân loại không giám sát chỉ dựa trên thông tin phổ màkhông cần phải sử dụng dữ liệu mẫu; các pixel trên ảnh sẽ được gộp vào từng lớpphổ khác nhau trên cơ sở các nhóm phổ tự nhiên biểu thị qua giá trị độ xám củaảnh Sau đó bằng cách xác minh thực địa hoặc xác minh với các bản đồ khác, mỗilớp phổ sẽ được phân thành các lớp tương ứng trên thực địa [27, 94]

2 Phân loại có giám sát

Trong phân loại có giám sát, người phân tích dựa trên những thông tin biếttrước đó về đặc tính phổ của các lớp, tiến hành lấy mẫu nhằm tạo nên các ranhgiới cho mỗi lớp trong không gian phổ; cuối cùng mỗi pixel trong ranh giới của 1lớp sẽ được phân chia về lớp đó [94]

Một số thuật toán phân loại giám sát:

- Thuật toán phân loại xác suất cực đại

- Thuật toán phân loại theo khoảng cách tối thiểu

- Thuật toán phân loại hình hộp…

1.2.2.3 Dùng ảnh chỉ số thực vật

Chỉ số thực vật nói chung là công thức chuyển đổi ảnh dựa trên cơ sở lýthuyết về khả năng phản xạ phổ của thực vật khác nhau do cấu trúc tán lá và thànhphần chất diệp lục trong lá cây đối với kênh đỏ và cận hồng ngoại [94, 96] Chỉ sốnày cho phép quan trắc những biến đổi giữa các năm hoặc biến động dài kỳ trongcấu trúc hay các thông số vật lý, sinh học… của thực vật Quan trọng hơn, nhữngchỉ số này còn được sử dụng để tính toán các đại lượng sinh học, vật lý của thựcvật như hàm lượng Chlorophyl, hàm lượng các sắc tố, sinh khối tươi hoặc sinh

22

khối khô, hàm lượng nước hoặc cấu trúc bên trong của lá, độ ẩm của đất hoặcnhiệt độ bề mặt lớp phủ Có rất nhiều các chỉ số VIs được đề xuất với việc bổ sungcác hệ số từ đơn giản đến phức tạp, trong đó NDVI là một trong những chỉ số phổbiến nhất do tính chất đơn giản trong quá trình tính toán [76].

NDVI = (NIR−RED) / (NIR+RED) (1.1)

1.2.2.4 Phân loại hướng đối tượng

Nếu như phân loại đa phổ sử dụng giá trị phổ của từng pixel trên các kênhảnh thì phân loại hướng đối tượng sử dụng cả thông tin về phổ và các thông tinkhác về đối tượng để thực hiện phân loại các đối tượng Quy trình phân loại gồm

2 bước: phân mảnh ảnh và phân loại các đối tượng; ở bước 1, ảnh được chiathành các vùng đồng nhất bao gồm nhiều pixel, cách làm này tương tự như giảiđoán bằng mắt, việc phân mảnh có thể bao gồm nhiều cấp, sử dụng các thông tin

về màu sắc, hình dạng, kích thước, cấu trúc, hình mẫu và ngữ cảnh để nhóm cácpixel thành từng đối tượng có nghĩa; việc xác định quy mô phù hợp của đối tượng

là vấn đề mấu chốt trong bước phân mảnh ảnh [94] Sau khi phân mảnh, có thểphân loại các đối tượng dựa trên nhiều thuộc tính, các thuộc tính này gồm 2 nhómchính: thông tin của bản thân đối tượng (đặc điểm phổ, cấu trúc, hình dạng của đốitượng) và mối quan hệ giữa đối tượng đó với các đối tượng khác Tuy nhiên,phương pháp phân loại theo hướng đối tượng chỉ phát huy hiệu quả đối với ảnh

có độ phân giải cao trên khu vực nghiên cứu nhỏ

1.2.2.5 Đánh giá độ chính xác kết quả phân loại

Một trong những phương pháp đánh giá độ chính xác kết quả phân loại ảnhđược sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là thành lập ma trận sai số; ma trận này chophép đối chiếu kết quả phân loại từng lớp đối tượng với thông tin thực địa, từ đóđánh giá được độ chính xác kết quả phân loại cho từng loại lớp phủ, đồng thờicũng giúp đánh giá độ chính xác kết quả phân loại chung cho toàn ảnh thông qua 4tiêu chí: độ tin cậy của nhà sản xuất, độ tin cậy của người sử dụng, độ chính xáctoàn cục và hệ số kappa Các mẫu kiểm chứng có thể lấy theo từng pixel, mộtnhóm pixel hoặc lấy theo polygon, trong đó lấy theo polygon được áp dụng nhiềunhất trong các nghiên cứu gần đây do dễ thực hiện Số lượng mẫu tối thiểu chomỗi loại là 30p (p là số kênh phổ) [52, 100]

1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu biến động bằng viễn thám và GIS

Biến động có thể được nghiên cứu bằng các phương pháp: thống kê, đo vẽtrực tiếp thực địa và tích hợp viễn thám với GIS; tuy nhiên từ khi có tư liệu vệ tinhthì hai phương pháp đầu hầu như không còn được áp dụng hoặc áp dụng cho khu

vực rất nhỏ với các mục đích khác Vì vậy, nghiên cứu sinh chỉ đề cập đến cácphương pháp viễn thám và GIS sử dụng trong nghiên cứu biến động.

Việc áp dụng viễn thám trong nghiên cứu biến động là khá đa dạng, vớinhiều loại tư liệu như ảnh quang học, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar Việcphân loại các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động chỉ mang tínhchất tương đối và có nhiều hướng tiếp cận khác nhau, trong khuôn khổ của luận

án, nghiên cứu sinh sẽ đề cập đến một số phương pháp sau:

1.2.3.1 Phương pháp sau phân loại

Đây là phương pháp phân tích hai ảnh độc lập tạo ra hai bản đồ lớp phủ tạihai thời điểm, sau đó chiết tách thông tin biến động bằng việc so sánh hai bản đồlớp phủ, việc chiết tách thông tin phục vụ thành lập các bản đồ lớp phủ có thểđược thực hiện bằng mắt hoặc phân loại đa phổ Trong đó, quá trình so sánh xácđịnh biến động được thực hiện nhờ GIS, dữ liệu đầu vào có thể là vector hoặcraster [96, 152] Phương pháp sau phân loại được sử dụng từ cuối những năm

1970, được coi là phương pháp đáng tin cậy nhất và được sử dụng để đánh giáchất lượng kỹ thuật trừ ảnh mới nổi Ưu điểm của phương pháp này là không đòihỏi phải hiệu chỉnh, chuẩn hóa phổ cũng như không yêu cầu hai ảnh này phảiđược thu nhận cùng một mùa vì hai ảnh được phân loại riêng biệt (Singh 1989)

Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc phần lớn vào độ tin cậy quá trìnhphân loại hai ảnh

1.2.3.2 Phương pháp trước phân loại

Phương pháp này được tiếp cận theo hướng xử lý số và được cụ thể hóabằng các kỹ thuật sau:

1 Kỹ thuật phân loại trực tiếp từ ảnh đa thời gian hay phân tích tổ hợp

Đây là một trong những kỹ thuật thành lập bản đồ biến động sớm nhất theohướng bán tự động Theo khái niệm của Weismiller và cộng sự (1977), phân tích

tổ hợp là kỹ thuật phân loại biến động theo thời gian dựa trên thay đổi về phổ Kỹthuật này căn cứ vào việc phân tích một bộ dữ liệu ảnh đa thời gian có sử dụngnhận dạng mô hình chuẩn kết hợp phân loại phổ để phát hiện khu vực xảy ra biếnđộng lớp phủ Yêu cầu dữ liệu đầu vào được thu nhận ở hai năm khác nhau nhưngphải cùng mùa nhằm đảm bảo đồng nhất về điều kiện thu nhận ảnh cũng như ít có

sự thay đổi về đặc điểm thực vật [152]

24

2 Phân tích vector biến động

Khi lớp phủ biến động sẽ kéo theo sự thay đổi về phổ, vector biến đổi phổ

có gốc là thời điểm thứ nhất và ngọn là thời điểm thứ hai với độ lớn bằng khoảngcách từ thời điểm thứ nhất đến thời điểm thứ hai Nếu độ lớn của vector này lớnhơn ngưỡng đặt ra thì có thể kết luận rằng có xảy ra biến động lớp phủ Hướngcủa vector biến đổi phổ cho biết thông tin về loại lớp phủ ví dụ như rừng đã bịphát quang hay rừng tái sinh (Malila 1980) [96, 152] Phương pháp này đã đượcMalila (1980), Colwell và Weber (1981) áp dụng lần đầu tiên trong nghiên cứubiến động rừng ở Bắc Idaho và Nam Carolina

Hình 1 2 Phân tích vector biến động

3 Trừ ảnh

Trong phân tích biến động, ảnh ở thời điểm 1 được coi là ảnh nền, sau đó lấyảnh ở thời điểm 2 trừ ảnh ở thời điểm 1 Trên ảnh hiệu, khu vực không biến đổi là khuvực có cấp độ xám khá đồng đều Nếu vẽ Histogram của ảnh hiệu này thì khu vựctrung tâm của Histogram là khu vực không biến động, hai đuôi của Histogram sẽtương ứng với khu vực biến động [96, 152] Kỹ thuật này sử dụng phép lọc tần sốthấp và đã được Singh (1984) ứng dụng đầu tiên trong nghiên cứu biến động rừngnhiệt đới Gần đây nhiều nghiên cứu sử dụng kỹ thuật trừ ảnh NDVI để nghiên cứubiến động về trạng thái lớp phủ như Al-doski, Mancino [37, 97]

Hình 1 3 Nguyên tắc của kỹ thuật trừ ảnh

4 Phân tích thành phần chính (Principal component analysis- PCA)

Phân tích thành phần chính là kỹ thuật chuyển đổi giá trị độ xám của pixelbằng cách giữ tối đa lượng thông tin hữu ích và loại bỏ các thông tin trùng lặp;ảnh kết quả (ảnh thành phần chính-PC) chỉ chứa các kênh ảnh ít tương quan [94]

Về mặt toán học, đây là tổ hợp tuyến tính từ không gian k chiều (k- số kênhchứa trên ảnh gốc) về một không gian p chiều (p- số kênh chứa trên ảnh thànhphần chính) với k > p mà vẫn bảo toàn thông tin ở mức chấp nhận được; phươngpháp này được áp dụng để loại bỏ các thông tin trùng lặp trên các kênh phổ gầnnhau của ảnh vệ tinh đa phổ [94, 152]

Kỹ thuật phân tích thành phần chính lần đầu tiên được Byrne và cộng sự(1980) ứng dụng trong theo dõi biến động lớp phủ; khi áp dụng PCA, PC1 và PC2 sẽcung cấp thông tin về các lớp phủ không biến động, trong khi PC3 và các PC tiếp theo

sẽ chứa thông tin về các đối tượng biến động (Byrne 1980 và Richards1984) Cácthành phần bậc cao hơn sẽ liên quan đến biến đổi về mặt độ xám, độ xanh, Jiaju(1988) đã chứng minh ứng dụng PCA cho phép chiết tách thông tin về các loại câytrồng mà không cần chuẩn hóa ảnh hưởng khí quyển [152]

5 Phân tích phổ tổng hợp

Phân tích phổ tổng hợp do Gillespie và cộng sự đề xuất năm 1990 phục vụgiải đoán ảnh độ phân giải phổ cao AVIRIS; đến năm 1995, Adams và cộng sựtiếp tục phát triển để sử dụng cho ảnh Landsat TM, MSS Phương pháp này coicác pixel của ảnh đa phổ là tổ hợp của các dấu hiệu đa phổ, điển hình là mô hìnhpha trộn tuyến tính, phản xạ của toàn bộ ảnh có thể được tính toán bằng tỉ số.Phương pháp này đòi hỏi phải chuyển về ảnh phản xạ và chuẩn hóa, hiệu chỉnhkhí quyển trước khi phân tích biến động [96, 152]

1.2.3 3 Phối hợp nhiều phương pháp (hybrid)

Hybrid là phương pháp kết hợp giữa sau phân loại và nhận dạng thay đổi

về phổ trong kỹ thuật trước phân loại nhằm hạn chế những nhược điểm của haiphương pháp này, nâng cao độ chính xác kết quả phân loại Các tác giả ứng dụngthành công phương pháp này như: Pilon và nnk (1998), Petit và nnk (2001), Al-doski (2015), Mancino (2014)…[37, 97, 152]

Sau khi tìm hiểu các phương pháp viễn thám trong nghiên cứu biến động lớp phủ rừng và căn cứ vào điều kiện địa lý tự nhiên tỉnh Hòa Bình, nghiên cứu sinh lựa chọn các phương pháp sau cho luận án của mình:

- Tạo ảnh chỉ số NDVI và ảnh hiệu NDVI

26

- Phương pháp trước phân loại: trừ ảnh NDVI để giám sát nhanh biến động

về trạng thái thảm thực vật

- Phương pháp sau phân loại bằng thuật toán xác suất cực đại phục vụ nghiên cứu chi tiết phân bố không gian và biến động lớp phủ rừng

1.2.4 Các mô hình nghiên cứu biến động

Tính đa dạng của nghiên cứu mô hình hóa qua nhiều năm trở thành một tháchthức lớn đối với việc tổng quan, phân loại các mô hình Các hệ thống phân loại nàyhầu hết dựa trên quá trình biến đổi SDĐ chủ yếu đã được mô hình hóa, phương pháp

mô phỏng sử dụng trong mô hình, chẳng hạn như nghiên cứu về mô hình mất rừng,

dự án biến động LPĐ/SDĐ sử dụng mô hình do Lambin (1997) cung cấp [85], trongkhi Kaimowitz và Angelsen (1998) lại chú trọng đến mô hình mất rừng dựa trên lýthuyết kinh tế [77] Miller và nnk (1999) và U.S EPA (2000) trình bày tổng quan môhình đô thị lồng ghép [106], trong khi Parker và nnk (2005) và Bousquet và Le Page(2004) tổng quan về mô hình đa tác nhân [44, 119] Nhìn chung, các mô hình biếnđộng LPĐ/SDĐ có thể được phân loại như sau:

1.2.4.1 Mô hình không gian và phi không gian

Mô hình không gian nhằm mục đích miêu tả rõ ràng không gian biến đổiSDĐ ở một số quy mô, trong đó biến đổi SDĐ được chỉ ra trên từng pixel hoặctrên các đơn vị không gian khác như đơn vị hành chính Vì vậy, nhóm mô hìnhnày có thể phát hiện ra sự thay đổi về không gian trong điều kiện môi trường tựnhiên và xã hội khác nhau

Nhóm mô hình phi không gian quan tâm đến độ lớn và tốc độ biến độngSDĐ mà không đề cập cụ thể đến sự phân bố không gian của nó, ví dụ như môhình phi không gian về mất rừng ở Altamira thuộc vùng Amazon của Evans vànnk (2001) [61] Mô hình ở cấp độ từng mảnh đất này tính toán đến lợi ích củahoạt động SDĐ cụ thể để tìm ra cách SDĐ tối ưu tại mỗi thời điểm và sự phân bốlao động ở mỗi hoạt động SDĐ dựa trên số tiền có thể kiếm được của hộ gia đình

và tiền lương lao động Mô hình này thể hiện tỉ lệ các thửa đất ở các lớp: rừngtrưởng thành, rừng tái sinh, cây trồng lâu năm, cây trồng hằng năm và đồng cỏ ởmỗi thời điểm cách nhau một năm

Dù có sử dụng các mô hình khác nhau nhưng phải đảm bảo mô phỏng đượccấu trúc chung của một mô hình Cấu trúc mô hình bao gồm hai quá trình khác nhau:tính toán độ lớn của biến động và phân bố của biến động, cả hai quá trình tính toánnày đều dựa trên bộ nhân tố tác động đặc biệt là các nhân tố chủ đạo của biến động

Đôi khi một tác nhân có thể ảnh hưởng đến cả độ lớn và phân bố biến động,bản đồ thích nghi được tạo ra (bản đồ vị trí thích hợp cho loại SDĐ cụ thể liênquan đến sự phù hợp vị trí các loại khác) dựa trên việc phân tích một hoặc nhiềunhân tố (coi như nhân tố quyết định biến động không gian SDĐ) Việc lựa chọncác nhân tố sử dụng trong mô hình và ảnh hưởng của nó đối với bản đồ thích nghi

là thành phần chính của mô hình SDĐ Các hướng nghiên cứu hiện nay bao gồm:

hệ thống quy tắc trên cơ sở lý thuyết hoặc kiến thức chuyên gia, bản đồ thích nghidựa trên phân tích thực nghiệm, quy tắc chuyển dịch phụ thuộc SDĐ lân cận

Bên cạnh bản đồ thích nghi, yêu cầu đối với các loại SDĐ khác nhau và sựcạnh tranh giữa các loại SDĐ cũng dẫn đến biến đổi mô hình SDĐ Vì thế cho nêntrong hầu hết các mô hình, hệ thống quy tắc được sử dụng để phân bố biến đổi SDĐdựa trên bản đồ thích nghi Những quy tắc này thay đổi tùy theo việc sử dụng giá trịcắt đơn giản để lựa chọn vị trí thích hợp nhất trên bản đồ thích nghi đối với mô hìnhcạnh tranh động giữa các cách SDĐ căn cứ theo đặc tính cụ thể của từng loại đất

Có rất nhiều hướng tiếp cận khác nhau được sử dụng để tính toán các yêucầu SDĐ đa dạng trong không gian Một số mô hình tiếp cận theo hướng từ dướilên được lựa chọn, trong đó cần chú ý quy tắc phân bố và động thái không gianxác định số lượng biến động LPĐ/SDĐ Tuy nhiên, cách tiếp cận từ trên xuốngthường được áp dụng nhiều hơn, trong đó biến động về loại LPĐ được xác địnhdựa vào bộ nhân tố tác động Số lượng này được sử dụng làm yếu tố ràng buộctrong quá trình phân bố Ngoài ra, hướng tiếp cận tổng hợp cũng được sử dụng đểnghiên cứu SDĐ, trong đó yêu cầu SDĐ chịu tác động phản hồi từ đơn vị phân bố:giá trị của đất biến đổi, ích lợi của đất

1.2.4.2 Mô hình động và mô hình tĩnh

Dựa trên đặc điểm về thời gian, việc tính toán các hệ số mô hình hồi quy (các

hệ số này giải thích sự phân bố không gian của biến đổi SDĐ, là hàm của các tác nhântheo giả thiết) có thể được coi như một mô hình biến động LPĐ/SDĐ tĩnh và đượcứng dụng rộng rãi [48, 111, 115] Mặc dù các mô hình hồi quy như vậy có thể được

sử dụng để dự báo biến động LPĐ/SDĐ trong tương lai, nhưng các mô hình nàythường không tính đến tác động phản hồi và sự độc lập giữa các biến Mô hình độngchú trọng đến sự vận động theo thời gian của hệ thống SDĐ, tiêu biểu là tính cạnhtranh giữa các SDĐ, tính không thể đảo ngược được của các biến động trong quá khứ(dẫn đến con đường độc lập trong sự phát triển hệ thống và con đường LPĐ/SDĐ đãđược định trước) Mô hình tĩnh có thể được sử dụng để

28