Nghiên cứu biến động hiện trạng lớp phủ thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn lưu vực sông trà khúc bằng phương pháp viễn thám và hệ thông tin địa lý

Hạn chế của việc sử dụng ảnh viễn thám trong đánh giá biến động lớp phủ thực vật lưu vực lưu vực sông Trà Khúc và cách khắc phục...84 Chương 3 MÔ HÌNH HÓA XÓI MÒN LƯU VỰC SÔNG TRÀ KHÚC B

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Ảnh vệ tinh sử dụng trong luận án 8

Bảng 2 Các bản đồ chuyên đề được sử dụng 9

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

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

Bảng 2.2 Ðộ phân tách mẫu 55

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

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

Bảng 2.5 Hệ số chuẩn hóa ảnh 72

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

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

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

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

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

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

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

Bảng 4.1 Biến động xói mòn 1989-1997 132

Bảng 4.2 Biến động xói mòn 1997-2001 132

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

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

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

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

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

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

xói mòn 5

Hình 2 Phương pháp nghiên cứu 6

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

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

Hình 1.3 Vị trí lưu vực sông Trà Khúc 35

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

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

Hình 2.2 Các Phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật từ ảnh viễn thám 45

Hình 2.3 Sơ đồ các bước xử lý ảnh 50

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

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

Hình 2.6 Phân bố các mẫu trên không gian kênh 4 và kênh 3, lưu vực sông Trà Khúc 55

Hình 2.7 Histogram ảnh chỉ số thực vật 57

Hình 2.8 Ảnh chỉ số thực vật 58

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

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

Hình 2.10 Pixel “pure” 61

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

Hình 2.12 Bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 65

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

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

Hình 2.15 Histogram ảnh tỷ số NDVI 69

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

Hình 2.17 Bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1989 74

Hình 2.18 Bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1997 75

Hình 2.19 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1989, 1997, 2001 76

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

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

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

Hình 3.1 Sử dụng mô hình USLE trong tính toán xói mòn bằng GIS 96

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 4.6 Biến động xói mòn 1989-1997 134

Hình 4.7 Biến động xói mòn 1997-2001 135

Hình 4.8.Ả nhhưởngbiếnđộnglớpphủthựcvậttớixóimònthờikỳ 138 1989-1997 Hình 4.9 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn thờ i kỳ 1997-2001138 Hình 4.10 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 1989-1997 140

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

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

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

Hình 4.14 Các bước tính toán khu vực tác động 149

Hình 4.15 Các bước tính toán khu vực ưu tiên 150

Hình 4.16 Các bước tính toán biện pháp tác động 151

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

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

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp bách của vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 4

5 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu 4

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

7 Những điểm mới của luận án 7

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 8

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án 8

10 Khối lượng và cấu trúc luận án 9

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

1.1 Tổng quan về nghiên cứu xói mòn 10

1.1.1.Vấn đề xói mòn 10

1.1.2 Mô hình và mô hình hóa xói mòn 13

1.1.3 Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn 14

1.1.4 Vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên đất và các biện pháp hạn chế xói mòn 16

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

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

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

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

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

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

2.1 Thông tin trên ảnh viễn thám và tiếp cận đa quy mô trong chiết xuất thông tin 41

2.1.1 Thông tin trên ảnh viễn thám 41

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

2.2 Các phương pháp đánh giá biến động 45

2.3 Hệ thống phân loại lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 47

2.4 Thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 49

2.4.1 Nắn chỉnh hình học 50

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

2.4.3 Phân loại có kiểm định: 54

2.4.4 Tính chỉ số thực vật 56

2.4.5 Phân loại dưới pixel 60

2.4.6 Kết hợp thông tin 62

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

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

2.5.1 Ðịnh chuẩn tương đối 71

2.5.2 Thành lập bản đồ khu vực biến động 72

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

2.6 Phân tích các đặc trưng biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 76

2.6.1 Biến động theo thời gian 77

2.6.2 Biến động theo không gian 78

2.6.3 Cấu trúc (pattern) biến động 81

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

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

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

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

3.2.1.Mô hình kinh nghiệm 88

3.2.2 Mô hình nhận thức 93

3.3 Áp dụng GIS trong mô hình hóa đánh giá xói mòn đất lưu vực sông Trà Khúc 95

3.3.1 Lựa chọn mô hình 95

3.3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu 97

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

3.4.1 Bản đồ hệ số R 99

3.4.2 Bản đồ hệ số K 101

3.4.3 Bản đồ hệ số LS 103

3.4.4 Bản đồ hệ số C 109

3.4.5 Bản đồ hệ số P 114

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

3.4.7 Bản đồ xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 117

3.5 Một số ưu điểm của phương pháp mô hình hoá xói mòn bằng hệ thống thông tin địa lý so với phương pháp truyền thống. 120

Chương 4

ẢNH HƯỞNG BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT

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

TRÀ KHÚC 122

4.1 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 122

4.1.1 Tiếp cận theo mô hình toán 124

4.1.2 Tiếp cận theo phân tích không gian 126

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

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

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

4.3 Một số nhận xét về bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 154

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 157

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

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

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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp bách của vấn đề

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

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

và dường như đó là một cái giá phải trả cho sự phát triển kinh tế, xã hội Các giảipháp đưa ra, được phân tích là khả thi nhất, là các biện pháp can thiệp vào lớp phủthực vật nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc chống xói mòn [41] Xói mòn cónguồn gốc tự nhiên là quá trình diễn ra liên tục trong tự nhiên và chỉ là thứ yếu nếu

so với xói mòn do nguyên nhân con người Trong các nguyên nhân do con người,việc phá hoại thảm (lớp phủ) thực vật, tấm áo che chắn cho đất khỏi bị xói mòn lànguyên nhân trực tiếp khiến cho xói mòn gia tăng tại vùng miền núi

Ðể có thể giảm thiểu xói mòn ở khu vực miền núi, hai vấn đề cần được songsong nghiên cứu: bản thân quá trình xói mòn, nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởngđến nó và vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên bởi hai vấn đề này có mối liên quan hữu

cơ Các nghiên cứu về quá trình xói mòn đã được nhiều tác giả tổng kết và đều cókết luận chung là lớp phủ thực vật chính là nơi con người có thể tác động để giảmthiểu xói mòn Sử dụng hợp lý tài nguyên vốn là một bài toán tổng hợp, yêu cầuthông tin và hiểu biết về nhiều mặt khác nhau: điều kiện tự nhiên, xã hội, kinh tế bởi

sử dụng hợp lý chính là biện pháp làm cân bằng giữa nhu cầu phát triển kinh tế vớibảo vệ môi trường trong bối cảnh xã hội cụ thể Vì thế, mọi nghiên cứu theo hướngnày cần gắn với một khu vực có những đặc trưng địa lý và xã hội cụ thể, hay

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

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

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

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

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

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

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

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

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm các mục tiêu sau đây:

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

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

• Đánh giá ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn lưuvực sông Trà Khúc bằng công cụ phân tích không gian trên GIS theo hướng tiếp cậnquan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và quá trình xói mòn ở tỷ lệ lưu vực và sử dụngmối quan hệ đó để lượng hóa và không gian hóa các thông tin phục vụ cho việc qui hoạch

sử dụng đất chống xói mòn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

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

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

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

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

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

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

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

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

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

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

• Về đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của luận án là biến độnglớp phủ thực vật (tập trung vào các số liệu biến động thấy được mà không đi vào giảithích nguyên nhân các biến động đó) bằng ảnh vệ tinh, cụ thể là ảnh vệ tinh Landsat TM

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

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

5 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu Quan điểm nghiên cứu

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

1 Do địa hình lưu vực sông Trà Khúc ở địa phận tỉnh Quảng Nam không có dữ liệu chi tiết và phần này có diện tích nhỏ (chỉ chiếm 4% tổng diện tích lưu vực) nên lưu vực sông Trà Khúc trong luận án không bao gồm phần này

4

Qui hoạch sử dụng đất hợp lí chính là công cụ để bảo vệ tài nguyên đất và có thể có

nhiều cách tiếp cận vấn đề qui hoạch sử dụng đất Tiếp cận vấn đề qui hoạch thông

qua mô hình xói mòn, một trong những quá trình gây ra thoái hóa tài nguyên đất

vùng miền núi, là một trong những cách tiếp cận Khi đó xói mòn có thể được coi là

một hệ thống có các hợp phần quan hệ chặt chẽ với nhau và điều quan trọng là quan

hệ của các hợp phần này có thể được biểu diễn một cách định lượng Các hợp phần

tham gia vào hệ thống xói mòn có thể được không gian hóa, nghĩa là biểu diễn bằng

dữ liệu không gian.Có thể tác động vào các hợp phần của hệ thống để làm thay đổi

quá trình xói mòn Luận án chọn hợp phần lớp phủ thực vật làm đối tượng để

nghiên cứu và tác động Do đó, nghiên cứu xói mòn bằng phương pháp mô hình hóa

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

lưu vực

Lớp phủthực vật

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

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp viễn thám được sử dụng trong theo dõi đánh giá biến động

lớp phủ thực vật khu vực nghiên cứu GIS được sử dụng để mô hình hóa quá trình

xói mòn và phân tích biến động lớp phủ thực vật cũng như ảnh hưởng của nó tới quá

trình xói mòn (hình 2)

Hình 2 Phương pháp nghiên cứu

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

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

GIS, với khả năng phân tích không gian, được sử dụng để mô hình hóa quátrình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc dựa trên phương trình USLE (Universal SoilLoss Equation) Các bản đồ thành phần của phương trình USLE được tính toán hoặcxây dựng trên toàn bộ lưu vực và sau đó, bản đồ xói mòn tiềm năng và bản đồ xói

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

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

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

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

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

7 Những điểm mới của luận án

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

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

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

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

• Đưa ra đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ thực vật tới xói mòn trên khía cạnh biếnđộng theo không gian và thời gian và sử dụng thông tin này trong qui hoạch bảo vệ tàinguyên đất theo hướng giảm thiểu xói mòn tại lưu vực sông Trà Khúc

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

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

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

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

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

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

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

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

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

Bảng 1 Ảnh vệ tinh sử dụng trong luận án

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

sử dụng để xây dựng mô hình số độ cao cho khu vực nghiên cứu Bản đồ địa hình tỷ

lệ 1:50.000 được số hóa và chuyển đổi về hệ tọa độ VN 2000

Bản đồ chuyên đề

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

Thông tin thực địa

Thông tin thực địa được sử dụng trong phân tích ảnh viễn thám Một đợt thựcđịa khu vực nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh tiến hành vào năm 2000 nhằm thuthập các thông tin mẫu cho việc xử lý ảnh viễn thám cũng như sử dụng làm cácthông tin kiểm chứng sau phân loại

10 Khối lượng và cấu trúc luận án

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

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

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

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

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

1.1 Tổng quan về nghiên cứu xói mòn

1.1.1.Vấn đề xói mòn

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

từ 1,8 đến 3,9 lần

• Sườn lồi tăng 2 đến 3 lần so với sườn thẳng Sườn lõm xói mòn yếu, sườn

bậc thang xói mòn không đáng kể [12]

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

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

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

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

Trong thời gian gần đây, khoảng từ những năm 90, với sự phát triển mạnh mẽcủa hệ thông tin địa lý, một số nhà nghiên cứu Việt Nam cũng đã thử giải quyết bài

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

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

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

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

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

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

1.1.2 Mô hình và mô hình hóa xói mòn

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

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

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

mô hình WEPP [10,47]

Hiện nay, các mô hình xói mòn được phát triển ngày càng phong phú để phùhợp với tình hình từng địa phương cụ thể Ðiều này cho thấy tích chất phức tạp cũngnhư đa dạng của quá trình xói mòn Chỉ trong một trang web về các mô hình xóimòn, người đọc có thể tìm thấy 20 mô hình chính riêng với quá trình xói mòn donước (http://soilerosion.net/doc/models_menu.html) Lưu ý rằng đây mới chỉ là liệt

kê các mô hình đã được tin học hóa

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

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

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

1.1.3 Các xu hướng mới trong nghiên cứu xói mòn

Hiện nay, xói mòn được nghiên cứu mở rộng hơn với nhiều loại hình và tínhchất khác nhau Ban đầu, khi nói đến xói mòn do nước, hầu hết các công trình chỉ đềcập đến xói mòn do rửa trôi bề mặt (runoff) [16] Các khái niệm như xói mòn bềmặt (sheet erosion); xói mòn tạo xẻ rãnh nhỏ (rill erosion); xói mòn liên rãnh(interrill erosion); xói mòn xẻ rãnh lớn (gully erosion) đã được đề cập tới ngày càngnhiều trong các công trình nghiên cứu hiện đại

Xu hướng phổ biến hiện nay trong nghiên cứu xói mòn trên thế giới, thể hiệnqua hội thảo lần thứ 12 của ISCO tổ chức tại Bắc Kinh năm 2002 là nghiên cứu xóimòn theo hướng mô hình hóa diễn tả động lực của quá trình xói mòn và nghiên cứu

xói mòn kết hợp với các khoa học khác, chủ yếu để tìm hiểu quá trình cũng như tác

động của xói mòn lên môi trường nhằm có được các biện pháp chống xói mòn khả

thi Có thể hình dung các xu hướng này như hình 1.1

Bảo tồn tài nguyênđất và nước – Các

động ở qui mô khu

vựcnước

Công nghệ và

thiểu Xói mòn

Quá trình xói

Hình 1.1 Các xu hướng nghiên cứu xói mòn hiện đại

Một điều đáng chú ý là nhiều nhà khoa học [82] đã đồng ý rằng hầu hết các

nghiên cứu về xói mòn hiện được tiến hành nhằm các mục tiêu sao cho không cần

phải xem xét đến sự khác biệt tỷ lệ (qui mô) không gian và thời gian Nhưng điều

này sẽ dẫn đến những sai biệt đáng kể Theo Valentin và các đồng nghiệp, để có thể

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

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

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

• Quá trình xói mòn tương tác như thế nào với các quá trình khác ở các qui mô

thời gian và không gian khác nhau?

• Các quá trình diễn ra ở tỷ lệ lớn thúc đẩy thế nào (với tư cách là nguyên

nhân) tới quá trình xói mòn ở cấp độ thấp hơn?

• Và, đến lượt mình, các quá trình động ở tỷ lệ nhỏ hơn dẫn tới các điều kiện

ngưỡng mà quá trình xói mòn xảy ra ở cấp độ cao hơn và ngược lại?

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

Ở Việt Nam, các nghiên cứu xói mòn vẫn là sự tiếp tục phát triển các hướngnghiên cứu truyền thống, trong đó phổ biến nhất là sử dụng phương trình mất đất tổngquát USLE (Wishmeier và Smith năm 1978) để đánh giá lượng đất mất Các nghiên cứunày tập trung vào nhiều qui mô khác nhau (toàn quốc, lưu vực, tỉnh, khu vực) hoặc giảiquyết các vấn đề đơn lẻ trong phương trình USLE (hệ số R, hệ số K ).Một số tác giả đã

có tìm tòi sâu hơn về tác động của xói mòn đến môi trường, cụ thể hơn là đến tài nguyênđất Trong đề tài nghiên cứu cơ bản 73 51 01, các tác giả đã chỉ ra tác động môi trườngcủa từng loại hình xói mòn, theo đó xói mòn bề mặt làm cho đất thoái hoá (mất N, P,K ); xói mòn xẻ rãnh nhỏ làm mất đất, xói mòn xẻ rãnh lớn ngoài việc làm mất đất còn

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

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

bố trong nghiên cứu này cũng rất đáng chú ý

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

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

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

Tài nguyên thiên nhiên là toàn bộ những giá trị vật chất của thiên nhiên, cầnthiết cho sự tồn tại và hoạt động kinh tế của xã hội loài người như: khoáng sản, đất

16

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

• Tài nguyên có thể phục hồi được là các loại tài nguyên thiên nhiên sau khikhai thác, sử dụng hết, có thể tái tạo lại được sau một thời gian nhất định Ví dụ: độ phìcủa đất đai, số lượng các loài động vật, thực vật v.v Tuy nhiên sự phục hồi đó cũng cógiới hạn nhất định Nếu việc khai thác, sử dụng vượt quá mức thì không thể phục hồi lạiđược Chính vì vậy mà trên toàn thế giới hiện nay đã có nhiều loài động, thực vật hoàntoàn bị tuyệt chủng, nhiều vùng đất đai trở thành hoang mạc v.v

• Tài nguyên không phục hồi lại được: các loại tài nguyên thiên nhiên mà quátrình hình thành của chúng quá dài, hoặc điều kiện hình thành của chúng khó lặp lại Ví

dụ khoáng sản là những tài nguyên đã được hình thành trong những khoảng thời gian dàihàng triệu năm, hoặc trong những điều kiện địa hình, khí hậu v.v hết sức đặc biệt

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

đó tính chất vô tận cũng không còn ý nghĩa

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

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

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

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

mà đất “mang” trên mình nó.Một vật mang và lại được đặc thù bởi tính chất độc đáo

mà không vật thể tự nhiên nào có được - độ phì nhiêu giúp cho các hệ sinh thái tồntại, phát triển “Xét cho cùng thì cuộc sống của con người cũng phụ thuộc vào tínhchất độc đáo này của đất” [11]

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

• Tính sản xuất hiệu quả (productivity)

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

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

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

là loại từ nguyên nhân gây ra xói mòn, hay nói đúng hơn, loại trừ khả năng hạt mưalàm vỡ hạt đất [13, 59, 72] Ðể làm được điều này, cần phải tăng cường độ che phủ -

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

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

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

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

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

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

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

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

ở Sơn La, Lê Mỹ Phong và Nguyễn Ngọc Khánh đã đề xuất 9 biện pháp sử dụng đấttrên 9 đơn vị trắc lượng hình thái nhằm đảm bảo phát triển bền vững [15] Tuy nhiên, đâymới chỉ là nghiên cứu bước đầu, các biện pháp được đưa ra chưa cụ thể vì thiếu các sốliệu về điều kiện kinh tế và xã hội

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

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

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

Một số biện pháp hạn chế xói mòn

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

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

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

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

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

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

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

dữ liệu chủ đạo (prime data) cho việc thành lập bản đồ lớp phủ thực vật [61,62]

Ngay từ những ngày đầu tiên của sự phát triển công nghệ viễn thám, theo dõilớp phủ thực vật đã được đề cập đến, trong đó “vẽ bản đồ lớp phủ thực vật là mộttrong những ứng dụng tiêu biểu và quan trọng của dữ liệu viễn thám” [52] Với bảnchất việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng điện từ từcác đối tượng trên mặt đất, viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi lớp phủ thựcvật Các loại lớp phủ thực vật, đến lượt mình lại phản ánh các điều kiện mặt đấttương ứng như rừng, đồng cỏ Các loại hình sử dụng đất này lại phản ánh các hoạtđộng của con người Vì vậy, viễn thám ngày càng có vai trò to lớn hơn và ngày càng

có mặt nhiều hơn trong nghiên cứu liên quan đến tài nguyên thiên nhiên như lớpphủ thực vật, tài nguyên đất và tài nguyên nước Có thể thấy rõ được sự phát triểnnày qua số lượng các công trình công bố như trong hình 1.2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Quan sát thực Ảnh hàng Viễn thám số Viễn thám số vệ

sử dụng đất tuỳhoàn cảnh

Khả năng tách Từng cá thể Kiểu cấu trúc Kiểu cấu trúc Các lớp hiện

Tần suất lặp lại Phụ thuộc vào Phụ thuộc vào Phụ thuộc vào Hàng ngày tớithông tin khả năng nguồn nguồn lực và nguồn lực và 20 ngày, phụ

Phương pháp Quan sát Giải đoán mắt Xử lý ảnh tự Xử lý ảnh tự

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Đánh giá biến động phản xạ phổ trước phân loại là phương pháp thu nhậnbiến đổi về phổ (spectral) để tạo nên một ảnh gồm một hay nhiều kênh ảnh trên đócác phần thay đổi về phổ được làm rõ từ hai ảnh cho trước Việc so sánh này có thểđược tiến hành theo từng pixel (nghĩa là so sánh giá trị ở từng pixel tương ứng về vịtrí trên các ảnh đa thời gian) hoặc trên toàn cảnh (nghĩa là so sánh sự khác biệt vềgiá trị phổ trên “khung cảnh” toàn ảnh Những kỹ thuật thông dụng nhất để tính toán

sự biến đổi giữa các kênh ảnh phổ là “differencing” (phép trừ) và “image ratioing”(phép chia) Trong trường hợp tính toán sự biến đổi, các phương pháp đồng nhấthoá (equalization), ví dụ như phân tích thành phần chính thường được áp dụng [40].Sau khi đã có được các kết quả về sự khác biệt giữa các ảnh, cần phải có nhữngphân tích để quyết định mức độ khác biệt thế nào đại diện cho sự thay đổi.Việc phânngưỡng thay đổi có thể được dựa vào hàm phân bố, với ngưỡng thay đổi được chọn

là lớn hơn hay nhỏ hơn một khoảng độ lệch chuẩn [40]

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

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

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

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

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

Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng hai phương pháp chính được sử dụng đểđánh giá biến động lớp phủ thực vật là phương pháp dựa vào khác biệt phổ vàphương pháp xử lý sau phân loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Ưu điểm nổibật của phương pháp xử lý sau phân loại là khả năng áp dụng độc lập với nguồn tư

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

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

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

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

Kỹ thuật trừ ảnh gốc (raw image differencing)

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

đã ghi nhận nhược điểm của phương pháp này, trong đó nổi bật nhất là sai số

do nắn chỉnh hình học; sai số do giá trị phổ của các kênh ảnh gốc khác nhau và

cuối cùng là giá trị khác biệt không đại diện được cho mức độ thay đổi, ví dụ giá trị của ảnh thay đổi là 30 có thể là kết quá của hai ảnh gốc có giá trị 180 và

150 hoặc 40 và 10

Phân tích véctơ thay đổi (change vector analysis)

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

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

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

Phân tích nội ảnh (inner product analysis)

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

Phân tích tương quan (correlation analysis)

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

Phương pháp tỷ lệ ảnh (image ratioing)

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

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

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

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

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

Phương pháp trừ ảnh chuẩn hoá (normalizes image differencing)

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

uk=ak+bk(xk-xk_)

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

xk: giá trị pixel ở kênh thứ k

xk_: giá trị trung bình của kênh thứ k

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

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

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

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

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

Tương tự như với phương pháp trừ ảnh gốc và phương pháp trừ ảnh chuẩn hoá,ảnh thay đổi được tạo ra bởi phương pháp này cũng là kết quả của phép trừgiữa hai ảnh, ảnh “subject” và ảnh “reference” Một trong hai ảnh được coi làảnh reference và ảnh subject được biến đổi (chuẩn hoá) sao cho có các điềukiện về phổ (radiometric) tương tự như ảnh reference Kỹ thuật biến đổi hayđược sử dụng nhất là kỹ thuật tương tự như biến đổi tuyến tính [40,71], códạng:

uk=akxk+bk

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

xk: giá trị pixel ở kênh thứ k

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

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

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

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

Phương pháp trừ albedo (albedo differencing)

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

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

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

Phân tích thành phần chính ( principal component analysis)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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