Nghiên cứu biến động lớp phủ khu vực phong nha kẻ bàng

Ứng dụng viễn thám nghiên cứu biến động lớp thực vật bề mặt thông qua phân tích chỉ số thực vật NDVI: nghiên cứu trường hợp Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng Võ Văn Trí 1 , Trần Xuân Mù

Ứng dụng viễn thám nghiên cứu biến động lớp thực vật bề mặt thông qua phân tích chỉ số thực vật (NDVI): nghiên cứu trường hợp Vườn quốc gia Phong Nha

– Kẻ Bàng

Võ Văn Trí 1 , Trần Xuân Mùi 1 ,Nguyễn Thái Dũng 1 , Đoàn Nam Thành 2

Tóm tắt Chỉ số thực vật NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) là giá trị xác định độ phủ xanh của lớp thực vật qua đó đánh giá được trạng thái của lớp phủ bề mặt Nghiên cứu tập trung phân tích các giá trị của chỉ số thực vật và diện tích tương ứng bằng sử dụng ảnh viễn thám năm 1994, 2003 và 2014 Kết quả cho thấy có sự biến động thảm thực vật trong các thời điểm khác nhau ở Vườn quốc gia Phong Nha -

Kẻ Bàng Giám sát biến động thực vật để tìm những nguyên nhân ảnh hưởng từ đó đề xuất biện pháp phục hồi tài nguyên rừng

Từ khoá: Chỉ số thực vật, NDVI, Landsat, biến động

1 Phòng Khoa học và Hợp tác quốc tế, Ban quản lý Vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng, 2 Trương Trung cấp Công Nông nghiệp Quảng Bình

1 Giới thiệu

Trên cơ sở các dữ liệu viễn thám ta có thể xác định được các đặc trưng quang phổ khác nhau của của bề mặt trái đất Một trong những đặc trưng quang phổ quan trọng nhất của viễn thám là quang phổ thực vật Chỉ số NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) được xác định dựa trên sự phản xạ khác nhau của thực vật thể hiện giữa kênh phổ thấy được - Vi (visible) và kênh phổ cận hồng ngoại NIR (near infrared) Dùng để biểu thị mức độ tập trung của thực vật trên mặt đất Độ che phủ càng cao thì phản xạ thấp ở vùng sóng Visible và phản xạ cao ở vùng NIR Phản xạ càng mạnh ở vùng sóng NIR thì giá trị thu được trên ảnh là cao nhất Vì vậy, thực vật có thể thể hiện trên ảnh viễn thám bằng các giá trị của chỉ số

Chỉ số NDVI có giá trị từ (-1) - (+1) Giá trị NDVI thấp thể hiện kênh phổ hồng ngoại

và kênh phổ nhìn thấy có độ phản xạ bằng nhau hoặc độ phản xạ của hồng ngoại thấp qua đó hiển thị mức độ phủ xanh của thực vật thấp và ngược lại Chỉ số NDVI có giá trị từ

có giá trị âm cho thấy ở đó kênh phổ nhìn thấy có độ phản xạ cao hơn độ phản xạ của kênh phổ hồng ngoại, nơi đấy không có thực vật, là những thể mặt nước hay do mây phủ

Chỉ số NDVI cho biết sự sai khác của các loại thực vật khác nhau ở các thời điểm khác nhau qua đó có thể xác định sự biến động của các lớp phủ bề mặt Ứng dụng chỉ số NDVI với độ phân giải cao có thể là đầu vào cần thiết giám sát tác động và mối tương tác giữa các nhân tố khí hậu và thảm thực vật (Linghui Guo , 2014 NDVI Qua nghiên cứu đồng cỏ ở Northern Plains, Mỹ cho thấy, chỉ số thực vật cao khi bắt đầu vào mùa xuân và chấm dứt trong điều kiến khô và nhiệt đô lạnh hơn và mùa thu (Robert E Burgan, Roberta

A Hartford, Jeffery C Eidenshink, 1996)

Hình 1 Ví trí nghiên cứu

Vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng có 11 kiểu thảm thực vật, độ che phủ 93% (Phong Nha Ke Bang National Park, 2014) Thảm thực vật rừng thường bị tác động do các

tập quán sản xuất luôn kênh của người dân nằm trong vùng lõi ( xã Tân Trạch) hoặc tác động do các hoạt động xây dựng cơ sở hạ tầng đường giao thông đi qua Vườn Ứng dụng ảnh viễn thám Landsat với kênh phổ hồng ngoại và kênh phổ nhìn thấy để phân tích mức độ phủ xanh của thực vật qua đó xác định rõ những ảnh hưởng làm biến động lớp phủ bề mặt Ngoài ra, thông qua phân tích chỉ số thực vật để bổ trợ thêm cho quá trình phân loại lớp phủ

và theo dõi diễn biến tài nguyên của khu vực

2.Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Vật liệu:

Ảnh vệ tinh Landsat năm 1994, 2003 và 2014 được chúng tôi sử dụng Trong đó, band

3, band 4 đối với Landsat TM và ETM+, band 4 và band 5 đối với Landsat 8 được dùng để tính toán chỉ số thực vật

Hình 2: Các kênh ảnh Landsat sử dụng trong phân tích

2.2 Tính toán chỉ số thực vật (NDVI)

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) được tính bằng công thức:

Band 3 năm 1994 Band 3 năm 2003 Band 4 năm 2014

Band 4 năm 1994 Band 4 năm 2003 Band 5 năm 2014

Band 3 Visible

(0.63 - 0.69 µm) 30 m

Band 3 Visible (0.63 - 0.69 µm) 30 m

Band 4 Red (0.64 - 0.67 µm) 30 m

Band 4 Near-Infrared

(0.76 - 0.90 µm) 30 m

Band 4 Near-Infrared (0.76 - 0.90 µm) 30 m

Band 5 Near-Infrared (0.85 - 0.88 µm) 30 m

NDVI = (NIR – Red)/(NIR + Red)

Trong môi trường phần mềm Envi mở trình tính NDVI trên Bar menu:

Basic Tools/ Band Maths

Nhập biểu thức:

(float(b5)-float(b4))/(float(b5)+float(b4))

Chọn B5 = Band 5; B4 = Band 4 đối với Landsat 8

Chọn B5 = Band 4; B4= Band 3 đối với Landsat TM và ETM

NDVI có giá trị trong khoảng -1 ≤ I ≤+1; trường hợp cần tổ hợp hoặc tính toán với các kênh khác, giá trị của NDVI có thể được chuyển thành 256 giá trị (8 bit) bằng công thức: bytscl (b1, min = -1.0, max = 1.0)

3 Kết quả và thảo luận

Các giá trị Chỉ số thực vật năm 1994, 2003, 2014 và tương ứng được phân tích nhằm xác định mức độ xanh và diện tích che phủ theo các giai đoạn khác nhau Qua các giá trị được phân tích để nắm diễn biến của lớp phủ bền mặt

Hình 3: Bản đồ chỉ số thực vật năm 1994

Hình 4: Biểu đồ thể hiện chỉ số thực vật và diện tích năm 1994

Hình 4 trên mô tả diện tích tương ứng các giá NDVI Giá trị NDVI 0,44 có diện tích cao nhất, 37,123 ha Thứ 2 là NDVI 0,38 là 28,362 ha Thứ 3 NDVI = 0,50 có diện tích là 27,323 Các ngưỡng giá trị khác của NDVI chiếm một diện tích nhỏ, thấp nhất là giá trị NDVI =0,02 1ha Điều này chứng tỏ mức độ phủ xanh của thực vật của khu vực khá tốt

Hình 5: Bản đồ chỉ số thực vật năm 2003

Hình 6: Biểu đồ thể hiện chỉ số thực vật và diện tích năm 2003

Hinh 6 cho thấy giá trị NDVI, 0,26, chiếm diện tích lớn nhất, 36,644 ha; tiếp đến là giá trị NDVI 0,19 là 28,068ha, giá trị NDVI 0,12 là 15,518ha và 0,33 là 16,986ha Các giá trị âm (-) của NDVI chiếm một diện tích 12,003ha Giá trị dương (+) lớn nhất của NDVI 0,42 chiếm diện tích là 1,002ha Quá các giá trị của NDVI và các diện tích tương ứng thấy

rõ mức độ xanh của thực vật ở khu vực nghiên cứu có diện tích lớn và các khu vực không thực vật có diện tích không đáng kể

Hình 7: Bản đồ chỉ số thực vật năm 2014

Hình 8: Biểu đồ thể hiện chỉ số thực vật và diện tích năm 2014

Hình 8 cho thấy chỉ số NDVI dương, thực vật có độ che phủ xanh cao, từ giá trị 0,02 đến giá trị 0,59 Diện tích lớn nhất, 53.254 nằm trong giá trị NDVI là 0,44; tiếp đến là 37,896ha nằm ở giá trị 0,50; diện tích 22,226ha nằm trong khoảng giá trị NDVI 0.38; diện tích 1,089 nằm ở giá trị NDVI là 0,59 Các giá trị NDVI ở mức thấp, 0,08 - 0,38, là 7,213ha

Hình 9: Biểu đồ thể hiện chỉ số thực vật năm 1994, 2003, 2014

Năm 2014 chỉ số thực vật giao động từ 0,02 đến 0,59 Năm 2003 từ -0,23 đến 0,42 và năm 1994 từ 0,02 đến 0,61 Chỉ số NDVI năm 2014 và năm 1994 có giá trị dương (+), trong khi đó năm 2003 có 5 giá trị âm (-) và 5 giá trị dương (+) Điều này chừng tỏ rằng năm

2014 và năm 1994 chỉ số thực vật có giá trị cao hơn, cao nhất là năm 1994 Và điều này phản ánh mức độ che phủ xanh của thực vật năm 1994 cao nhất, đến năm 2014 và cuối cùng

là năm 2003

Năm 1994 có chỉ số thực vật dương, ở mức cao so với năm 2003 và 2014, giao động 0,02 - 0,61 Năm 2014 chỉ số NDVI dương, và giá trị của nó ở mức khá cao, giao động từ 0,02 đến 0,59 Trong khí đó, năm 2003, chỉ số NDVI có giá trị âm và dương, chỉ số NDVI ở mức thấp giao động (-0,23) - (+ 0,42) Biến động chỉ số NDVI năm 1994 và năm 2014 là không đáng kể Trong khi đó biến động chỉ số NDVI năm 2003 so với năm 2014 và 1994 khá lớn So sánh chỉ số NDVI theo các lớp tương ứng, cho thấy: mức lệch cao nhất năm

2003 so với năm 1994 là 0,19 thấp nhất là 0,19; mức lệch NDVI năm 2003 so với 2014, cao nhất là 0,17 và 0,19; mức lệch NDVI 2014 so với 1994, cao nhất là 0,02, thấp nhất là 0,0

Chỉ số NDVI có giá trị cao, mức độ phủ xanh của thực vật, qua các năm chiếm diện tích lớn Năm 1994 là 114,670 ha tương ứng với chỉ số NDVI từ 0,35 đến 0,61 Năm 2003

là 98,216.6ha tương ứng với chỉ số NDVI từ 0,12 đến 0,42 Năm 2014 là 120859.64ha tương ứng với NDVI từ 0,26 đến 0,59

Hình 10: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ của chỉ số thực vật các giai đoạn

Để rõ hơn, mối tương quan NDVI được phân tích qua đó xác định mức độ quan hệ NDVI giữa các thời gian khác nhau Theo bảng trên ta có tương quan giữa các năm Năm

1994 và năm 2003 là R2 =0,998; năm 2014 và 2003 là là R2 =1,00; và năm 2014 và 1994 R2

=0,999 Hệ số tương qua phản ánh mối qua hệ giữa tập hợp các biến, nằm trong vùng từ -1 đến 1, các giá trị nằm trong khoảng từ 0 - (+1), gọi là tương qua thuận, giá trị từ (- 1) - 0 gọi

là tương quan nghịch Qua giá trị tương quan trên thấy mức độ phủ xanh của thực vật giữa năm 2014 và 1994 có mối quan hệ tuyệt đối chặt

Kết luận

Năm 1994 thực vật xanh phủ phổ biến trên phần lớn diện tích Vườn quốc gia Phong Nha - Kẻ Bàng Năm 2003 có sự biến đổi mạnh về mức độ phủ xanh theo chiều hướng giảm Năm 2014, mức độ phủ xanh biến động tăng, tương đương với năm 1994

Chỉ số thực vật năm 2003 giảm điều này thể hệ mức độ che phủ xanh bị tác động làm tổn hại đến lớp phủ bề mặt Có thể trong giai đoạn này thảm thực vật bị tác động do hoạt động xây dựng cơ sở hạ tầng đi qua khu vực này - đường Hồ Chí Minh nhánh tây

Năm 2014 so với năm 2003 có sự phục hồi mạnh mẽ về thảm thực vật Điều này chứng tỏ thảm thực vật được bảo vệ an toàn

Application of Remote Sensing to research vegetation through analysis of vegetation index (NDVI): a case study in National Park Phong Nha - Ke Bang

Author: Võ Văn Trí 1 , Trần Xuân Mùi 2 ,Nguyễn Thái Dũng 1 , Đoàn Nam Thành 2

Abstract

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) is value to determine the greenness of vegetation through which to assess the state of the vegetation cover in the certain region The study focused on analyzing the values of NDVI and its corresponding area by using remote sensing images the years of 1994, 2003 and 2014 The results showed that the vegetation has been changed in terms of different times in Phong Nha Ke Bang National Park Monitoring the variation of vegetation so as to find the cause of the impact on the vegetation and propose measures to restore forest resources

Keywords: Remote Sensing, NDVI, Landsat, variation

1 Sciences and International Cooperation, Phong Nha - Ke Bang National Park, 2 Agricultural and Indiustrial Technique School of Quang Binh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Robert E Burgan, Roberta A Hartford, Jeffery C Eidenshink, 1996 Using NDVI to Assess Departure From Average Greenness and its Relation to Fire Business USA: United States Department of Agriculture

Phong Nha Ke Bang National Park, 2014 Renomination expanding Ciretrion viii and Inscription on Criteria ix and x

Linghui Guo , 2014 NDVI-Based Vegetation Change in Inner Mongolia from 1982 to

2006 and Its Relationship to Climate at the Biome Scale Hindawi Publishing Corporation Volume 2014, Article ID 692068,12 pages

http://landsat.usgs.gov/about_mission_history.php

Filename: Nghien cuu tuong quan_mui_vovantri

Template:

C:\Users\SONY\AppData\Roaming\Microsoft\Templates

\Normal.dotm

bề mặt khu vực Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng thông qua phân tích ảnh viễn thám

Subject:

Keywords:

Comments:

Change Number: 6

Last Printed On: 2/5/2015 10:17:00 AM

As of Last Complete Printing