Nghiên cứu ứng dụng vật liệu CuO TiO2 nhằm xử lý hợp chất hữu cơ 2 4 D trong môi trường nước

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu CuO TiO2 nhằm xử lý hợp chất hữu cơ 2 4 D trong môi trường nước Nghiên cứu ứng dụng vật liệu CuO TiO2 nhằm xử lý hợp chất hữu cơ 2 4 D trong môi trường nước Nghiên cứu ứng dụng vật liệu CuO TiO2 nhằm xử lý hợp chất hữu cơ 2 4 D trong môi trường nước luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG 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

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG 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

iii

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 kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thúy Hạnh

Nguyễn Thị Thúy Hạnh

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Ban lãnh đạo khoa Trắc địa - Bản đồ - nơi tác giả đang công tác cùng toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ, chia sẻ công việc 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 và TS.Trần Vân Anh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và động viên, 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 Phạm Văn Cự, TS Hoàng Thị Thu Hương - Khoa Địa lý- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và TS.Vũ Kim Chi - Viện Việt Nam học và Khoa học phát triển - Đại học Quốc Gia Hà Nội và nhiều Nhà khoa học khác - những người tiên phong trong nghiên cứu lớp phủ, biến động lớp phủ để đến hôm nay tác giả được kế thừa và tiếp 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: Viện Địa 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, Cục Thống kê Hòa Bình, Trung tâm Viễn thám Địa chất – Liên đoàn Bản đồ Địa chất miền 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 động viên 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

v

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 LUẬNVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨULỚP 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

2.1.2 Điều kiện tự nhiên 41

vi

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

vii

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

viii

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

ix

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

x

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

xi

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 trường

USGS: United State Geological Survey

VQG: Vườn Quốc gia

1

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 góp phần làm biến đổi khí hậu, tác động đến đa dạng sinh học và chất lượng nước, làm gia tăng thoái hóa đất đai,… và đang trở thành thách thức lớn nhất đối với phát triển bền vững, đặc biệt là với các nước đang phát triển trước bối cảnh toàn cầu hóa nền kinh tế [91, 103]

Thông tin về lớp phủ rừng, biến động lớp phủ rừng rất cần thiết đối với công tác quy hoạch, quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường chẳng hạn như bản đồ lớp phủ rừng là dữ liệu đầu vào quan trọng đối với nhiều mô hình nông nghiệp, địa chất, thủy văn và sinh thái, Trong nhiều trường hợp, nhiệm vụ nghiên cứu biến động lớp phủ rừng diễn ra trên quy

mô lớn lại yêu cầu nhanh chóng có kết quả Mặt khác, lớp phủ rừng và biến động lớp phủ rừng lại liên quan trực tiếp đến hoạt động kinh tế xã hội của con người Các hoạt động này rất 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 đa phổ và đa thời gian cho phép quan sát, cập nhật thông tin, thậm chí chiết tách các đại lượng vật lý, những thông tin liên tục biến đổi (sinh khối, sự tăng trưởng của thực 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 vậy nghiên 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 bền vững

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 các nguyên nhân và hậu quả của động thái sử dụng đất, phục vụ quy hoạch đất đai

và ra quyết định Các nghiên cứu trên thế giới đã dịch chuyển từ tập trung vào việc xác định biến động lớp phủ rừng tới nâng cao sự hiểu biết về động lực của sự thay đổi cảnh quan với mô hình sử dụng đất hiện tại để dự báo biến động trong tương lai Các nghiên cứu này đã và đang được thực hiện dưới sự hỗ trợ của các chương trình biến đổi môi trường toàn cầu ở quy mô quốc tế và quốc gia như các chương trình Sử dụng đất và lớp phủ đất, Dự án đất đai toàn cầu và các Chương trình nghiên cứu biến đổi khí hậu của Mỹ Tuy nhiên nội dung nghiên cứu biến động lớp phủ rừng gắn với quá trình phát triển kinh tế xã hội còn ở mức khiêm tốn

2

Lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình bị tàn phá cạn kiệt vào đầu những năm 90, độ che phủ chỉ đạt 28% trong khi độ che phủ rừng thích hợp ở khu vực miền núi nước ta phải khoảng 70% -80% [17] Từ đó đến nay, diện tích rừng tái sinh tự nhiên và rừng trồng tăng đáng kể [79]; đây là kết quả của sự thay đổi trong chính sách, các chương trình trồng cây gây rừng được phát động: Sắc lệnh 327 (năm 1992) và các chương trình khác như Luật đất đai năm 1993 (đã thực hiện giao đất giao rừng tới hộ gia đình, gắn lợi 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 ngày càng nhiều dự án đầu

tư phát triển công nghiệp và dịch vụ, điển hình là khai thác vật liệu xây dựng và dịch vụ

du lịch Phát triển kinh tế một mặt góp phần nâng cao đời sống người dân nhưng mặt khác sẽ ảnh hưởng đến lớp phủ rừng theo cả hai khía cạnh tích cực và tiêu cực Vì vậy cần phải có những nghiên cứu sâu và cụ thể về biến động lớp phủ rừng và các nguyên nhân gây nên biến động đó để thiết lập cơ sở khoa học 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 và 2005-2015 bằng công nghệ viễn thám và GIS, xác lập mối quan hệ giữa biến động lớp 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 phủ rừng tỉnh Hòa Bình bằng tư liệu viễn thám và công cụ phân tích không gian trong

hệ thống 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 biến động lớp phủ rừng qua các giai đoạn nghiên cứu Dự báo xu hướng biến động lớp phủ rừng đến năm 2020 và định hướng các giải pháp bảo vệ - phát triển bền vững lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình

3.2 Phạm vi khoa học

Với mục tiêu và nội dung đã đặt ra, đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu trong 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 lớp phủ rừng, dự báo biến động và đề xuất định hướng giải pháp phát triển - bảo vệ lớp phủ 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 đa thời 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 mối quan hệ với các yếu tố kinh tế - xã hội và yếu tố tự nhiên theo khả năng tiếp cận đối tượng

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 tỉnh Hòa 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 bền vững 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

4

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 đồ sinh khí hậu, bản đồ thổ nhưỡng để khai thác thông tin về các biến tự nhiên Các bản 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

kê SPSS

Các công trình khoa học trên thế giới và trong nước mang tính lý luận về lớp 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 – ĐHQGHN trong 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 sở khoa học nghiên cứu biến động lớp phủ rừng thông qua việc tích hợp hai phương pháp: (i) trước phân loại theo hiệu NDVI xác định biến động về trạng thái lớp phủ rừng và (ii) sau phân loại dựa trên thông tin lớp phủ rừng được chiết tách theo thuật toán 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 lớp phủ 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 của từng yếu tố đối với biến động lớp phủ rừng Kết quả điều tra nông hộ tại các điểm chìa khóa và kết quả kiểm chứng bằng đường cong ROC đã khẳng định được độ tin cậy của phương pháp

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

số 35/2012/NQ - HĐND về quy hoạch xây dựng vùng đến năm 2020 và Quy

5

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 pháp phát triển - bảo vệ lớp phủ rừng là các thông số, thông tin cần thiết phục vụ cho quá trình điều chỉnh các chỉ tiêu, quy mô các dự án thành phần hướng tới sự phát triển 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 rừng Chương 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

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 50 của thế kỷ 20 nhưng chỉ thực sự phát triển mạnh mẽ từ khi có tư liệu viễn thám và công cụ GIS – thập kỷ 70 Các công trình nghiên cứu trên thế giới chủ yếu tập trung vào 2 nhóm: Nghiên cứu thành lập bản đồ lớp phủ và lớp phủ rừng và Nghiên cứu mối quan hệ giữa biến động lớp phủ và lớp phủ rừng với con người và môi 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 và lớp phủ rừng rất đa dạng, khả năng ứng dụng của mỗi loại ảnh vệ tinh tùy thuộc vào quy mô và tỉ lệ nghiên cứu Ảnh viễn thám có tiềm năng lớn trong việc phân loại lớp phủ, dự báo các thông số của rừng như chiều cao, sinh khối,… Mức độ cung cấp thông tin phụ thuộc chủ yếu vào độ phân giải không gian, có thể chia độ phân giải không gian một cách tương đối thành 3 cấp như sau: độ phân giải không gian thấp (trên 30 m), độ phân giải không gian trung bình (2-30 m) và độ phân giải cao (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 năng thu nhận thông tin bề mặt trên diện rộng; vì vậy, dữ liệu này được sử dụng trong nhiều năm trước đây để nghiên cứu lớp phủ rừng trên quy mô toàn cầu hoặc lục địa Giri và nnk (2003) phân tích dữ liệu AVHRR đa thời gian để thành lập bản đồ lớp phủ nhằm phát hiện các khu vực trải qua nhiều biến động về lớp phủ lục địa Đông Nam Á [71] Bộ dữ liệu toàn cầu từ AVHRR những năm 1990 đã trợ giúp cho 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 tiếp cận cũng như sản phẩm của các nghiên cứu LPĐ và LPR tăng nhanh đáng kể, điển hình là bộ sản phẩm 5 loại lớp phủ gần đây của Friedl và nnk (2010) [69] và các chỉ số thực vật như chỉ số diện tích lá-LAI [51] Thời gian qua, đã có nhiều công

7

trình nghiên cứu quan trọng ra đời dựa trên ảnh MODIS và các sản phẩm của nó chẳng hạn như Maselli và nhóm nghiên cứu (2009) đã bổ sung cho bản đồ lớp phủ của FAO các thông tin về năng suất cây trồng và vật hậu học nhờ chỉ số NDVI chiết tách từ ảnh MODIS [98] Coops và nnk (2009) đã khám phá ra sức mạnh dự báo tương đối của các chỉ báo môi trường như tương quan giữa lớp phủ và năng suất từ dữ liệu MODIS [54] Sản phẩm đa thời gian của ảnh MODIS về thảm thực vật: 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 loại trừ nhiễu ngẫu nhiên do mây và tuyết gây ra, sau đó sử dụng phân loại cây quyết định dựa trên đặc điểm vật hậu học của thực vật chiết tách từ sản phẩm MODIS EVI, 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 phân tích thống kê để xác định biến động rừng [84] Ono và cộng sự đã phân tích chỉ số bóng 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 nhận hằng ngày, chỉ số bóng SI và chỉ số thực vật NDVI được dự đoán cho quy mô toàn cầu Sau đó từ bộ dữ liệu độ cao tán rừng kế thừa từ nghiên cứu của Simard cùng các 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 rằng giữa 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 trung bình trong nghiên cứu LPĐ và LPR, điển hình là Landsat, SPOT và IRS Có thể nói Landsat 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 bộ cảm với thông số không ngừng được cải thiện Tư liệu Landsat đặc biệt phù hợp với các 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 biến động lớp phủ rừng ở Oregon [131] Tư liệu Landsat kết hợp với

dữ liệu bổ trợ cho phép nâng cao độ chính xác phân loại ảnh và có thể thành lập bản đồ lớp phủ rừng chi tiết hơn Dự án nghiên cứu Đặc trưng hóa cảnh quan Bắc

Mỹ (North American Landscape Characterization- NALC) của NASA sử dụng bộ

dữ liệu Landsat MSS đa thời gian để theo dõi biến động lớp phủ qua hai thập kỷ 1972-1992 và giới thiệu mô hình hai bước để đánh giá kết quả phân loại, cung cấp một bộ dữ liệu vệ tinh tiêu chuẩn hỗ trợ cho hoạt động nghiên cứu biến động lớp phủ rừng Kết quả đã chỉ ra kỹ thuật sau phân loại trên bộ dữ liệu bổ trợ là hướng

8

tiếp cận đem lại hiệu quả kinh tế cao trong chiết tách thông tin lớp phủ phục vụ điều tra phát thải cacbon của rừng [152] Một số nghiên cứu khác sử dụng dữ liệu địa 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 hướng phơi 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 chính xác phân loại ảnh (độ chính xác toàn cục tăng 7.66%) [93] Bên cạnh việc tích hợp DEM, chỉ số NDVI cũng được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng để khử ảnh hưởng của yếu tố địa hình, tuy nhiên nếu chỉ sử dụng NDVI thì hiệu quả đạt được cũng không cao, Eiumnoh và Shrestha (2000) đã phát hiện việc tích hợp cả DEM và NDVI trong quá trình phân loại ảnh cải thiện độ chính xác từ 10-20% [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 ở Darjeeling (Ấn Độ) Kết quả cho thấy độ chính xác toàn cục đạt tới 91% và độ chính xác 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 phía Nam Nhật Bản thông qua tích hợp chỉ số NDWI, NDVI, tỉ số kênh 5/4 và kênh 5 của ảnh Landsat ETM+ với thông tin địa hình, độ chính xác toàn cục tăng từ 89.3% lên 93.6% [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 và cộng sự (2009) đã sử dụng kênh pan độ phân giải siêu cao của QuickBird và WorldView-1 để phân loại sử dụng đất thành 4 loại đô thị khác nhau [116] Coops và nnk (2006) đã đánh giá khả năng ứng dụng ảnh QuickBird đa phổ trong theo dõi thiệt hại rừng do bọ cánh cứng gây ra; kết quả cho thấy tư liệu QuickBird đặc biệt hữu ích trong 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 những diễn thế trong cảnh quan nông nghiệp Turner và nnk (1988) và Pan và nnk (2001)

9

đã kết hợp ảnh hàng không cũ và các số liệu đo đạc cảnh quan để miêu tả về biến động lớp phủ dưới sự hỗ trợ của công cụ GIS [117, 138] Sau đó là những nghiên cứu liên kết mô hình không gian của biến động rừng với các tác nhân gây nên biến đổi 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 mô hình 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 sự thay 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 tự nhiên và đất lâm nghiệp để kiểm tra giả thuyết liên quan đến những tác động của biến 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 phát hiện được thoái hóa đất đai do mất rừng qua dấu hiệu lượng phù sa và độ đục của nước hồ gia tăng Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của biến đổi LPĐ/SDĐ hiện nay tập trung vào lưu vực trên quy mô lớn; bằng phân tích dữ liệu dòng chảy và bản đồ mất rừng, Rodriguez và cộng sự (2010) đã phát hiện những dấu hiệu thay đổi 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 bề mặt và chỉ số thực vật để phát hiện sự gia tăng tính phân lập các quần xã thực vật ở quy mô lục địa [87] Dài kỳ hơn là các nghiên cứu biến động LPĐ trải qua hàng thế kỷ, khi đó rất cần thiết phải tính đến tác động môi trường chẳng hạn như sự rối 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 mạng thủy 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 SDĐ trên quy mô lớn đến lũ lụt và bồi tụ phù sa tại vùng York nước Anh từ những số liệu 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 biến động lớp phủ, khí hậu và nhiệt độ đến dòng chảy tại các độ cao khác nhau ở lưu

10

vực Puget Sound của Mỹ [55] Trên cơ sở một nguồn tư liệu cũ giá trị khác là dữ liệu về thực vật và cảnh quan, Foster và nnk (1998) đã đánh giá sự biến đổi thực vật 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 lớp phủ 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 để nghiên 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) đã tái 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 thu thập

dữ liệu cũ từ năm 1660-1850 về dân số, sản lượng nông nghiệp, thống kê lao động

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 hưởng hóa-sinh-địa [65] Vanacker (2002) phát hiện biến động lớp phủ rừng có liên quan đến loại 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 sông Balaton- 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 dốc lớn, địa hình cao, xa khu dân cư và xa đường giao thông [110] Kết quả tương tự với nghiên cứu này, Etter và nnk (2006) và Castella và nnk (2005) phát hiện biến động 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 mối quan hệ giữa trồng rừng, mất rừng với khoảng cách đến các thôn bản ở lưu vực hồ Balaton [82, 142] Kết quả nghiên cứu bốn trường hợp ở Bolivia của Sébastien Boillatvà nnk (2015) chỉ ra trong đó có ba trường hợp mất rừng tỉ lệ thuận với khả năng tiếp cận trước bối cảnh mở rộng cây công nghiệp trong khi tại tỉnh Luang Prabang (Lào), lớp phủ rừng lại có xu hướng gia tăng tại khu vực có khả năng 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 quan trọng) đã tác động đáng kể đến các hệ sinh thái, tới môi trường ở quy mô địa phương, khu vực và trên phạm vi toàn cầu, do đó ảnh hưởng lớn đến biến đổi khí hậu toàn cầu một cách trực tiếp hoặc gián tiếp [66] Các nghiên cứu thuộc nhóm

11

này đã phát hiện biến đổi toàn cầu thường bao gồm một chuỗi những biến đổi trong các khu vực, và ngày càng nhiều mô hình khác nhau được tái tạo để phản ánh sự thay đổi phức tạp này, mặt khác những biến đổi này sẽ mở rộng sang nhiều khu 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 của biến động lớp phủ rừng lên các hệ thống khí hậu từng khu vực cũng khác nhau rất nhiều

Nói tóm lại, dữ liệu thực vật và cảnh quan sử dụng trong các nghiên cứu về biến động LPĐ/LPR đã giúp các nhà khoa học phát hiện ra biến đổi môi trường không chỉ xảy ra từ vài thập kỷ trước mà còn từ vài thế kỷ, các kết quả nghiên cứu này đã chỉ ra ảnh hưởng của SDĐ thực tế dài hơn và mối quan hệ môi trường-thảm thực vật diễn ra ở phạm vi địa lý rộng lớn Vì vậy, biến động LPR nên được coi là thành phần chủ yếu của biến đổi toàn cầu, việc kết hợp bản đồ cũ, số liệu đo đạc

và GIS với viễn thám cho phép tái cấu trúc biến đổi LPĐ/SDĐ dài kỳ hàng thập kỷ hoặc hàng thế kỷ để từ đó có thể đánh giá tác động môi trường Bên cạnh đó, GIS giúp tích hợp dữ liệu SDĐ nhiều thời điểm khác nhau và có khả năng mô hình hóa các bộ dữ liệu 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 lớp phủ 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 phát triển Liên hợp quốc (UNDP), Chương trình viễn thám khu vực Ngoài ra, việc ứng dụng viễn thám và GIS còn được triển khai theo các ngành, điển hình là ngành lâm nghiệp đã sử dụng ảnh SPOT và Landsat để theo dõi chương trình trồng mới 5 triệu ha rừng và kiểm kê rừng định kỳ 5 năm Viện điều tra quy hoạch rừng đã sử dụng tư liệu viễn thám để lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng với nhiều tỉ lệ khác nhau, từ tỉ lệ nhỏ 1: 1 000 000 (ảnh NOAA AVHRR và MODIS), 1: 250 000 (ảnh Landsat), 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 và MODIS 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 đã ứng 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 sát biến 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

12

diện tích đất canh tác nông nghiệp Viện Địa lý và Cục Bảo vệ Môi trường đã sử dụng 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 tế nghiên cứu về biến động lớp phủ rừng và thành lập bản đồ hiện trạng rừng với mục đích nâng cao năng lực quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường bằng tư liệu viễn thám và công cụ GIS Đối với khối đào tạo, nhiều luận văn thạc sĩ, khóa luận tốt nghiệp và luận án tiến sĩ nghiên cứu về biến động lớp phủ rừng có giá trị đóng góp về mặt khoa học đã được bảo vệ thành công

Sự kiện Việt Nam phóng thành công vệ tinh quan sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường và thiên tai đầu tiên - vệ tinh VnRedsat-1A đã đánh dấu một mốc son trong lịch sử phát triển của khoa học viễn thám nước ta, từ nay Việt Nam hoàn toàn chủ động được nguồn dữ liệu phục vụ giám sát tài nguyên môi trường nói 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 phủ rừng với con người và môi trường, điển hình là Meyfroidt và Lambin (2008) cho biết tại Việt Nam, mật độ dân số nông thôn cao sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến lớp phủ rừng tự nhiên và rừng trồng vì dân số tăng dẫn đến nhu cầu lương thực lớn, cần phải

mở rộng diện tích đất trồng cây lương thực, gây áp lực lớn lên rừng tự nhiên và giảm quỹ đất cho 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 của Müller và Zeller (2002) chỉ ra lớp phủ rừng của Việt Nam tăng đồng biến với dân số vào thập kỷ cuối của thế kỷ 20 [104, 108] do áp dụng công nghệ mới như đổi mới giống cây trồng, vật nuôi, thay đổi sinh kế, chính sách Phạm Văn cự và nnk : nghiên cứu sự chuyển đổi 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 xây dựng, các mảnh đất nông nghiệp có xu hướng ngày càng bị xé nhỏ và có hình dạng bất thường Chuyện mất đất, các thửa đất đất nông nghiệp bị xé vụn với cạnh của nó không theo quy tắc liên quan đến sự chuyển đổi

từ nông nghiệp sang đô thị Xu hướng của sự chuyển đổi đó tương ứng với mô hình phát triển đô thị ở Hà Nội [121] Vũ Kim Chi và nnk (2013) nghiên cứu biến đổi

sử dụng đất lưu vực Suổi Muội bằng tư liệu Landsat và Spot qua hơn 40 năm Kết quả của việc áp dụng mô hình hồi quy logistic đã phát hiện ra mối liên hệ giữa biến đổi sử dụng đất với các đặc điểm tự nhiên (độ dốc, địa hình, loại đất) và các đặc trưng văn

13

hóa của các dân tộc khác nhau Sự kết hợp giữa nhiều phương pháp nghiên cứu và tiếp cận theo hướng đa ngành: phân tích thống kê không gian, thông tin phỏng vấn hộ gia đình, phỏng vấn các nhân vật điển hình …cho phép phát hiện và kiểm chứng các nhân 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 xã hội với nền văn hóa Hòa Bình độc đáo và nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú nên đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Các nghiên cứu trước đây thực hiện ở nhiều quy mô: cấp vùng, cấp tỉnh hoặc cấp huyện, xã và đề cập đến nhiều vấn đề khác nhau: quy hoạch môi trường, SDĐ, sạt lở đất, tài nguyên rừng, dòng chảy sông Đà, phát triển kinh tế, du lịch và văn hóa các dân tộc… là tiền đề lý luận cũng như cơ sở dữ liệu quan trọng cho luận án Nhìn chung, các nghiên 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 biến thiên nhiên thường xảy ra ở đây như sạt lở đất, lũ quét, lũ ống Điều quan trọng nhất 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 dân địa phương Trong đó, Nguyễn Ngọc Thạch là tác giả có nhiều công trình nghiên cứu ở các giai đoạn khác nhau với chủ đề phong phú và đa dạng như tai biến thiên nhiên, dự báo khoáng sản, địa mạo, quy hoạch môi trường,…[24-26, 28, 29] Đối với các nghiên cứu thuộc nhóm này, bản đồ lớp phủ là dữ liệu đầu vào quan trọng không 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: phân tích ảnh viễn thám qua các thời kỳ (1986, 2000 và 2010), tổng hợp các kết quả nghiên cứu đánh giá sự biến động lòng sông Đà, các quá trình bồi tụ- xói lở, khảo sát thực địa, nghiên cứu tại hiện trường về đặc điểm bồi tụ- xói lở và các đặc điểm đứt gẫy hoạt động Kết quả đã khẳng định: bối cảnh địa chất và hoạt động của đập thủy điện Hòa Bình là các yếu tố cơ bản chi phối quá trình bồi tụ và xói lở, xu thế

14

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 đoạn sông 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 diễn toán 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 là các nghiên cứu dự báo biến động môi trường gây ra do hoạt động của thủy điện sông Đà và định hướng phát triển kinh tế xã hội [14] Đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng bản đồ hiện trạng môi trường thành phần và ứng dụng để xây dựng 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 tiêu riêng lẻ và tổng hợp, mô hình hoá các chỉ số đặc trưng cho chất lượng môi trường, thiết lập quy trình thành lập bản đồ hiện trạng môi trường thành phần và tổng hợp, đánh giá hiện trạng môi trường đất và nước tỉnh Hoà Bình theo chỉ số tương 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 trạng môi 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 qua phân 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 sách này đến quản lý và SDĐ, đồng thời phát triển khung lý thuyết Phát triển và phân tích thể chế của Ostrom nhằm điều chỉnh lý thuyết này cho phù hợp hơn đối với phân tích chính 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 hệ giữa các cấp Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ở quy

mô vùng lãnh thổ thì chương trình 5 triệu ha rừng không thành công đối với các hộ gia đình làm lâm nghiệp, chính sách giao đất rừng tới hộ gia đình có ảnh hưởng không đáng kể tới sự phục hồi của rừng, chính sách phát triển kinh tế cá thể được

15

vận dụng chưa tốt đối với mục đích thiết lập hệ sinh thái-xã hội ở miền Bắc -Việt Nam trong giai đoạn đầu thực thi Nguyên nhân sâu xa của sự kém hiệu quả của chính 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 thời của 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 viễn thám, điển hình là Lại Anh Khôi đã đề xuất một số giải pháp nâng cao độ tin cậy phân loại ảnh số và ứng dụng thành lập bản đồ lớp phủ phục vụ theo dõi biến động tài nguyên rừng, mặt nước [16] và Trần Tuấn Ngọc đã sử dụng ảnh radar để xác định sinh khối rừng Hòa Bình, kết quả đã đưa ra được sự lựa chọn tối ưu cho dữ liệu phân cực (HH và HV) trong bài toán đánh giá sinh khối trên mặt đất của rừng tại khu vực nghiên cứu Phương pháp tích hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau một cách có lựa chọn để nâng cao độ chính xác tính sinh khối trên mặt đất của 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

hệ thống 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) như Nguyễn Khanh Vân và nnk đã đề xuất cơ sở khoa học địa lý học góp phần tổ chức lãnh thổ phát triển sản xuất trên quan điểm sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường vùng Tây Bắc trong tương lai [36]

Một số nghiên cứu khác lại tiếp cận ở phạm vi không gian nhỏ nhưng sâu vào từng chi tiết như Trương Quang Hải và nnk đã điều tra đời sống dân cư và sự khai thác các lâm sản ngoài gỗ tại xã Trường Sơn – huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình để đánh giá tổng hợp điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội phục vụ tổ chức lãnh thổ cấp huyện [10]; Nguyễn Khanh Vân định hướng sử dụng hợp lý tài nguyên sinh khí hậu cho phát triển sản xuất, dân sinh và du lịch ở vùng hồ Hòa Bình [35]; Lê Thị Thanh Tâm đã phản ánh hiện trạng chất lượng nước sinh hoạt của 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 các nghiên cứu trước đó (1998, 2005), Nguyễn Thanh Lâm và nnk đã diễn tả sự thay

16

đổi trong hệ thống canh tác ở Bản Tất (Đà Bắc) trong vòng 15 năm (1988-2005)

và nhận 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 xét như sau:

- Xu hướng nghiên cứu biến động lớp phủ và lớp phủ rừng trên thế giới đã dịch chuyển từ việc phát triển các phương pháp xác định biến động lớp phủ, lớp phủ rừng 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 hai chiều đối với từng trường hợp cụ thể trong vô số các yếu tố ở phạm vi không gian và thời 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 khác nhau: độ phân giải thấp, độ phân giải trung bình và độ phân giải cao Trong đó, các tư liệu 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 với quy mô vừa (quốc gia hoặc cấp tỉnh), ảnh có độ phân giải không gian cao cho phép lập bản đồ rừng chi tiết trên quy mô nhỏ

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

- Trong những năm qua, hoạt động nghiên cứu lớp phủ và lớp phủ rừng tại Việt Nam đã hình thành những tiền đề quan trọng về cơ sở dữ liệu, đang dần tiếp cận với công nghệ trên thế giới Tuy nhiên, những kết quả đạt được còn khiêm tốn, các công 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 vi không gian (vùng Tây Bắc, lưu vực sông Đà, toàn bộ ranh giới tỉnh, huyện, xã, thôn bản) 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

17

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 phát triển hướng nghiên cứu nhằm thực hiện mục tiêu đã đề ra Tại Hòa Bình chưa có một nghiên cứu nào về biến động lớp phủ rừng trên phạm vi toàn tỉnh có tính đến ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố tự nhiên, kinh tế xã hội được mô hình hóa bằng một mô hình toán học phù hợp trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất 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 tư liệu Landsat để xác định quy mô và kiểu biến động đặc trưng của lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình giai đoạn 1994- 2005 và 2005-2015, từ đó xác lập mối quan hệ giữa biến 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 lựa chọn ảnh Landsat vì đây là nguồn tư liệu được cung cấp miễn phí và tỉnh Hòa Bình có diện tích 4600 km2 nên sử dụng ảnh có độ phân giải trung bình là phù hợp Giai đoạn nghiên cứu được xác định từ năm 1994 đến nay vì năm 1994 là thời điểm lớp phủ rừng tỉnh Hòa Bình suy thoái và kiệt quệ nhất, từ đó đến nay lớp phủ 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 độ cao tối thiểu là 5 m, không kể cây ăn quả và cây trồng trong các hệ thống nông lâm kết hợp (FAO 2000) Đây là khái niệm được sử dụng rộng rãi cho mục đích sản xuất, bảo tồn rừng; tại Việt Nam, thông tư 34/2009/TT-BNNPTNT có nêu rõ các tiêu chí xác định rừng, bao gồm các tiêu chí sau [2]: (i) Rừng là một hệ sinh thái với thành phần chính là các loài cây lâu năm thân gỗ, cau dừa có chiều cao vút ngọn trên 5 mét có khả năng cung cấp gỗ, lâm sản ngoài gỗ và các giá trị khác như bảo vệ môi trường và cảnh quan, bảo tồn đa dạng sinh học (ii) Diện tích liền khoảnh 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 hoặc dải 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

18

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 nghỉ dưỡng

và tham quan (ii) Rừng phòng hộ là rừng được sử dụng phục vụ điều tiết nguồn nước, giảm thiểu thiên tai: bảo vệ đất, chống xói mòn, chống cát bay, chắn sóng 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 bằng sinh thái kết hợp phòng hộ môi trường

- Phân loại rừng theo điều kiện lập địa bao gồm: (i) Rừng núi đất là rừng phát triển trên nền núi đất; (ii) Rừng núi đá là rừng phát triển trên núi đá; (iii) Rừng ngập nước là rừng phát triển trên các diện tích ngập nước quanh năm hoặc ngập nước không 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, tài nguyên rừng, môi trường rừng …; tuy nhiên trong khuôn khổ của luận án, nghiên cứu 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 nào được chấp nhận dùng chung trên toàn cầu (Di Gregorio and Jansen 2000); vì vậy hiện nay vẫn tồn tại song song nhiều hệ thống phân loại (hệ thống phân loại của USGS, UNESCO, LBCS, FAO, Bộ TNMT…) và chúng lại được điều chỉnh cho phù 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 và các 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 phủ chi tiết hơn, theo nhiều chuyên đề cụ thể từ nhiều nguồn tư liệu vệ tinh thế hệ mới nhưng hệ thống phân loại của các dự án này vẫn phát triển trên cơ sở hệ thống phân loại của USGS Hệ thống phân loại này bao gồm 4 cấp độ tương ứng với các

19

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 giải 20-100 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 10 tiêu 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 toàn thế giới dựa trên tổ hợp các hình thái đời sống thực vật

Hệ thống tiêu chuẩn phân loại dựa trên đất đai (Land – Based Classification Standard-LBCS): đây là hệ thống phân loại theo thứ bậc toàn diện nhất đối với SDĐ đô thị hoặc ven đô do Hiệp hội Quy hoạch Mỹ (2006) phát triển trên cơ sở Hướng dẫn mã hóa 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 dữ liệu đầu vào phải là các tư liệu vệ tinh độ phân giải cao hoặc ảnh hàng không có thể cung cấp 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 mà không 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 xây dựng theo tiêu chuẩn ISO TC211 trên cơ sở ngôn ngữ về lý lịch lớp phủ (Land

20

Cover Meta Language-LCML) của FAO trước đó Mục đích của LCML là định nghĩa khung tham chiếu chung phục vụ so sánh và tích hợp dữ liệu từ bất kỳ hệ thống chú giải LPĐ nào vì hiện nay các quốc gia và các khu vực sử dụng nhiều hệ thống 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 trí thích 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 kèm theo thông tư số 08/2007/TT-BTNMT về Hướng dẫn thực hiện thống kê, kiểm kê đất đai và xây dựng bản đồ hiện trạng SDĐ trên phạm vi cả nước bao gồm các cấp: tỉnh, huyện, xã Bản đồ này chủ yếu thể hiện các thông tin về mục đích hiện trạng đang sử dụng, trong đó, bản đồ cấp xã (đơn vị hành chính nhỏ nhất) được thành 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 hàng không hoặc ảnh vệ tinh có độ phân giải cao kết hợp điều tra thực địa Bản

đồ hiện trạng SDĐ của các cấp cao hơn được tổng hợp từ bản đồ hiện trạng SDĐ của các đơn 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 hợp với mục tiêu nghiên cứu của luận án, vì luận án nghiên cứu LPĐ từ việc chiết tách thông 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 kết nối 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 (khu công nghiệp, khu thương mại ) mà không cung cấp thông tin về thực phủ; hơn thế nữa, hệ thống này yêu cầu dữ liệu đầu vào là ảnh độ phân giải cao cung cấp thông tin ở cấp độ thửa đất nên không phù hợp cho nghiên cứu LPĐ từ tư liệu Landsat (độ phân giải 30 m) trong luận án này

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

21

về sự phù hợp của từng loại tư liệu viễn thám với các cấp độ của hệ thống phân loại này Do đó, nghiên cứu sinh đánh giá đây là hệ thống phân loại phù hợp nhất với luận án, có thể áp dụng để thành lập bản đồ LPR từ tư liệu Landsat (độ phân giải không gian 30 m) ở mức I với tỉ lệ 1: 100 000 Đồng thời, căn cứ vào đặc điểm 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

Lớp phủ Miêu tả

Rừng kín

Cây cao, to, sinh khối lớn, gồm nhiều tầng, che phủ kín mặt đất Ở Hòa Bình, kiểu rừng này chủ yếu là loài lá rộng thường xanh trên núi đất hoặc rừng nguyên sinh ở các khu bảo tồn

Rừng thưa

Rừng có cây thấp, tán lá thưa, chưa phủ kín mặt đất nếu quan sát trên ảnh vệ tinh Loại rừng này phát triển trên các dãy núi đá vôi của Hòa 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

Đất trống

Núi đá vôi trọc, ruộng lúa, nương rãy và rừng sau khi thu hoạch hoặc 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 về cùng một hệ tọa độ, nếu không thì nguồn sai số từ việc nắn chỉnh hình học có thể dẫn đến những sai lầm trong xác định biến động Ngoài ra, nếu nghiên cứu sử dụng ảnh chỉ 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 khác nhau nghĩa là trong điều kiện khí quyển khác nhau nên các ảnh này cần được chuẩn hóa 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 để tách chiết các thông tin trên ảnh viễn thám, giải đoán bằng mắt có thể sử dụng kính

22

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 các dấu hiệu đoán đọc và chìa khoá giải đoán; phân tích ảnh bằng mắt đòi hỏi phải tổng hợp, kết hợp nhiều thông số của ảnh, bản đồ, tài liệu thực địa và kiến thức chuyên 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 phổ của 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 mà không cần phải sử dụng dữ liệu mẫu; các pixel trên ảnh sẽ được gộp vào từng lớp phổ khác nhau trên cơ sở các nhóm phổ tự nhiên biểu thị qua giá trị độ xám của ảnh Sau đó bằng cách xác minh thực địa hoặc xác minh với các bản đồ khác, mỗi lớp 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 biết trước đó về đặc tính phổ của các lớp, tiến hành lấy mẫu nhằm tạo nên các ranh giới cho mỗi lớp trong không gian phổ; cuối cùng mỗi pixel trong ranh giới của 1 lớp

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 lý thuyết về khả năng phản xạ phổ của thực vật khác nhau do cấu trúc tán lá và thành phần chất diệp lục trong lá cây đối với kênh đỏ và cận hồng ngoại [94, 96] Chỉ số này cho phép quan trắc những biến đổi giữa các năm hoặc biến động dài kỳ trong cấu trúc hay các thông số vật lý, sinh học… của thực vật Quan trọng hơn, những chỉ số này còn được sử dụng để tính toán các đại lượng sinh học, vật lý của thực vật như hàm lượng Chlorophyl, hàm lượng các sắc tố, sinh khối tươi hoặc sinh

23

khối khô, hàm lượng nước hoặc cấu trúc bên trong của lá, độ ẩm của đất hoặc nhiệt độ bề mặt lớp phủ Có rất nhiều các chỉ số VIs được đề xuất với việc bổ sung các hệ số từ đơn giản đến phức tạp, trong đó NDVI là một trong những chỉ số phổ biến 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 kênh ảnh thì phân loại hướng đối tượng sử dụng cả thông tin về phổ và các thông tin khác 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 chia thành các vùng đồng nhất bao gồm nhiều pixel, cách làm này tương tự như giải đoán 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 các pixel 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 thể phân loại các đối tượng dựa trên nhiều thuộc tính, các thuộc tính này gồm 2 nhóm chính: thông tin của bản thân đối tượng (đặc điểm phổ, cấu trúc, hình dạng của đối tượng)

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 ảnh được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là thành lập ma trận sai số; ma trận này cho phép đối chiếu kết quả phân loại từng lớp đối tượng với thông tin thực địa, từ đó đánh giá được độ chính xác kết quả phân loại cho từng loại lớp phủ, đồng thời cũng giúp đánh giá độ chính xác kết quả phân loại chung cho toàn ảnh thông qua 4 tiêu chí: độ tin cậy của nhà sản xuất, độ tin cậy của người sử dụng, độ chính xác toàn cục và hệ số kappa Các mẫu kiểm chứng có thể lấy theo từng pixel, một nhóm pixel hoặc lấy theo polygon, trong đó lấy theo polygon được áp dụng nhiều nhất trong các nghiên cứu gần đây do dễ thực hiện Số lượng mẫu tối thiểu cho mỗi 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 vẽ trực tiếp thực địa và tích hợp viễn thám với GIS; tuy nhiên từ khi có tư liệu vệ tinh thì hai phương pháp đầu hầu như không còn được áp dụng hoặc áp dụng cho khu

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 tại hai thời điểm, sau đó chiết tách thông tin biến động bằng việc so sánh hai bản đồ lớp phủ, việc chiết tách thông tin phục vụ thành lập các bản đồ lớp phủ có thể được thực hiện bằng mắt hoặc phân loại đa phổ Trong đó, quá trình so sánh xác định biến động được thực hiện nhờ GIS, dữ liệu đầu vào có thể là vector hoặc raster [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 giá chất lượng kỹ thuật trừ ảnh mới nổi Ưu điểm của phương pháp này là không đòi hỏi phải hiệu chỉnh, chuẩn hóa phổ cũng như không yêu cầu hai ảnh này phải được 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 trình phân 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 hóa bằng 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 theo hướng 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 Kỹ thuật này căn cứ vào việc phân tích một bộ dữ liệu ảnh đa thời gian có sử dụng nhận dạng mô hình chuẩn kết hợp phân loại phổ để phát hiện khu vực xảy ra biến động lớp phủ Yêu cầu dữ liệu đầu vào được thu nhận ở hai năm khác nhau nhưng phải 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]

25

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 khoảng cách từ thời điểm thứ nhất đến thời điểm thứ hai Nếu độ lớn của vector này lớn hơn ngưỡng đặt ra thì có thể kết luận rằng có xảy ra biến động lớp phủ Hướng của vector biến đổi phổ cho biết thông tin về loại lớp phủ ví dụ như rừng đã bị phát quang hay rừng tái sinh (Malila 1980) [96, 152] Phương pháp này đã được Malila (1980), Colwell và Weber (1981) áp dụng lần đầu tiên trong nghiên cứu biến động rừng ở Bắc Idaho và Nam Carolina

Hình 1 3 Nguyên tắc của kỹ thuật trừ ảnh

26

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 pixel bằng 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 kênh chứa trên ảnh gốc) về một không gian p chiều (p- số kênh chứa trên ảnh thành phần chính) với k > p mà vẫn bảo toàn thông tin ở mức chấp nhận được; phương pháp này được áp dụng để loại bỏ các thông tin trùng lặp trên các kênh phổ gần nhau 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 sẽ cung 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) Các thành 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 cây trồng 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 vụ giải đoán ảnh độ phân giải phổ cao AVIRIS; đến năm 1995, Adams và cộng sự tiếp tục phát triển để sử dụng cho ảnh Landsat TM, MSS Phương pháp này coi các pixel của ảnh đa phổ là tổ hợp của các dấu hiệu đa phổ, điển hình là mô hình pha 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 chỉnh khí 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 hai phương pháp này, nâng cao độ chính xác kết quả phân loại Các tác giả ứng dụng thành 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

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 thách thức lớn đối với việc tổng quan, phân loại các mô hình Các hệ thống phân loại này hầu 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], trong khi Kaimowitz và Angelsen (1998) lại chú trọng đến mô hình mất rừng dựa trên lý thuyết kinh tế [77] Miller và nnk (1999) và U.S EPA (2000) trình bày tổng quan mô hình 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 biến động 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 đổi SDĐ ở một số quy mô, trong đó biến đổi SDĐ được chỉ ra trên từng pixel hoặc trên các đơn vị không gian khác như đơn vị hành chính Vì vậy, nhóm mô hình này có thể phát hiện ra sự thay đổi về không gian trong điều kiện môi trường tự nhiên và xã hội khác nhau

Nhóm mô hình phi không gian quan tâm đến độ lớn và tốc độ biến động SDĐ mà không đề cập cụ thể đến sự phân bố không gian của nó, ví dụ như mô hình phi không gian về mất rừng ở Altamira thuộc vùng Amazon của Evans và nnk (2001) [61] Mô hình ở cấp độ từng mảnh đất này tính toán đến lợi ích của hoạt động SDĐ cụ thể để tìm ra cách SDĐ tối ưu tại mỗi thời điểm và sự phân bố lao 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: rừng trưởng thành, rừng tái sinh, cây trồng lâu năm, cây trồng hằng năm và đồng cỏ ở mỗi thời điểm cách nhau một năm

Dù có sử dụng các mô hình khác nhau nhưng phải đảm bảo mô phỏng được cấu 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 toán này đều dựa trên bộ nhân tố tác động đặc biệt là các nhân tố chủ đạo của biến động

28

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 liên quan đến sự phù hợp vị trí các loại khác) dựa trên việc phân tích một hoặc nhiều nhân tố (coi như nhân tố quyết định biến động không gian SDĐ) Việc lựa chọn các 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 nghi dựa 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 sự cạnh tranh giữa các loại SDĐ cũng dẫn đến biến đổi mô hình SDĐ Vì thế cho nên trong hầu hết các mô hình, hệ thống quy tắc được sử dụng để phân bố biến đổi SDĐ dựa trên bản

đồ thích nghi Những quy tắc này thay đổi tùy theo việc sử dụng giá trị cắt đơn giản để lựa chọn vị trí thích hợp nhất trên bản đồ thích nghi đối với mô hình cạnh 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 yêu cầu SDĐ đa dạng trong không gian Một số mô hình tiếp cận theo hướng từ dưới lên được lựa chọn, trong đó cần chú ý quy tắc phân bố và động thái không gian xác định số lượng biến động LPĐ/SDĐ Tuy nhiên, cách tiếp cận từ trên xuống thường được áp dụng nhiều hơn, trong đó biến động về loại LPĐ được xác định dựa vào bộ nhân tố tác động Số lượng này được sử dụng làm yếu tố ràng buộc trong quá trình phân bố Ngoài ra, hướng tiếp cận tổng hợp cũng được sử dụng để nghiên 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 nhân theo giả thiết) có thể được coi như một mô hình biến động LPĐ/SDĐ tĩnh

và được ứng 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 này thường không tính đến tác động phản hồi và sự độc lập giữa các biến Mô hình động chú trọng đến sự vận động theo thời gian của hệ thống SDĐ, tiêu biểu là tính cạnh tranh 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 đã được định trước) Mô hình tĩnh có thể được sử dụng để

29

nghiên cứu về các nhân tố tác động đến LPĐ/SDĐ trong quá khứ, trong khi mô hình động được sử dụng cho dự báo LPĐ/SDĐ trong tương lai hoặc nghiên cứu diễn thế của LPĐ/SDĐ

1.2.4.3 Mô hình miêu tả và mô hình hoạch định

Mô hình miêu tả nhằm tái tạo chức năng của hệ thống SDĐ và tạo kịch bản mô hình SDĐ trong tương lai gần Ngược lại, mô hình hoạch định nhằm tính toán cách thức SDĐ phù hợp nhất với mục tiêu nào đó Mô hình miêu tả dựa trên hệ thống SDĐ thực tế và các quá trình dẫn đến biến đổi SDĐ trong hệ thống này Đầu ra mô hình cho thấy những gì diễn ra bên trong chức năng của hệ thống thông qua thử nghiệm các giả thuyết và phân tích tương tác giữa các thực thể ở cấp độ thấp hơn từ đó tạo ra mô hình

ở cấp độ cao hơn Hơn thế nữa, các loại mô hình này phù hợp cho dự báo LPĐ/SDĐ theo các kịch bản khác nhau Mô hình hoạch định chứa hầu hết các hệ thống SDĐ thực

tế như một sự ràng buộc đối với các hình thức SDĐ tối ưu hơn [90] Mục tiêu cơ bản của việc tối ưu hóa hầu hết các mô hình là giả thiết một thửa đất bất kỳ (có đề cập đến thuộc tính và vị trí) được mô phỏng như đang sử dụng tốt nhất cho các mục tiêu đã đặt

ra Mô hình hoạch định đặc biệt hữu ích đối với phân tích chính sách do nó có khả năng trực quan hóa mô hình không gian SDĐ, đây là giải pháp tối ưu dựa trên các yếu tố ràng buộc và mục tiêu ưu tiên hơn [143] Tuy nhiên, mô hình hoạch định không cho thấy bản chất bên trong LPĐ/SDĐ thực tế và các điều kiện trung gian cần thiết để đạt được cách SDĐ tối ưu Bên cạnh đó, nhiều mô hình hoạch định giả sử các hoạt động kinh tế là tối ưu và rất khó để đưa vào mô hình những hoạt động không tích cực của con người [124] Điểm hạn chế này không ảnh hưởng đáng kể ở quy mô nhỏ nhưng lại rất quan trọng đối với quá trình LPĐ/SDĐ ở quy mô lớn và được xem xét đến tính đa dạng giữa các nhân tố [90]

1.2.4.4 Mô hình diễn dịch và quy nạp

Hầu hết các mô hình LPĐ/SDĐ dựa trên phương pháp quy nạp, trong đó các chỉ tiêu kỹ thuật của mô hình căn cứ vào tương quan thống kê giữa LPĐ/SDĐ

và một bộ biến giải thích là các tác nhân bên trong sự biến đổi này Thống kê đa biến, xác suất biến động và số hiệu chỉnh được sử dụng để nhận dạng các biến và mối quan hệ trong thực tế Phương pháp quy nạp trở nên cực kỳ phổ biến trong bối cảnh chưa có khung lý thuyết để giải thích, dẫn đường các nghiên cứu LPĐ/SDĐ Việc phát triển lý thuyết trong lĩnh vực này gặp nhiều khó khăn do sự tác động lẫn nhau rất phức tạp giữa các nhân tố, các nhân tố này thay đổi theo quy mô không gian, thời gian và quy mô tổ chức, có thể tác động trực tiếp hoặc thông qua các