Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh radar trong xác định sinh khối rừng tỉnh hòa bình

Bên cạnh đó, việc xác định trực tiếp thông số sinh khối rừng thông qua ảnh RADAR cũng là một trong các lợi thế so với sử dụng dữ liệu viễn thám quang học.. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Phạm Văn Cự

2 PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trần Tuấn Ngọc

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với PGS TS Phạm Văn Cự, người đã kiên trì và tận tâm giúp đỡ tôi từ việc hoàn thiện đề cương tới thực hiện các nội dung và viết báo cáo luận án Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS TS Nguyễn Ngọc Thạch, người đã nhiệt tình giúp đỡ tôi và

có những hướng dẫn quý báu giúp tôi hoàn thành luận án

Xin cám ơn các thày, cô trong Bộ môn Bản đồ Viễn thám, Ban lãnh đạo Khoa Địa lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc thực hiện Luận án Xin trân trọng cám ơn lãnh đạo Trung tâm Viễn thám quốc gia đã tạo điều kiện để tôi có thể thực hiện Luận án

Cám ơn các đồng nghiệp Ths Nguyễn Thanh Nga, Ths Nguyễn Viết Lương, TS Nguyễn Phú Hùng, trong việc chia sẻ dữ liệu, kiến thức về rừng

và xác định sinh khối rừng bằng ảnh RADAR

Tôi đặc biệt cảm ơn TS Lê Toàn Thủy về những giúp đỡ tận tình trong ứng dụng dữ liệu viễn thám RADAR tính sinh khối rừng trên mặt đất

Cuối cùng xin cám ơn vợ và hai con đã luôn đồng hành và chia sẻ cùng tôi trong quá trình thực hiên Luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận án

Trần Tuấn Ngọc

1

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 10

1 Tính cấp thiết 10

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 12

3 Phương pháp nghiên cứu 13

4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 13

5 Điểm mới của Luận án 14

6 Luận điểm bảo vệ 14

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 15

CHƯƠNG I: SINH KHỐI RỪNG VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TRÊN MẶT ĐẤT 16

1.1 Sinh khối thực vật 16

1.1.1 Khái niệm sinh khối thực vật 17

1.1.2 Lượng hóa sinh khối cá thể thực vật 19

1.2 Rừng Việt Nam và công tác kiểm kê rừng tại Việt Nam 21

1.2.1 Một số định nghĩa về rừng 21

1.2.2 Tổng quan rừng Việt Nam 22

1.2.3 Công tác kiểm kê rừng ở Việt Nam 27

1.2.4 Một số nhận xét về đặc điểm rừng Việt Nam 30

1.3 Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối rừng 31

1.3.1 Nghiên cứu, ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối rừng trên thế giới 31

1.3.1.1 Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám quang học 31

1.3.1.2 Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám lidar 34

1.3.1.3 Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám RADAR 35

2

1.3.2 Một số nghiên cứu xác định sinh khối rừng ở Việt Nam và

Hòa Bình 44

1.3.2.1.Các công trình nghiên cứu liên quan đến sinh khối rừng 44

1.3.2.2.Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu sinh khối rừng 46

1.4 Phân tích lựa chọn phương pháp tính sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng ở Việt Nam 48

1.5 Tiểu kết chương 51

CHƯƠNG II: CƠ CHẾ THU NHẬN THÔNG TIN RADAR VÀ CÁC NHÂN TỐ TỰ NHIÊN ẢNH HƯỞNG TỚI THUỘC TÍNH ẢNH RADAR Ở TỈNH HOÀ BÌNH 53

2.1 Cơ sở vật lý sử dụng giá trị tán xạ ngược trên ảnh viễn thám RADAR trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất 53

2.1.1 Viễn thám RADAR 53

2.1.2 Cơ sở vật lý của ứng dụng viễn thám RADAR trong xác định sinh khối rừng 56

2.2 Đặc điểm và sự ảnh hưởng của địa hình tỉnh Hòa Bình tới thuộc tính của ảnh RADAR 57

2.2.1 Địa hình tỉnh Hòa Bình 58

2.2.2 Ảnh hưởng của địa hình tới thuộc tính hình học ảnh RADAR 59

2.2.3 Ảnh hưởng của địa hình tới tán xạ RADAR 60

2.3 Tương tác của RADAR với đặc điểm sinh thái rừng tỉnh Hòa Bình 63

2.3.1 Đặc điểm sinh thái rừng tỉnh Hòa Bình 63

2.3.1.1.Phân bố rừng tỉnh Hòa Bình theo vành đai độ cao 64

2.3.1.2.Phân loại rừng tỉnh Hòa Bình 69

2.3.2 Tương tác của RADAR với lớp phủ thực vật rừng tỉnh Hòa Bình 72

2.3.2.1.Tương tác của RADAR với lớp phủ thực vật rừng 72

2.3.2.2.Tương tác của RADAR với đặc trưng rừng tỉnh Hòa Bình 75

2.4 Tiểu kết chương 80 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM TÍNH SINH KHỐI RỪNG TRÊN

3

MẶT ĐẤT TỈNH HÒA BÌNH BẰNG DỮ LIỆU ENVISAT ASAR

VÀ ALOS PALSAR 83

3.1 Dữ liệu sử dụng 83

3.1.1 Dữ liệu ảnh 83

3.1.1.1.Dữ liệu ảnh ENVISAT ASAR 83

3.1.1.2.Dữ liệu ảnh ALOS PALSAR 86

3.1.2 Dữ liệu ô tiêu chuẩn 88

3.1.3 Dữ liệu bản đồ hiện trạng rừng 94

3.2 Các bước tính sinh khối rừng 96

3.2.1 Kiểm định ảnh (calibration) 97

3.2.1.1.Kiểm định ảnh ENVISAT ASAR APP 97

3.2.1.2.Kiểm định ảnh ALOS PALSAR 98

3.2.2 Xử lý hình học ảnh 101

3.2.3 Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình tới tán xạ trên ảnh RADAR 102

3.2.4 Đo giá trị tán xạ trên ảnh tại vị trí các ô tiêu chuẩn 104

3.2.4.1.Đo giá trị tán xạ ngược trên ảnh 104

3.2.4.2.Phân tích quan hệ giữa giá trị tán xạ ngược trên ảnh và sinh khối rừng trên mặt đất 106

3.2.5 Thiết lập hàm tương quan 109

3.2.6 Tính sinh khối 109

3.2.7 Đánh giá kết quả tính sinh khối 109

3.3 Tính toán hồi quy giữa kết quả đo sinh khối ô tiêu chuẩn và giá trị tán xạ ngược tại các vị trí tương ứng trên ảnh 110

3.3.1 Tính toán hồi quy đối với sinh khối rừng toàn tỉnh Hòa Bình 110

3.3.1.1.Ô tiêu chuẩn sử dụng để tính toán hồi quy 110

3.3.1.2 Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ENVISAT ASAR 114

3.3.1.3 Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ALOS PALSAR 118

3.3.2 Hồi quy sinh khối rừng tự nhiên 121

3.3.2.1.Ô tiêu chuẩn sử dụng 121

3.3.2.2.Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ENVISAT ASAR 124

3.3.2.3.Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ALOS PALSAR 125

3.3.3 Hồi quy sinh khối rừng trồng 125

3.3.3.1.Ô tiêu chuẩn sử dụng 125

4

3.3.3.2.Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ENVISAT ASAR 128

3.3.3.3.Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ALOS PALSAR 129

3.4 Đánh giá quan hệ giữa sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hòa Bình và tán xạ ngược trên ảnh RADAR 130

3.5 Kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất bằng ảnh RADAR 133

3.6 Đánh giá kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hòa Bình bằng dữ liệu viễn thám RADAR 135

3.6.1 Đánh giá độ chính xác kết quả tính sinh khối 135

3.6.2 Đánh giá kết quả tính sinh khối theo bản đồ rừng 143

3.7 Tiềm năng ứng dụng giá trị tán xạ ảnh RADAR trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất ở Việt Nam 146

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 151

Kết luận 151

Kiến nghị 152

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 155

PHỤ LỤC 1 : KẾT QUẢ ĐO TÁN XẠ NGƯỢC TẠI VỊ TRÍ Ô TIÊU CHUẨN TRÊN ẢNH ALOS PALSAR 165

PHỤ LỤC 2 : KẾT QUẢ ĐO TÁN XẠ NGƯỢC TẠI VỊ TRÍ Ô TIÊU CHUẨN TRÊN ẢNH ENVISAT ASAR 168

5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Các thành phần sinh khối của thực vật 18

Hình 2 1: Dải phổ sóng điện từ 53

Hình 2 2: Nguyên lý chụp ảnh RADAR quét nghiêng 55

Hình 2 3: Mô hình số độ cao tỉnh Hòa Bình 58

Hình 2 4: Biến dạng ảnh RADAR do địa hình 59

Hình 2 5: Nắn chỉnh hình học ảnh RADAR 60

Hình 2 6: Ảnh hưởng của địa hình đến tán xạ RADAR 61

Hình 2 7: Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến tán xạ RADAR 62

Hình 2 8: Ảnh ASAR phia Tây Nam tỉnh Hòa Bình 63

Hình 2 9: Bản đồ thổ nhưỡng tỉnh Hòa Bình 64

Hình 2 10: Rừng Tòng Đậu, Mai Châu, Hòa Bình 65

Hình 2 11: Rừng trồng tỉnh Hòa Bình 66

Hình 2 12: Rừng trên núi đá vôi Đồng Chum, Đà Bắc, Hòa Bình 68

Hình 2 13: Thống kê rừng trồng trên địa bàn tỉnh Hòa Bình 71

Hình 2 14: Tán xạ RADAR của lớp phủ thực vật rừng 72

Hình 2 15: Tán xạ RADAR và thực vật 75

Hình 2 16: Tương tác của RADAR với lớp phủ thực vật rừng tỉnh Hòa Bình 77

Hình 2 17: Ô tiêu chuẩn số 53 (sinh khối 15 tấn/ha) 78

Hình 2 18: Rừng tại ô tiêu chuẩn 83 79

Hình 2 19: Ô tiêu chuẩn 63 sinh khối (26 tấn/ha) 80

Hình 3 1: Ảnh ASAR tỉnh Hòa Bình 84

Hình 3 2: Sơ đồ ảnh ENVISAT-ASAR sử dụng trong thực nghiệm tính sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hòa Bình 85

Hình 3 3: Ảnh ALOS PALSAR khu vực tỉnh Hòa Bình 88

Hình 3 4: Đo cao cây bằng sào gỗ và thước Blume-leiss 90

Hình 3 5: Khảo sát thực địa rừng tỉnh Hòa Bình 91

Hình 3 6: Sơ đồ các ô tiêu chuẩn được đo tại tỉnh Hòa Bình 92

Hình 3 7: Bản đồ phân loại rừng tỉnh Hòa Bình 95

Hình 3 8: Các bước tính sinh khối 96

6

Hình 3 9: Ảnh ASAR ngày 30 tháng 3 năm 2009 sau kiểm định 98

Hình 3 10: Ảnh trực giao ASAR ngày 30 tháng 3 năm 2009 đập thủy điện Hòa Bình 101

Hình 3 11: Ảnh ASAR sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình 103

Hình 3 12: Công cụ đo giá trị tán xạ ngược trên ảnh 104

Hình 3 13: Minh họa đo giá trị tán xạ ngược trên ảnh tại vị trí ô tiêu chuẩn 105

Hình 3 14: Quan hệ giữa tán xạ ảnh và sinh khối rừng tỉnh Hòa Bình 107

Hình 3 15: Quan hệ giữa tán xạ ảnh ALOS PALSAR và sinh khối rừng tỉnh Hòa Bình 108

Hình 3 16: Sơ đồ các điểm được lựa chọn để xây dựng hàm tương quan 113

Hình 3 17: Hồi quy tuyến tính giá trị sinh khối và giá trị tán xạ của ảnh 114

Hình 3 18: Hồi quy đa thức bậc hai giá trị sinh khối và giá trị tán xạ của ảnh 115

Hình 3 19: Hồi quy đa thức bậc 2 giá trị sinh khối tại các ô tiêu chuẩn có giá trị sinh khối nhỏ hơn 70 tấn và giá trị tán xạ của ảnh 116

Hình 3 20: Quan hệ tuyến tính của tán xạ ngược và sinh khối mặt đất 119

Hình 3 21: Quan hệ phi tuyến giữa tán xạ ngược trên ảnh và sinh khối rừng trên mặt đất 120

Hình 3 22: Sơ đồ vị trí ô tiêu chuẩn sử dụng 123

Hình 3 23: Sơ đồ phân bố vị trí ô tiêu chuẩn rừng trồng sử dụng để tính toán hồi quy 128

Hình 3 24: Bản đồ sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hòa Bình 134

Hình 3 25: So sánh giá trị sinh khối đo và sinh khối tính 139

Hình 3 26: Tương quan giá trị sinh khối đo và sinh khối tính trên ảnh 143

Hình 3 27: Biểu đồ phân bố trữ lượng sinh khối theo từng loại rừng 144

Hình 3 28: Biểu đồ thống kê sinh khối tỉnh Hòa Bình 144

Hình 3 29: Biểu đồ năng suất sinh khối từng loại rừng 145

Hình 3 30:So sánh giá ảnh quang học và RADAR độ phân giải siêu cao 146

Hình 3 31: So sánh đơn giá ảnh quang học và ảnh RADAR độ phân giải cao 147

7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1: Xu hướng biến động rừng Việt Nam giai đoạn 1943-2006 25

Bảng 1 2: So sánh một số chỉ tiêu rừng Việt Nam và thế giới 26

Bảng 1 3: So sánh ưu nhược điểm của các loại trị đo sử dụng trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng ảnh RADAR 49

Bảng 2 1: Phân loại các dải băng tần trong viễn thám RADAR 54

Bảng 2 2: Tổng hợp các loại đất rừng tỉnh Hòa Bình 69

Bảng 2 3: Mối tương quan của bước sóng và tán xạ của các thành phần lớp phủ thực vật 73

Bảng 3 1: Ảnh ENVISAT ASAR sử dụng trong thực nghiệm 85

Bảng 3 2: Các thông số cơ bản của ảnh ALOS PALSAR 87

Bảng 3 3: Thông số kỹ thuật của ảnh ALOS PALSAR sử dụng 88

Bảng 3 4: Tỷ số B/A của rừng trồng 93

Bảng 3 5: Hệ số định chuẩn đối với ảnh ALOS PALSAR 100

Bảng 3 6: Các ô tiêu chuẩn sử dụng để tính hồi quy 111

Bảng 3 7: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ENVISAT ASAR 117

Bảng 3 8: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ALOS PALSAR 120

Bảng 3 9: Ô tiêu chuẩn sử dụng để tính toán hồi quy cho rừng tự nhiên 121

Bảng 3 10: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ENVISAT ASAR 124

Bảng 3 11: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ALOS PALSAR 125

Bảng 3 12: Ô tiêu chuẩn sử dụng để tính toán hồi quy cho rừng trồng 126

Bảng 3 13: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ENVISAT ASAR 129

Bảng 3 14: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ALOS PALSAR 130

Bảng 3 15: So sánh sinh khối tính từ ảnh với sinh khối ô tiêu chuẩn 135

Bảng 3 16: So sánh kết quả sinh khối rừng tính từ ảnh với sinh khối đo thực địa (đối với các ô tiêu chuẩn có sinh khối lớn hơn 15 tấn/ha) 140

8

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AIRSAR RADAR hàng không độ mở tổng hợp (Airborne

Synthetic Aperture RADAR)

ALOS PALSAR RADAR độ mở thực kênh L kiểu mảng pha (The

Phased Array type L-band Synthetic Aperture RADAR)

ASAR RADAR độ mở tổng hợp tiên tiến (Advanced Synthetic

Aperture RADAR)

ASAR APP Ảnh ASAR phân cực luân phiên (ASAR altenative

polarization)

ASTER Thiết bị đo phổ phản xạ và bức xạ nhiệt tiên tiến

(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)

COP 11 Hội nghị các bên về biến đổi khí hậu lần thứ 11 tại

Montreal, Canada (Conference of the Parties 11)

COP 13 Hội nghị các bên về biến đổi khí hậu lần thứ 13 tại Bali,

Indonesia (Conference of the Parties 13)

COP 15 Hội nghị các bên về biến đổi khí hậu lần thứ 15 tại

Copenhagen, Đan Mạch (Conference of the Parties 15) DBH Đường kính tại chiều cao ngang ngực của cây

DLR Trung tâm hàng không vũ trụ Đức

ENVISAT Vệ tinh môi trường của Châu Âu ( ENVIronment

SATellite)

ERSDAC Trung tâm phân tích dữ liệu viễn thám trái đất của Nhật

Bản (Earth Remote Sensing Data Analysis Center) ERS Vệ tinh viễn thám RADAR ERS của Cơ quan vũ trụ

Châu Âu (European Remote Sensing)

ESA Cơ quan vũ trụ Châu Âu (European Space Agency) FAO Tổ chức Nông Lương của Liên hợp quốc

FCCC (UNFCCC) Công ước Khung của Liên hợp quốc về Biến đổi

khí hậu

FORMOSAT Vệ tinh FORMOSAT của Đài Loan

9

GPS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Hoa Kỳ

IKONOS Vệ tinh độ phân giải siêu cao IKONOS của Hoa Kỳ

IPCC Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu của

Liên hiệp quốc

IRS Viễn thám Ấn Độ (India Remote Sensing)

JAXA Cục khai thác hàng không vũ trụ Nhật Bản

JERS-1 Vệ tinh tài nguyên của Nhật Bản (Japanese Earth

Resources Satellite 1 (JERS-1))

SPOT Vệ tinh độ phân giải cao của Pháp

LANDSAT Chương trình quan trắc trái đất bằng vệ tinh của

Hoa Kỳ

LIDAR Công nghệ đo khoảng cách bằng Laze (LIght Detection

And Ranging) MODIS Hệ thống chụp ảnh viễn thám độ phân giải trung bình

(Moderate Resolution Imaging Spectroradiomete)

NOAA Cục khí tượng và đại dương Hoa Kỳ (National Oceanic

and Atmospheric Administration - NOAA)

QUICKBIRD Vệ tinh độ phân giải siêu cao của Hoa Kỳ

RADAR Viễn thám siêu cao tần hay hệ thống chụp ảnh sử dụng

sóng điện từ trường siêu cao tần (Radio Detection and Ranging)

RADARSAT-1 Vệ tinh RADARSAT-1 của Canada

REED + Chương trình giảm khí thải do mất rừng và

suy thoái rừng

SRTM Chương trình thành lập mô hình số độ cao bằng bay

quét RADAR trên tàu con thoi của Hoa Kỳ

TERRASAR-X Vệ tinh RADAR độ phân giải siêu cao của Đức

WORLDVIEW Vệ tinh độ phân giải siêu cao WORLDVIEW của

Hoa Kỳ

10

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Lịch sử phát triển của loài người gắn liền với rừng và sử dụng rừng Rừng

là nguồn cung cấp nguyên liệu thô cho xây dựng, giao thông, là nguồn thực phẩm cho con người, khi bị chặt phá đất rừng trở thành tài nguyên đất cho canh tác nông nghiệp và cho phát triển đô thị [40] Theo khuyến cáo của các nhà khoa học thì xu thế suy giảm tài nguyên rừng đang diễn ra hiện nay, gián tiếp hay trực tiếp gây ra hiện tượng nóng lên của Trái đất, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chu trình tuần hoàn của nước, tăng tần suất cũng như cường

độ lũ lụt, suy kiệt tầng trữ nước, làm thoái hóa đất và dẫn đến sự tuyệt chủng của một số loài thực vật và động vật có môi trường sống là rừng [55, 72, 87]

Để quản lý, bảo vệ và phát triển rừng ở nước ta, công tác điều tra, đánh giá tài nguyên rừng được tiến hành theo chu kỳ 05 năm, sử dụng dữ liệu viễn thám quang học Mặc dù công tác điều tra, đánh giá tài nguyên rừng đã có nhiều tiến bộ trong thời gian gần đây, tuy nhiên vẫn còn bộc lộ một số hạn chế nhất định Đầu tiên là sự sai khác giữa kết quả báo cáo và thực tế do thời gian điều tra, đánh giá kéo dài Thứ hai, kết quả điều tra, đánh giá tài nguyên rừng vẫn chưa đưa ra được trực tiếp số liệu về sinh khối rừng, một trong những thông số quan trọng mà Tổ chức nông lương thế giới yêu cầu báo cáo Những nhược điểm này là không thể khắc phục được nếu vẫn ứng dụng dữ liệu viễn thám quang học là dữ liệu viễn thám duy nhất trong công tác điều tra, đánh giá tài nguyên rừng hiện nay ở nước ta

Để khắc phục các hạn chế nêu trên trong công tác điều tra, đánh giá rừng, hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, ứng dữ liệu viễn thám RADAR (siêu cao tần) [15, 21] Dữ liệu viễn thám RADAR có lợi thế so với viễn thám quang học đó là việc chụp ảnh không phụ thuộc vào điều kiện thời

11

tiết nên có khả năng thu hẹp thời gian chụp ảnh Bên cạnh đó, việc xác định trực tiếp thông số sinh khối rừng thông qua ảnh RADAR cũng là một trong các lợi thế so với sử dụng dữ liệu viễn thám quang học

Vấn đề đặt ra trong đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh RADAR trong xác định sinh khối rừng tuy không phải là vấn đề mới đối với thế giới, tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới cho đến nay tập trung chủ yếu vào rừng phía bắc (boreal forest) với loài thông (các nghiên cứu trong [20, 26, 28, 31-32, 49, 61, 80, 85]) mà chưa có nhiều nghiên cứu đối với rừng nhiệt đới (một số nghiên cứu trong [41, 58, 86]) Hơn nữa, độ chính xác xác định sinh khối rừng bằng dữ liệu ảnh RADAR phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố ngoại cảnh như trữ lượng rừng, đặc điểm sinh thái rừng, các điều kiện môi trường

Độ chính xác của kết quả còn phụ thuộc đáng kể vào các đặc điểm vật lý của

dữ liệu RADAR như bước sóng, góc chụp, phân cực [16-18] Do vậy, để áp dụng công nghệ này cho việc xác định sinh khối rừng ở Việt Nam cần có các nghiên cứu về cơ sở khoa học, phương pháp luận cũng như tiến hành thử nghiệm để kiểm chứng Chỉ trên nền tảng như vậy thì mới có thể đưa ra được các kết luật xác đáng về khả năng ứng dụng của công nghệ trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam, ứng dụng công nghệ này vào công tác điều tra, đánh giá tài nguyên rừng, cụ thể là xác định hàm lượng sinh khối chứa trong lớp phủ thực vật rừng, từ đó tính toán tín chỉ các bon trong công tác bảo tồn và phát triển rừng ở nước ta

Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh RADAR trong xác định sinh khối rừng tỉnh Hòa Bình” được chọn nhằm làm rõ cơ sở khoa học, thực tiễn, những vấn đề kỹ thuật còn chưa sáng tỏ như đặc tính kỹ thuật của

dữ liệu sử dụng (bước sóng, phân cực), các nhân tố ảnh hưởng đến kết quả xác định sinh khối rừng nhằm có thể ứng dụng công nghệ này trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất tại Việt Nam

Đánh giá được khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám siêu cao tần đối với xác định sinh khối lớp phủ rừng trên mặt đất của tỉnh Hòa Bình

- Tổng quan về phương pháp viễn thám (quang học và siêu cao tần)

để đánh giá, lựa chọn phương pháp và dữ liệu thích hợp cho nghiên cứu sinh khối rừng ở Việt Nam;

- Cơ sở khoa học của xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng dữ liệu viễn thám RADAR

- Mối quan hệ giữa tán xạ RADAR và đặc điểm tự nhiên tỉnh Hòa Bình

- Thử nghiệm xác định sinh khối rừng trên mặt đất tại tỉnh Hòa Bình

sử dụng dữ liệu ENVISAT ASAR và ALOS PALSAR;

- Kiểm chứng kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất từ dữ liệu viễn thám siêu cao tần bằng các dữ liệu đối sánh;

- Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm và phương pháp tính sinh khối rừng trên mặt đất bằng dữ liệu viễn thám RADAR

13

3 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ được đặt ra trong Luận án, các phương pháp nghiên cứu sau được áp dụng:

- Phương pháp viễn thám: Trong đề tài phương pháp viễn thám sử

dụng để thu thập các thông tin lớp phủ thực vật, cụ thể ở đây là sinh khối rừng trên mặt đất thông qua các giá trị tán xạ ngược đo được trên ảnh RADAR

- Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích dữ liệu: Thu thập,

tổng hợp, phân tích nhằm kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có ở trong cũng như ngoài nước giúp định hướng trong công tác nghiên cứu, chọn lọc giảm tối đa sự trùng lặp trong nghiên cứu cũng như khối lượng công việc cần thực hiện

- Phương pháp mô hình: Các giá trị đo được trên ảnh, thuộc tính cần

xác định của lớp phủ thực vật, và các đại lượng đo thực địa thường

có một mối liên hệ toán học nhất định Việc mô hình hóa mối liên

hệ này có thể xác định được giá trị sinh khối thông qua các đại lượng đo trên ảnh

- Phương pháp phân tích thống kê: Phương pháp phân tích thống kê

giúp phân tích mối quan hệ giữa các thuộc tính của các đại lượng đo trên ảnh cũng như các thuộc tính của lớp phủ thực vật từ đó thiết lập mối quan hệ cũng như đánh giá độ chính xác của kết quả tính toán

4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

Về không gian:

Luận án nghiên cứu ứng dụng ảnh RADAR cho xác định sinh khối rừng trên địa bàn tỉnh Hòa Bình

14

Về thời gian:

Luận án nghiên cứu dựa trên dữ liệu năm 2009, trên địa bàn tỉnh Hòa Bình, thời điểm có đồng bộ về mặt thời gian giữa dữ liệu ảnh viễn thám RADAR, dữ liệu ô tiêu chuẩn và dữ liệu bản đồ hiện trạng rừng

Về đối tượng nghiên cứu:

- Sinh khối rừng trên mặt đất;

- Đặc tính kỹ thuật của viễn thám RADAR;

- Đặc tính tương tác tia RADAR với lớp phủ rừng;

- Phương pháp tính sinh khối rừng trên mặt đất

5 Điểm mới của Luận án

- 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 rừng trên mặt đất

- Xác định được ngưỡng bão hòa của tán xạ ngược trên ảnh RADAR đối với sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hòa Bình

- Kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất bằng dữ liệu viễn thám siêu cao tần cho đối tượng đặc thù là rừng tỉnh Hòa Bình

6 Luận điểm bảo vệ

- Sử dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần với các phương thức phân cực HH, HV cho phép xác định sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hòa Bình với độ tin cậy cao

- Phối hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau sẽ góp phần tăng

độ chính xác trong tính sinh khối rừng trên mặt đất sử dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần

có cơ sở khoa học, thực tiễn vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn điều tra đánh giá sinh khối rừng ở nước ta Kết quả nghiên cứu của luận án đã xác lập được cơ sở khoa học và phương pháp luận sử dụng dữ liệu phân cực và cấu hình chụp ảnh khác nhau của dữ liệu viễn thám RADAR trong tính sinh khối trên mặt đất của rừng

Ý nghĩa thực tiễn

Ý nghĩa thực tiễn của luận án là góp phần khẳng định được khả năng xác định sinh khối rừng từ ảnh RADAR ở Việt Nam Hệ thống tư liệu và quan điểm khoa học của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo tốt cho những nghiên cứu trong lập bản đồ rừng, trong viễn thám và GIS nói chung Bản đồ phân bố sinh khối rừng của luận án có thể được sử dụng làm tư liệu tham khảo trong xây dựng quy hoạch, kế hoạch bảo vệ và phát triển ở địa phương Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án sẽ góp phần phát triển những phương pháp điều tra rừng, giám sát biến động tài nguyên rừng từ ảnh với chi phí thấp ở Việt Nam

Chương này cũng đề cập đến vấn đề ứng dụng công nghệ viễn thám trong xác định sinh khối, nhằm khái quát hóa về ứng dụng công nghệ này trong xác định sinh khối rừng ở Việt Nam và trên thế giới, đồng thời chỉ ra những hạn chế và ưu việt của công nghệ, dữ liệu viễn thám sử dụng để xác định sinh khối trên mặt đất của rừng, trong đó, nhấn mạnh nghiên cứu tổng quan về công nghệ viễn thám RADAR trong xác định sinh khối rừng trên thế giới, từ đó lựa chọn phương pháp, dữ liệu thích hợp trong việc ứng dụng viễn thám RADAR trong xác định sinh khối trên mặt đất đối với rừng ở Việt Nam nói chung và sinh khối trên mặt đất tỉnh Hòa Bình nói riêng

1.1 Sinh khối thực vật

Vấn đề biến đổi khí hậu đang được nhiều nước trên thế giới và các tổ chức quốc tế quan tâm, đặc biệt là sau khi có Nghị định thư KYOTO và các hội nghị tiếp theo ở BALI Indonesia, Copenhagen Đan Mạch, vấn đề nóng lên của trái đất đang được quan tâm rộng rãi, các nhà khoa học trên thế giới đang tìm kiếm các giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của con người đến quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu Một trong những giải pháp quan trọng được đề cập đến đó là bảo tồn và phát triển rừng, vì các hoạt động chặt phá rừng, suy thoái rừng đang diễn ra mạnh mẽ nhất là tại các nước đang phát triển, hành động

17

này đã làm tăng đến 17% lượng khí nhà kính và 20% khí thải các bon [76] Nghị định thư KYOTO đã mở ra triển vọng cho một số nước đang phát triển có thể đóng góp vào việc giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu thông qua việc tài trợ cho hoạt động bảo vệ rừng, trồng rừng tại các nước đang phát triển [100] Các cuộc họp đa phương (Conference of the parties-COP) tại Montreal (COP 11), Bali (COP 13) luôn nhấn mạnh đến việc tìm giải pháp chống tàn phá và suy thoái rừng, đặc biệt COP 15 tại Copenhagen các nước phát triển dẫn đầu là Australia, Pháp, Nhật Bản, Na uy, Vương quốc Anh, và hoa Kỳ đã cam kết hỗ trợ 3,5 tỷ USD cho chương trình giảm phát thải thông qua chống chặt phá rừng và suy thoái rừng (REED+) [43, 76]

Việt Nam cũng là một trong số nước được thế giới quan tâm ủng hộ việc xây dựng các dự án kêu gọi hỗ trợ của các tổ chức quốc tế thông qua Chương trình REDD+, tuy nhiên việc xác định trữ lượng sinh khối và trữ lượng các bon của rừng đang gặp khó khăn do các số liệu điều tra và đánh giá rừng hiện

có nhất là tại các nước đang phát triển vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu làm cơ

sở để tính toán lượng sinh khối cũng như các bon được trữ trong rừng thông qua các hoạt động trồng và bảo vệ rừng [101] Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp mới trong việc đánh giá sinh khối rừng đang là vấn đề bức thiết hiện nay không chỉ đối với Việt Nam mà còn trên thế giới nhất là với các nước ở khu vực nhiệt đới có lớp phủ thực vật đa dạng về mặt sinh thái rừng như Việt Nam

1.1.1 Khái niệm sinh khối thực vật

Sinh khối thực vật được hiểu là khối lượng các vật chất hữu cơ còn sống hay đã chết của thực vật có thể chưa khô (sinh khối tươi), tuy nhiên phổ biến được hiểu là trọng lượng khô của thực vật Sinh khối thực vật được hình thành, tích lũy thông qua quá trình quang hợp, cây sử dụng năng lượng từ ánh

18

sáng mặt trời để biến khí các bon ních trong khí quyển thành các thành phần của cây như rễ, thân, cành, lá [59]

Hình 1 1: Các thành phần sinh khối của thực vật

Theo Brown, 1997 [24] sinh khối thực vật được định nghĩa là tất cả các thành phần sống của thực vật ở trên mặt và dưới mặt đất cả cây bụi, cây non, bao gồm cành, lá, vỏ cây và các thực vật đã chết (Hình 1.1) và được biểu thị bằng đơn vị là tấn hoặc megagram Sinh khối thực vật bao gồm [22]:

- Sinh khối trên bề mặt đất: Tất cả những phần sinh khối đang sống phía trên mặt đất như: gốc cây, thân cây, cành, vỏ, hạt và lá

- Sinh khối dưới bề mặt đất: Tất cả những phần sinh khối sống bên dưới mặt đất (rễ cây)

- Khối vật chất hữu cơ đã chết: Gồm tất cả các thành phần gỗ đã chết

19

cả đang đứng hoặc nằm trên mặt đất hay trong lòng đất như: rễ cây, gốc cây có kích thước đường kính lớn hơn 10 cm và dài hơn 1 m

- Rác vụn: Gồm các thành phần đã chết có đường kính nhỏ hơn đường kính tối thiểu được lựa chọn theo tiêu chí của từng quốc gia (thông thường có kích thước 10 cm), đang trong các trạng thái phân hủy khác nhau bên trên bề mặt đất hữu cơ

Việc tính sinh khối rừng dưới mặt đất là hết sức khó khăn nên phần lớn các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào ước tính sinh khối rừng trên bề mặt đất, sinh khối dưới bề mặt đất sẽ được ước tính gián tiếp thông qua sinh khối trên

bề mặt đất [22, 67] Trong nghiên cứu này, chỉ xác định thành phần sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng

1.1.2 Lượng hóa sinh khối cá thể thực vật

Lượng hóa sinh khối cá thể thực vật là phương pháp có độ chính xác cao nhất, tuy nhiên đây là phương pháp đo đạc ngoài thực địa nên đòi hỏi nhiều thời gian cũng như chi phí cao, thường chỉ áp dụng cho các diện tích nhỏ thường là đo đạc các ô mẫu Để tính sinh khối của từng cá thể có hai phương pháp là phương pháp phá hủy (destructive method) và phương pháp không phá hủy [104]

Phương pháp phá hủy, để tính sinh khối của cây người ta lấy tất cả rễ, cành và lá cho vào trong lò sấy với nhiệt độ từ 60 đến 80 độ C cho tới khi trọng lượng các thành phần của cây không thay đổi thì tính là sinh khối khô của cây Phương pháp này có một số các hạn chế, thứ nhất đó là việc chặt cây, cắt thành khúc và xác định khối lượng của các cây lớn là hết sức khó khăn và tốn kém, kế nữa việc đào lấy rễ của cây cũng là vấn đề hết sức khó khăn và cuối cùng đây là phương pháp cần phải hủy hoại cây Với các hạn chế nêu trên, phương pháp này rất hạn chế sử dụng và chỉ áp dụng trên quy mô nhỏ

AB (t/ha) = VOB * WD * BEF (1 1)

trong đó:

- AB là sinh khối trên mặt đất (tấn/ha);

- VOB là thể tích của cây tính cả vỏ (volum over bark of tree),

=∝ + × × , trong đó và hệ số, D là đường kính ngang ngực, H là chiều cao cây; trong trường hợp không có hệ số

và thì thể tích cây có thể rút gọn bằng công thức VOB = 0,42

x B x H, trong đó B là diện tích mặt cắt cây tại vị trí ngang ngực;

- WD là trọng lượng khô trung bình của một đơn vị thể tích gỗ thông thường tính bằng đơn vị tấn/m3 Theo Rayes trong [24] giá trị này lấy theo vùng Ví dụ: WD có giá trị tương ứng là 0,58, 0,60 và 0,57 đối với châu Phi, châu Âu và châu Á;

- BEF là thông số phụ trội sinh khối Thông thường, khi xác định sinh khối trên một đơn vị diện tích chỉ đo cây có đường kính lớn hơn 5 cm nên giá trị sinh khối được tính thường nhỏ hơn sinh khối thực tế do có nhiều cây không được kiểm kê, BEF có giá trị dao động trong khoảng 1,05 đến 1,3

Luật Bảo vệ và Phát triển rừng năm 2004 có đưa ra định nghĩa về rừng

như sau: “Rừng là một hệ sinh thái bao gồm quần thể thực vật rừng, động vật

rừng, vi sinh vật rừng, đất rừng và các yếu tố môi trường khác, trong đó cây

gỗ, tre nứa hoặc hệ thực vật đặc trưng là thành phần chính có độ che phủ của tán rừng từ 0,1 trở lên Rừng gồm rừng trồng và rừng tự nhiên trên đất rừng sản xuất, đất rừng phòng hộ, đất rừng đặc dụng" [8]

Tuy nhiên, định nghĩa này khó sử dụng vì nó không đưa ra các tiêu chí

rõ ràng về rừng, chiều cao của cây rừng Hơn nữa, với việc xác định diện tích đất có độ che phủ rừng từ 10% trở lên được coi là rừng thì các diện tích đất trống đồi núi trọc cây trồng phân tán hoặc không có rừng có thể được gọi là rừng Với cách phân loại như vậy thì sẽ rất khó quản lý và bảo vệ rừng [1] Tiêu chuẩn quốc tế không yêu cầu các quốc gia phải sử dụng các tiêu chí xác định rừng thống nhất mà mỗi nước có thể áp dụng các tiêu chí phù hợp nhất với quốc gia đó Do vậy, Việt Nam theo Nghị định số 34/2009/TT-BNNPTNT ngày 10 tháng 6 năm 2004 chỉ rõ một đối tượng được xác định là rừng nếu đạt được cả 3 tiêu chí sau:

1 Là một hệ sinh thái, trong đó thành phần chính là các loài cây lâu năm thân

gỗ, cau dừa có chiều cao vút ngọn từ 5,0 mét trở lên (trừ rừng mới trồng và một số loài cây rừng ngập mặn ven biển), tre nứa,…có khả năng cung cấp gỗ, lâm sản

22

ngoài gỗ và các giá trị trực tiếp và gián tiếp khác như bảo tồn đa dạng sinh học, bảo vệ môi trường và cảnh quan Rừng mới trồng các loài cây thân gỗ và rừng mới tái sinh sau khai thác rừng trồng có chiều cao trung bình trên 1,5 m đối với loài cây sinh trưởng chậm, trên 3,0 m đối với loài cây sinh trưởng nhanh và mật độ từ 1 000 cây/ha trở lên được coi là rừng Các hệ sinh thái nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản

có rải rác một số cây lâu năm là cây thân gỗ, tre nứa, cau dừa,… không được coi là rừng

2 Độ tàn che của tán cây là thành phần chính của rừng phải từ 0,1 trở lên

3 Diện tích liền khoảnh tối thiểu từ 0,5 ha trở lên, nếu là dải cây rừng phải có chiều rộng tối thiểu 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.

1.2.2 Tổng quan rừng Việt Nam

Việt Nam nếu không kể vùng biển có diện tích hơn 330.000 km², nằm ở 102º 08' - 109º 28' độ Kinh Đông và 8º 02' - 23º 23' độ Vĩ Bắc, tiếp giáp với Trung Quốc ở phía Bắc, với Lào và Căm-pu-chia ở phía Tây, phía Đông giáp biển Đông

Địa hình Việt Nam đa dạng với đồi núi, đồng bằng, bờ biển và thềm lục địa, phản ánh lịch sử phát triển địa chất, địa hình lâu dài trong môi trường gió mùa, nóng ẩm, phong hóa mạnh mẽ Địa hình thấp dần theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, được thể hiện rõ qua hướng chảy của các dòng sông lớn Đồi núi chiếm tới 3/4 diện tích lãnh thổ tạo thành một cánh cung lớn hướng ra Biển Đông, chạy dài 1.400 km, từ Tây Bắc tới Đông Nam Bộ Đồng bằng chỉ chiếm 1/4 diện tích trên đất liền và bị đồi núi ngăn cách thành nhiều khu vực Việt Nam nằm trong vành đai nội chí tuyến, quanh năm có nhiệt độ cao

và độ ẩm lớn Phía Bắc chịu ảnh hưởng của lục địa Trung Hoa nên ít nhiều mang tính khí hậu lục địa Biển Đông ảnh hưởng sâu sắc đến tính chất nhiệt đới gió mùa ẩm của đất liền Khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm không thuần nhất

23

trên toàn lãnh thổ Việt Nam, hình thành nên các miền và vùng khí hậu khác nhau rõ rệt Khí hậu Việt Nam thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên cao, từ Bắc vào Nam và từ Đông sang Tây Nhiệt độ trung bình tại Việt Nam dao động từ 21ºC đến 27ºC và tăng dần từ Bắc vào Nam Việt Nam có lượng bức xạ mặt trời rất lớn với số giờ nắng từ 1.400 - 3.000 giờ/năm Lượng mưa trung bình hàng năm từ 1.500 đến 2.000 mm, độ ẩm không khí trên dưới 80%

Từ góc độ sinh thái lâm nghiệp, Việt Nam được chia thành 8 vùng, đó là: Tây Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng sông Hồng, Bắc Trung bộ, Nam Trung bộ, Tây Nguyên, Đông Nam bộ và Tây Nam Bộ [1] Hệ sinh thái của Việt Nam giàu và có tính đa dạng cao vào bậc nhất thế giới với nhiều kiểu rừng, đầm lầy, sông suối, rạn san hô giàu và đẹp, tạo nên môi trường sống cho khoảng 10% tổng số loại chim và thú trên toàn cầu Nhiều loài động, thực vật độc đáo của Việt Nam không có ở nơi nào khác trên thế giới, đã khiến cho Việt Nam trở thành nơi tốt nhất, trong một số trường hợp là nơi duy nhất để bảo tồn các loài đó

Theo Nguyễn Nghĩa Thìn [10], nước ta có khoảng 11.373 loài thực vật thuộc 2.524 chi và 378 họ Các nhà thực vật học dự đoán con số loài thực vật

ở nước ta còn có thể lên đến 15.000 loài Trong các loài cây nói trên có khoảng 7.000 loài thực vật có mạch, số loài thực vật đặc hữu của Việt Nam chiếm khoảng 30% tổng số loài thực vật ở miền Bắc và chiếm khoảng 25% tổng số loài thực vật trên toàn quốc, có ít nhất 1.000 loài cây đạt kích thước lớn, 354 loài cây có thể dùng để sản xuất gỗ thương phẩm Các loài tre nứa ở Việt Nam cũng rất phong phú, trong đó có ít nhất 40 loài có giá trị thương mại Sự phong phú về loài cây đã mang lại cho rừng Việt Nam những giá trị

to lớn về kinh tế và khoa học [4]

Thái Văn Trừng [12] đã căn cứ vào quan điểm sinh thái phát sinh quần thể thực vật để phân loại thảm thực vật rừng Việt Nam Tư tưởng học thuật

24

của quan điểm này là trong một môi trường sinh thái cụ thể chỉ có thể xuất hiện một kiểu thảm thực vật nguyên sinh nhất định Trong môi trường sinh thái đó, có 5 nhóm nhân tố sinh thái phát sinh ảnh hưởng quyết định đến tổ thành loài cây rừng, hình thái, cấu trúc và hình thành nên những kiểu thảm thực vật rừng tương ứng Căn cứ vào cơ sở lí luận trên, Thái Văn Trừng [12]

đã phân loại thảm thực vật rừng Việt Nam thành 14 kiểu thảm thực vật có trên đất lâm nghiệp như sau:

a) Các kiểu rừng kín vùng thấp:

1 Kiểu rừng kín thường xanh, mưa ẩm nhiệt đới

2 Kiểu rừng kín nửa rụng lá, ẩm nhiệt đới

3 Kiểu rừng kín rụng lá, hơi ẩm nhiệt đới

4 Kiểu rừng kín lá cứng, hơi khô nhiệt đới

b) Các kiểu rừng thưa:

5 Kiểu rừng thưa cây lá rộng, hơi khô nhiệt đới

6 Kiểu rừng thưa cây lá kim, hơi khô nhiệt đới

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

c) Các kiểu trảng truông:

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

9 Kiểu trảng truông bụi gai, hạn nhiệt đới

d) Các kiểu rừng kín vùng cao:

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

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

12 Kiểu rừng kín cây lá kim, ẩm ôn đới ấm núi vừa

e) Các kiểu quần hệ khô lạnh vùng cao:

13 Kiểu quần hệ khô vùng cao

14 Kiểu quần hệ lạnh vùng cao

25

Trong mỗi kiểu thảm thực vật lại chia thành các kiểu phụ miền (phụ thuộc vào tổ thành thực vật), kiểu phụ thổ nhưỡng (phụ thuộc vào điều kiện đất), kiểu phụ nhân tác (phụ thuộc vào tác động của con người) và trong mỗi kiểu phụ đó tuỳ theo độ ưu thế của loài cây mà hình thành nên những phức hợp, ưu hợp và quần hợp tự nhiên khác nhau Như vậy, bức tranh hệ sinh thái rừng nước ta rất đa dạng và phong phú [4]

Do việc quản lý sử dụng chưa bền vững và nhu cầu rất lớn về khai hoang đất rừng và lâm sản cho phát triển kinh tế - xã hội, nên diện tích và chất lượng rừng trong nhiều năm trở lại đây biến động rất lớn (bảng 1.1) Năm 1943, Việt Nam có 14,3 triệu ha rừng, độ che phủ là 43%, đến năm 1990 chỉ còn 9,18 triệu ha, độ che phủ rừng 27,2% Sau năm 1990, Nhà nước đã có nhiều chính sách hỗ trợ trồng rừng, bảo tồn rừng nên rừng nước ta đã dần hồi phục, đến năm 2006, diện tích rừng toàn quốc là 12,874 triệu ha, trong đó 10,410 triệu

ha rừng tự nhiên và 2,464 triệu ha rừng trồng, độ che phủ đạt 38% [2]

Bảng 1 1: Xu hướng biến động rừng Việt Nam giai đoạn 1943-2006

Năm

Diện tích (nghìn ha)

Độ che phủ (%) Rừng tự

26

Năm

Diện tích (nghìn ha)

Độ che phủ (%) Rừng tự

đồ gỗ tăng gấp 2 lần trong giai đoạn 2005 - 2009 đạt 3,9 tỷ USD vào năm 2010 [2]

Bảng 1 2: So sánh một số chỉ tiêu rừng Việt Nam và thế giới

Tỷ lệ diện tích trên đầu người ha/người 0,62 0,15

Trữ lượng gỗ m3 /ha 110,00 76,50 (rừng tự nhiên)

40,60 (rừng trồng)

27

Trữ lượng gỗ trên đầu người m3/người 70,00 8,40

Nguồn:[42]

Mặc dù có nhiều thành tựu trong khôi phục, bảo vệ và phát triển rừng trong những năm qua, vẫn còn nhiều hạn chế và thách thức Bảng 1.2 cho thấy, với vốn rừng hiện có, chỉ tiêu bình quân diện tích rừng hiện nay ở Việt Nam là 0,15 ha/người và khối lượng gỗ là 8,4 m3/người, thuộc loại thấp so với chỉ tiêu bình quân của thế giới là 0,62 ha/người và 70 m3/người, trong khi đó

do nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội tạo nên sức ép đối với rừng ngày một gia tăng Diện tích rừng lớn nhưng trữ lượng gỗ thấp khoảng 75 m3/ha so với bình quân của thế giới là 110 m3/ha [33, 42] Diện tích rừng tuy có tăng nhưng chất lượng và tính đa dạng sinh học rừng tự nhiên ở nhiều nơi vẫn tiếp tục bị suy giảm Trong giai đoạn 1999-2005, diện tích rừng tự nhiên giàu giảm 10,2%, rừng trung bình giảm 13,4%; trong khi đó, diện tích rừng phục hồi tăng 20,7%, rừng trồng tăng 50,8% [1-2]

1.2.3 Công tác kiểm kê rừng ở Việt Nam

Công tác điều tra, đánh giá rừng ở nước ta đã được thực hiện từ rất lâu với các số liệu lịch sử toàn diện, số liệu điều tra đánh giá rừng đầu tiên có từ thời Pháp thuộc năm 1943 Sau khi giành độc lập, Đảng và Nhà nước Việt Nam cũng rất chú trọng đến công tác điều tra và đánh giá rừng và đến nay công tác này đã được thực hiện thường xuyên với tần suất 5 năm 1 lần

Trước khi thống nhất đất nước, công tác điều tra rừng chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thực địa với quy mô nhỏ, phục vụ cho công tác khai thác rừng, kết quả của công tác điều tra rừng là bản đồ in [3] Sau khi thông nhất đất nước, công tác điều tra đánh giá rừng được thực hiện một cách cơ bản và toàn diện hơn Với sự hỗ trợ kinh phí của Tổ chức nông lương thế giới,

28

vào những năm 80, Viện Điều tra Quy hoạch rừng đã thực hiện công tác điều tra rừng trong thời gian 4 năm, kết quả, đã thành lập được bản đồ rừng trên toàn quốc Đây là những thông tin cơ bản về rừng đầu tiên, đồng bộ trên toàn

bộ diện tích đất liền của Việt Nam [3]

Phát huy thành tựu của đợt điều tra, đánh giá rừng này, Bộ Nông nghiệp

và Phát triển Nông thôn đã tiến hành điều tra, đánh giá rừng với chu kỳ 5 năm một lần Chu kỳ I (1991-1995), sử dụng dữ liệu viễn thám Landsat MSS và Landsat TM ở dạng ảnh in màu trên giấy ảnh tỷ lệ 1: 250.000 Các kiểm kê viên giải đoán đối tượng rừng trực tiếp trên ảnh bằng phương pháp thủ công, kết quả giải đoán được chuyển hoạ lên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 [3]

Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng chu kỳ II (1996 -2000) được thực hiện trên cơ sở giải đoán ảnh vệ tinh Spot 3, Spot 4, ảnh toàn sắc có độ phân giải 10 m, độ phân giải kênh đa phổ là 20 m Công tác giải đoán vẫn được thực hiện bằng phương pháp thủ công, bản đồ được xây dựng là bản đồ hiện trạng rừng ở tỷ lệ 1/250.000 trên bình diện vùng và 1/1.000.000 phủ trùm toàn quốc Công tác xác định diện tích rừng được đếm bằng lưới ô vuông trên bản đồ Công tác điều tra cây rừng vẫn thực hiện bằng các biện pháp thủ công xác định hệ thống ô điều tra dựa trên những đặc điểm tự nhiên ngoài thực địa và đo đạc xác định hướng tuyến dẫn [1]

Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc Chu kỳ III (2001-2005), đã hoàn thành xây dựng bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng được thực hiện trên cơ sở giải đoán ảnh vệ tinh Landsat ETM Giải đoán ảnh vẫn được thực hiện bằng phương pháp thủ công tuy nhiên công nghệ số đã bắt đầu được áp dụng thay thế cho phương pháp tương

tự Công tác đo đếm cây rừng tại ô tiêu chuẩn thực hiện bằng phương pháp thủ công, tuy nhiên việc xác định tọa độ ô điều tra bằng công nghệ định vị toàn cầu (GPS) Do vậy, tình trạng tâm ô đo đếm sai so với thiết kế ban đầu

29

không còn nữa Công tác xác định diện tích rừng được đếm trên máy, cho nên

độ chính xác tăng lên rất nhiều Sản phẩm của Chương trình là bản đồ hiện trạng rừng ở tỷ lệ 1/100.000 cho từng tỉnh, tỷ lệ 1/250.000 cho vùng và tỷ lệ 1/1.000.000 cho toàn quốc [1]

Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng chu kỳ IV (2006 -2010), sử dụng dữ liệu viễn thám Spot 5 với độ phân giải 2,5 m để giải đoán và xây dựng bản đồ hiện trạng rừng cho 39 tỉnh có diện tích rừng lớn của Việt Nam Công nghệ Hệ thông tin địa lý với sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng như ArcInfo, MapInfor đã được sử dụng trong công tác thành lập bản đồ hiện trạng rừng Việc áp dụng công nghệ mới góp phần làm tăng đáng kể chất lượng của công tác điều tra, đánh giá tài nguyên rừng Hơn thế nữa, tiến độ của công tác điều tra, đánh giá tài nguyên rừng đã được đẩy nhanh hơn nhiều so với các chu kỳ trước Kết quả của chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng Chu kỳ IV là bản đồ hiện trạng rừng cấp xã ở tỷ lệ 1/25.000, cấp huyện ở tỷ lệ 1/50.000, cấp tỉnh 1/100.000, cấp vùng tỷ lệ 1/250.000 cho 39 tỉnh có diện tích lớn trên lãnh thổ Việt Nam [3]

Có thể thấy công tác điều tra đánh giá tài nguyên rừng ở Việt Nam đã tiến bộ qua từng thời kỳ, sản phẩm của chương trình khá phong phú gồm số liệu tài nguyên rừng trong toàn quốc, các vùng và các tỉnh; báo cáo thuyết minh và bản đồ sinh thái thảm thực vật rừng, báo cáo và bản đồ dạng đất đai; báo cáo lâm học và khu hệ thực vật rừng các vùng; báo cáo về tài nguyên động vật rừng các vùng; báo cáo tình hình sâu bệnh hại rừng trồng các vùng; báo cáo về một số đặc sản chủ yếu rừng Việt Nam

Tuy nhiên, một trong các số liệu quan trọng cần cung cấp cho FAO là tổng lượng sinh khối rừng Việt Nam vẫn chưa được đề cập đến trong Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng quốc gia, số

30

liệu này được tính toán dựa trên số liệu về sản lượng rừng và công thức chuyển đổi từ sản lượng sang sinh khối theo chỉ dẫn của IPCC Như vậy có thể thấy việc tính toán trực tiếp sinh khối rừng là hạn chế lớn của Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng quốc gia [33]

1.2.4 Một số nhận xét về đặc điểm rừng Việt Nam

Với hình thể hẹp trải dài theo kinh tuyến nên khí hậu rất khác biệt giữa các vùng miền, địa hình có độ cao thay đổi lớn từ 0 m đến hơn 3.000 m, cho nên hệ sinh thái rừng nước ta hết sức phong phú, với các hệ sinh thái khác biệt theo vành đai độ cao và vành đai vĩ tuyến [12]

Rừng nước ta có độ che phủ lớn (38%), phân bố chủ yếu ở khu vực trung du và núi cao Trữ lượng gỗ của rừng của nước ta là không cao với 76,5

m3/ha đối với rừng thường xanh và 40,6 m3/ha đối với rừng trồng là thấp hơn rất nhiều so con số trung bình trữ lượng gỗ rừng của thế giới với 110 m3/ha

Với đặc điểm chính nêu trên của thảm phủ rừng, có thể thấy việc ứng dụng viễn thám siêu cao tần để xác định sinh khối rừng trên mặt đất ở nước ta

có những thuận lợi và khó khăn nhất định

a) Trữ lượng rừng không cao, nên việc ứng dụng viễn thám siêu cao tần trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất sẽ ít gặp hiện tượng bão hòa nhất là khi sử dụng dữ liệu viễn thám RADAR bước sóng dài b) Rừng nước ta phân bố chủ yếu trên khu vực miền núi và trung du, nên cần quan tâm đến loại bỏ ảnh hưởng của địa hình đến giá trị tán xạ trên ảnh, vị trí điểm ảnh khi xử lý ảnh RADAR

c) Hệ sinh thái rừng phong phú, và các điều kiện thổ nhưỡng khác biệt

có thể ảnh hưởng đến độ chính xác xác định sinh khối trên mặt đất sử dụng dữ liệu viễn thám RADAR

31

1.3 Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối rừng 1.3.1 Nghiên cứu, ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối rừng trên thế giới

Việc ứng dụng viễn thám để xác định sinh khối rừng trên mặt đất đã được nghiên cứu, ứng dụng khá rộng rãi trên thế giới Nếu căn cứ vào dữ liệu

sử dụng, có thể chia phương pháp xác định sinh khối rừng trên mặt đất làm 3 loại chính:

- Ứng dụng dữ liệu viễn thám quang học;

- Ứng dụng dữ liệu bay quét lidar;

- Ứng dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần (viễn thám RADAR) 1.3.1.1 Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám

quang học Việc nghiên cứu, ứng dụng dữ liệu viễn thám quang học để tính sinh khối rừng trên mặt đất đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong đó

có Việt Nam Căn cứ theo độ phân giải không gian của ảnh có thể phân loại ứng dụng dữ liệu viễn thám quang học trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất thành độ phân giải cao, trung bình và thấp

1 Sử dụng dữ liệu viễn thám độ phân giải cao

Viễn thám hàng không, hay nói cách khác là chụp ảnh trên máy bay được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới trong công tác điều tra khảo sát rừng, đây là phương pháp có lịch sử lâu đời từ cuối những năm 1940 Ảnh chụp trên máy bay được giải đoán để chiết tách thông tin thuộc tính rừng như độ cao cây, đường kính tán, độ phủ tán, diện tích rừng Các thông tin này kết hợp với

số liệu đo thực địa (số liệu đo đạc ô tiêu chuẩn) và sử dụng phương pháp hồi quy để tính sinh khối rừng [30, 97]

Hạn chế của dữ liệu này là phản xạ phổ biến động lớn do bóng của tán

32

cây và bóng của địa hình Điều này có thể dẫn đến sai số lớn cho mô hình tính sinh khối rừng Ngoài ra, dữ liệu lớn (số lượng ảnh, dung lượng dữ liệu) cũng gây khó khăn không nhỏ cho vấn đề để xử lý dữ liệu Điểm hạn chế cuối cùng

là giá thành của dữ liệu cao [67]

Ngày nay, dữ liệu viễn thám vệ tinh độ phân giải cao như Quickbird, Worldview, Geoeyes… được dùng để tính sinh khối rừng thông qua phân tích các thông số sinh lý của cá thể thực vật như cấu trúc cây và cấu trúc tán cây [65] Các phương pháp chiết tách thông số sinh lý của cá thể thực vật gồm các thuật toán có dạng từ dưới lên: tách đường bao tán cây nhờ vào bóng tán và hướng của cấu trúc tán cây, hoặc các thuật toán có dạng từ trên xuống liên quan đến việc xác định đỉnh tán cây, điểm thấp nhất của tán cây và nhóm các pixel thuộc mỗi tán [28, 96]

2 Sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải trung bình

Tư liệu ảnh viễn thám độ phân giải trung bình (20 -100 m) như ảnh LANDSAT, ASTER thường được sử dụng trong các nghiên cứu sinh khối lớp phủ rừng đa thời gian nhờ lợi thế của nguồn dữ liệu dồi dào được lưu trữ từ những năm 70 của thế kỷ trước Các thuật toán chính để xác định sinh khối trên mặt đất của rừng sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải trung bình như phương trình hồi quy tuyến tính, K nearest-neighbour, và mạng nơ ron [41, 44, 64]

Các nghiên cứu xác định sinh khối rừng bằng dữ liệu viễn thám quang học độ phân giải trung bình cũng đã có những thành tựu nhất định Foody và cộng sự đã kết luận, phương pháp mạng nơ ron áp dụng tốt trong tính sinh khối rừng trên mặt đất khi dùng ảnh Landsat cho khu vực rừng nhiệt đới ở đảo Borneo [41] Một số nghiên cứu ở Phần Lan, Thụy Điển dùng ảnh Landsat để tính khối lượng gỗ và sinh khối rừng trên mặt đất bằng phương pháp K nearest-neighbour [44] Nelson đã phân tích tuổi rừng tái sinh và tính

Phân tích cấu trúc ảnh là phương pháp thường được dùng trong xác định tính sinh khối trên mặt đất Một số nghiên cứu còn kết hợp các kỹ thuật chiết tách thông tin phổ và cấu trúc ảnh để làm tăng độ chính xác của phân tích các thông số rừng Nghiên cứu ở vùng rừng nhiệt đới Amazon của Brazil cho thấy đối với kiểu rừng có cấu trúc phức tạp thì phương pháp phân tích cấu trúc ảnh

để tính sinh khối bề mặt đất tốt hơn so với sử dụng phản xạ phổ trên ảnh Trong khi đó, sử dụng phản xạ phổ lại có ưu điểm hơn phương pháp phân tích cấu trúc ảnh trong trường hợp nghiên cứu rừng có cấu trúc tương đối đơn giản Các nghiên cứu theo phương pháp này đến nay vẫn chưa tìm ra một quy ước chung để xác định phương pháp phân tích, kích thước cửa sổ lọc ảnh, và

số kênh ảnh cần thiết trong mỗi vùng nghiên cứu đặc trưng [67]

Sử dụng ảnh viễn thám quang học để tính sinh khối rừng trên mặt đất cũng gặp vấn đề bão hòa dữ liệu khi sinh khối rừng đạt 15 kg/m2 hoặc tuổi

34

rừng đạt 15 năm ở những cánh rừng thứ sinh nhiệt đới [67, 94] Cấu trúc phức tạp của rừng, tính phức tạp của môi trường, ảnh hưởng của bóng tán và bóng địa hình là các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả tính toán sinh khối rừng trên mặt đất [67]

3 Ảnh viễn thám độ phân giải không gian thấp

Ảnh viễn thám độ phân giải thấp như AVHRR hay MODIS cũng thường được sử dụng trong nghiên cứu sinh khối rừng trên bình diện quốc gia, khu vực, hay toàn cầu Tư liệu ảnh AVHRR là một nguồn tư liệu cơ sở của các nghiên cứu quy mô rộng, vì dạng tư liệu này cân đối được các yêu cầu về độ phân giải không gian, độ bao phủ của ảnh và tần suất thu nhận Ảnh chỉ số thực vật của AVHRR được dùng để ước tính mật độ sinh khối và đánh giá khu vực xảy ra cháy rừng, năng lượng sinh khối khi bị đốt cháy và lượng khí phát thải [19, 32]

Xét một cách toàn diện, xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng ảnh viễn thám độ phân giải thấp còn nhiều hạn chế do hiện tượng lẫn pixel (một điểm ảnh chứa quá nhiều thông tin như dân cư, mặt nước, đất canh tác ) Mặt khác, dữ liệu vùng đo thực địa và kích thước pixel ảnh khác biệt lớn nên khó tích hợp các mẫu điều tra thực địa với biến số của ảnh viễn thám [48]

1.3.1.2 Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám lidar

Dữ liệu lidar (hay còn gọi là laser) cũng được ứng dụng trong nghiên cứu sinh khối Lefsky và cộng sự 1999 đã thử nghiệm tính sinh khối rừng rụng lá theo mùa ở Maryland và sinh khối của rừng Linh sam Douglas ở phía Tây Oregon, Hoa Kỳ Từ dữ liệu lidar có thể thu được thông số quan trọng của rừng như độ cao tán rừng, độ rộng tán và các thông số sinh học khác Sinh khối rừng trên mặt đất được xác định thông qua các thông số này [64]

Sử dụng công nghệ lidar để tính toán sinh khối rừng nhìn chung có hai

35

phương pháp, thứ nhất là xác định sinh khối thông qua chỉ số cắt lớp cá thể cây bằng tín hiệu lidar, phương pháp còn lại là xác định cho cả một vùng diện tích rừng

Phương pháp xác định sinh khối cây thông qua các chỉ số cắt lớp cá thể cây dựa trên thuộc tính thu nhận tín hiệu dày đặc của bay quét lidar từ đó có thể xác định các chỉ số chi tiết của cá thể thực vật như độ cao cây, tán cây, vòm lá… từ đó tính sinh khối trên mặt đất của cá thể thực vật được xác định thông qua hàm quan hệ giữa sinh khối cây và các chỉ số xác định được bằng bay quét Lidar [93] Phương pháp này đòi hỏi số chùm tia laser đủ dày để có thể xác định các thông số của cá thể thực vật nên có giá thành cao [23]

Phương pháp sử dụng bay quét lidar để xác định sinh khối thực vật theo vùng Phương pháp này sử dụng bay quét lidar để xác định mô hình số bề mặt (độ cao của tán lá) và mô hình số mặt đất (độ cao bề mặt đất dưới tán lá) từ đó xác định được độ cao của lớp phủ thực vật Thông qua thông số độ cao này xác định sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng [74]

Nhìn chung, sử dụng công nghệ bay quét lidar để xác định sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng cho độ chính xác cao, ngưỡng bão hòa đạt được tới

300 tấn/ha Tuy nhiên, với đặc điểm là sử dụng bay quét hàng không nên giá thành thu thập dữ liệu cao, thời gian, công sức xử lý dữ liệu nhiều

1.3.1.3 Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám

RADAR Với các dấu hiệu ngày càng rõ của biến đổi khí hậu toàn cầu thì nhân loại ngày càng quan tâm đến các tác nhân gây ra biến đổi khí hậu cũng như các biện pháp có thể giảm nhẹ biến đổi khí hậu trong đó có bảo tồn và phát triển rừng Dữ liệu RADAR với các thuộc tính kỹ thuật hết sức phong phú như bước sóng, phân cực, góc chụp cũng như việc thu thập dữ liệu chủ động