Phân tích ảnh viễn thám đánh giá biến thiên thảm thực vật vườn quốc gia tràm chim

Sử dụng ảnh viễn thám trong xác định phân bố thảm phủ thực vật trên mặt đất và đánh giá sự thay đổi phân bố không gian của chúng theo thời gian là một trong những ứng dụng công nghệ tiên

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

  

HỒ THỊ DIỆP THÚY

PHÂN TÍCH ẢNH VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ BIẾN THIÊN THẢM THỰC VẬT

VƯỜN QUỐC GIA TRÀM CHIM

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)

MÃ SỐ NGÀNH: 2.15.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh 10 – 2006

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS Tiến sĩ TRẦN VĨNH PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Ngô An

Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến sĩ Trần Trọng Đức

Luận án thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 22 tháng 01 năm 2007

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin địa lý (GIS) MSSV: 01004277

I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ẢNH VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ BIẾN THIÊN THẢM THỰC VẬT VƯỜN QUỐC GIA TRÀM CHIM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Phân tích ảnh viễn thám, xây dựng khoá giải đoán thảm thực vật vùng đất ngập nước ảnh ASTER

- Thành lập bản đồ thảm thực vật khu bảo tồn đất ngập nước VQG Tràm Chim

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2006

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/10/2006

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS Tiến Sĩ TRẦN VĨNH PHƯỚC

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày 22 tháng 01 năm 2007

Chân thành bày tỏ lòng biết ơn PGS.TS Trần Vĩnh Phước đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn cao học này

Chân thành cảùm ơn quý thầy cô đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học

Chân thành cảm ơn Ban Giám Đốc Sở Khoa Học và Công Nghệ tỉnh Long An đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn Chân thành cảm ơn Thạc Sĩ Lê Phát Quới đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm nghiên cứu quý báu và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Quản lý đào tạo sau đại học, Trung tâm DITAGIS, Khoa Môi trường thuộc trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, Khu Bảo Tồn Vườn Quốc Gia Tràm Chim, Phân Viện Địa lý Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Thương mến gởi tặng thành quả học tập, nghiên cứu của tôi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua Trân trọng!

Hồ Thị Diệp Thúy

Trong lĩnh vực nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên, việc ứng dụng công nghệ viễn thám tích hợp với GIS đã trở thành công nghệ khá phổ biến và hiệu quả Sử dụng ảnh viễn thám trong xác định phân bố thảm phủ thực vật trên mặt đất và đánh giá sự thay đổi phân bố không gian của chúng theo thời gian là một trong những ứng dụng công nghệ tiên tiến mang lại hiệu quả cao Luận văn đã được tiến hành thông qua sử dụng ảnh ASTER đa thời gian (2001-2005) phân loại, đánh giá biến thiên thảm phủ thực vật vùng đất ngập nước Trong điều kiện chịu ảnh hưởng của sự biến động mực nước lũ hàng năm, bước đầu đánh giá xu hướng tương quan giữa một số yếu tố tự nhiên và sự phân bố, phát triển của các thảm thực vật

Nội dung trình bày của luận văn thạc sĩ bao gồm 5 chương:

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nhiệm vụ, nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Giới thiệu tổng quan những vấn đề có liên quan đến nghiên cứu trong nước và trên thế giới

CHƯƠNG II: ẢNH ASTER VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ẢNH VIỄN

THÁM

Nội dung được giới thiệu trong chương này trình bày sơ lược về ảnh ASTER được sử dụng trong nghiên cứu Một số nội dung cơ sở lý thuyết về hệ thống thông tin địa lý, phân tích và giải đoán ảnh viễn thám

VẬT VƯỜN QUỐC GIA TRÀM CHIM

Giới thiệu vùng nghiên cứu, cơ sở dữ liệu, quy trình và phương pháp thực hiện giải đoán, phân loại và thành lập bản đồ thảm phủ thực vật

Đánh giá biến thiên thảm phủ thực vật trong điều kiện chịu ảnh hưởng của sự biến động mực nước lũ hàng năm từ năm 2001 đến năm 2005

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Đánh giá các kết quả đạt được và đưa ra một số thảo luận trong quá trình thực hiện nghiên cứu

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN

Trình bày tóm lược các kết quả đề tài, đề xuất một số phương hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Luận văn đã có những thành công bước đầu sử dụng ảnh ASTER trong phân loại thảm thực vật vùng đất ngập nước Xây dựng cơ sở dữ liệu hữu ích cho việc quản lý và bảo tồn thảm thực vật cho vùng đất ngập nước

LUẬN VĂN CAO HỌC iii

MỤC LỤC

LUẬN VĂN CAO HỌC iv

CHƯƠNG II ẢNH ASTER VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

LUẬN VĂN CAO HỌC v

CHƯƠNG III TÍCH HỢP RS – GIS ĐÁNH GIÁ THAY ĐỔI

LUẬN VĂN CAO HỌC vi

III.3.6 Xây dựng mối tương quan giữa sự phân bố và phát triển

IV.1.1 Khóa dùng trong giải đoán ảnh ASTER và phân loại

IV.1.2 Đánh giá phương pháp phân loại và thành lập bản đồ phân bố

LUẬN VĂN CAO HỌC vii

IV.3 ĐÁNH GIÁ XU HƯỚNG TƯƠNG QUAN CỦA MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN

TỰ NHIÊN, SỰ THAY ĐỔI CHẾ ĐỘ NGẬP LŨ HÀNG NĂM VÀ SỰ PHÂN BỐ

PHỤ LỤC

LUẬN VĂN CAO HỌC viii

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.2: Khả năng phản xạ phổ của các đối tượng khác nhau

Hình 3.1: Vị trí địa lý Vườn Quốc Gia Tràm Chim trong Lưu vực

Hình 3.9: Bản đồ phân bố các điểm khảo sát trong khu vực

LUẬN VĂN CAO HỌC ix

Hình 4.6: Bản đồ phát hiện thay đổi phân bố thảm thực vật

LUẬN VĂN CAO HỌC x

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1: Khoá dùng trong giải đoán ảnh ASTER 2005

Bảng 4.2: Khoá dùng trong giải đoán ảnh ASTER 2004

Bảng 4.3: Khoá dùng trong giải đoán ảnh ASTER 2001

Bảng 4.10: Ma trận phân tích thay đổi phân bố thảm thực vật

Bảng 4.11: Ma trận phân tích thay đổi phân bố thảm thực vật

LUẬN VĂN CAO HỌC xi

Bảng 4.12: Ma trận phân tích thay đổi phân bố thảm thực vật

Bảng 4.13: Phần trăm diện tích các thảm thực vật thay đổi và

Bảng 4.14: Phần trăm diện tích các thảm thực vật thay đổi và

Bảng 4.15: Phần trăm diện tích các thảm thực vật thay đổi và

Bảng 4.16: Tần số phân bố các thảm thực vật trên từng loại đất trong khu vực

Bảng 4.17: Tần số phân bố các thảm thực vật trên từng khu có mức độ ngập

LUẬN VĂN CAO HỌC xii

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASTER: (The Advanced spaceborne thermal Emission and Reflection Radiometer) ðBSCL: ðồng bằng sơng Cửu Long

ĐTM: Đồng Tháp Mười

GIS: (Geographic Information System) : Hệ thống thông tin địa lý

GPS: (Global Positioning System): Hệ thống định vị toàn cầu

MLC: (Maximum likelihood classifier): Phân loại xác suất lớn nhất

RS: (Remote Sensing): Viễn thám

USGS: (United States Geological Survey)

UTM: Univarsal Tranverse Mecator

VQG: Tràm Chim: Vườn Quốc Gia Tràm Chim

LUẬN VĂN CAO HỌC 1

_

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU

I.1 GIỚI THIỆU

I.1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) ngày nay được ứng dụng khá rộng trong hầu hết các lĩnh vực Trong lĩnh vực nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên việc ứng dụng công nghệ viễn thám tích hợp với GIS (RS-GIS) đã trở thành công nghệ khá phổ biến và hiệu quả Kỹ thuật GIS hỗ trợ việc trực quan hóa các đối tượng một cách cụ thể sinh động và là công cụ phân tích sự thay đổi về mặt định hướng Chức năng tiêu biểu của hệ thống thông tin địa lý là biểu diễn thông tin địa lý bằng máy tính, nhập, lưu trữ, phân tích dữ liệu và cung cấp thông tin cho người sử dụng Với các hệ thống thu thập thông tin đa phổ, đa thời gian, kỹ thuật viễn thám cho phép chúng ta thực hiện công việc thu thập và tổng hợp dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả Đây cũng là phương tiện cho phép chúng

ta tái hiện lại sự hiện diện và phân bố của hiện tượng trong không gian làm cơ sở cho việc định hướng quy hoạch và quản lý

Thông tin viễn thám là một trong những nguồn thông tin đầu vào quan trọng của các hệ thống thông tin địa lý trong xác định hiện trạng và đánh giá các biến động tài nguyên thiên nhiên Ảnh viễn thám cung cấp thông tin chính xác cao, nhanh chóng và có thể xác định ở nhiều thời điểm trong quá khứ Công nghệ xử lý ảnh ngày càng đa dạng phong phú có thể hỗ trợ tốt cho xây dựng nguồn cơ sở dữ liệu

LUẬN VĂN CAO HỌC 2

_ Việc nghiên cứu các phương pháp nhận dạng thông tin từ ảnh viễn thám cũng như việc kết hợp với những loại thông tin khác mang một ý nghĩa ứng dụng rất quan trọng

Một trong những ứng dụng cơ bản của viễn thám là xác định phân bố thảm phủø thực vật trên mặt đất và đánh giá sự thay đổi của chúng theo thời gian Sử dụng viễn thám có những thuận lợi vượt hẵn những phương pháp thành lập bản đồ thực vật truyền thống Nhiều ứng dụng sử dụng ảnh viễn thám đa phổ với độ phân giải khác nhau, tùy thuộc vào mức độ chi tiết yêu cầu, cung cấp thông tin hữu ích trong thành lập bản đồ thực vật

Vùng đất ngập nước Vườn Quốc Gia Tràm Chim (VQG Tràm Chim) – vùng đất ngập nước đầu tiên của ĐBSCL và Việt Nam, là mẫu cảnh quan thu nhỏ còn sót lại của hệ sinh thái đất ngập nước đặc trưng của vùng Đồng Tháp Mười (ĐTM), được đánh giá là vùng mang tính phong phú và đa dạng sinh học trong một không gian rộng lớn tập hợp nhiều quần xã động và thực vật độc đáo Tuy nhiên, trong quá trình phát triển hoạt động của tự nhiên và của con người đã dẫn đến sự suy giảm nguyên trạng của tính đa dạng sinh học trong vùng ĐTM, nghĩa là làm cho lớp phủ thay đổi thường xuyên Việc xây dựng các hệ thống kênh đã chia cắt khu vực tự nhiên thành nhiều mảnh, thay đổi chế độ nước và môi trường sống, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của các thảm thực vật cùng các loài động vật ở Tràm Chim Trong tự nhiên, những loài thực vật thường tập trung thành từng quần xã sống trong một vùng có điều kiện thích hợp với từng loài Có thể hiểu rằng thực vật cùng với đất, nước, địa hình, khí hậu… tạo nên những sinh cảnh, được xem là sự mô tả ngắn gọn, xúc tích nhất về đặc trưng của khu vực, của từng loại sinh cảnh Khi môi trường hay sinh cảnh được mô tả, thực vật là nhân tố chính và là thành phần quan trọng cần thiết cho

LUẬN VĂN CAO HỌC 3

_ sự đa dạng của sinh cảnh ấy Tuy nhiên, những nghiên cứu trước đây về Tràm Chim, có rất ít hoặc chưa xác định được một cách định lượng cũng như sự phân bố trong không gian của các loài thực vật một cách chính xác trong mối tương quan đặc biệt giữa thực vật, nước, đất của khu vực này

Việc thực hiện bảo tồn đa dạng sinh học đất ngập nước là rất thiết thực và tạo một sự cân bằng về sinh thái và phục hồi lại những sinh vật đang mất dần trong vùng Châu thổ Mekông Cần thiết phải theo dõi biến động của lớp phủ thực vật vùng đất ngập nước để biết xu hướng phát triển, từ đó có sự điều chỉnh quản lý và sử dụng thích hợp Để xây dựng cơ sở cho việc sử dụng ảnh viễn thám theo dõi và đánh giá biến thiên thảm thực vật một cách định lượng cho vùng đất ngập nước, ảnh ASTER với độ phân giải không gian tương đối cao (15m) được áp dụng trong bước đầu nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám phân loại và phát hiện thay đổi thảm thực vật vùng đất ngập nước Đề tài “Phân tích ảnh viễn thám đánh giá biến thiên thảm thực vật vườn Quốc Gia Tràm Chim.” được nghiên cứu thực hiện

I.1.2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

I.1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

GIS và RS đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực đặc biệt trong quản lý tài nguyên môi trường Sử dụng ảnh viễn thám và GIS được xem là kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay trong thành lập bản đồ hiện trạng thảm phủ cũng như là cơ sở tin cậy để tái lập lại sự tồn tại và phân bố của các đối tượng cần nghiên cứu Nhiều nghiên cứu trên lĩnh vực xây dựng hiện trạng và đánh giá biến thiên thảm phủ hoặc sử dụng đất được áp dụng trên nhiều loại ảnh khác nhau như Landsat, ASTER, SPOT với những độ phân giải khác nhau, trên ảnh hiện tại hoặc ảnh đa thời gian

LUẬN VĂN CAO HỌC 4

_ Fei Yuan, Kali E Sawaya, Brian C, loeffelholz and Marvin E Bauer (2005), sử dụng ảnh Landsat đa thời gian (trong khoảng 16 năm) đánh giá biến thiên thảm phủ cho khu vực 7 quốc gia vùng Twin Cities Metropolitan phát hiện thay đổi vùng đô thị tăng từ 23,7 – 32,8% và vùng nông thôn các cây trồng, rừng và đất ngập nước giảm 69,6 – 60,5% tổng diện tích vùng Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng dùng ảnh Landsat đa thời gian cung cấp độ chính xác và hiệu quả kinh tế cao (phân loại lên đến 94%) có thể dùng làm nguồn dữ liệu đầu vào để phân tích đề ra những chính sách quản lý đất đai [15]

Trên thế giới GIS và RS cũng được sử dụng phổ biến để xây dụng mô hình sử dụng đất và quan trắc, dự báo các thay đổi các thảm che phủ và địa hình (Elena và cộng sự, 2001; Kok và cộng sự, 2001; McDonalda và cộng sự 2002; Stephenne và Lambin, 2001), so sánh các hệ sinh thái nông nghiệp (Stein và Ettema, 2003), quan sát các sự thay đổi về hệ thống canh tác theo địa hình (Nelson, 2001; Schoorl và Veldkamp, 2001) RS và GIS cung cấp những công cụ mới quản lý hệ sinh thái một cách hoàn thiện Dữ liệu RS không chỉ hỗ trợ phân tích khái quát trái đất mà có thể phát hiện thay đổi ở mức khu vực, vùng và trên toàn cầu ở nhiều thời điểm khác nhau Dữ liệu RS cũng hỗ trợ sự liên kết giữa những nghiên cứu về môi trường sinh thái giữa những vùng quốc gia và quốc tế góp phần quản lý và bảo tồn đa dạng sinh học.[13]

Aûnh viễn thám Landsat đa thời gian đã được sử dụng tại Carroll, ArKansas để nghiên cứu phát hiện sự chuyển đổi diện tích rừng sang đất sản xuất nông nghiệp trong vòng 15 năm (1984 -1999) và ảnh viễn thám 1999 kết hợp với khảo sát đặc

LUẬN VĂN CAO HỌC 5

_ tính đất và độ cao địa hình cũng được sử dụng để xây dựng bản đồ thảm phủ thực vật và bản đồ hiện trạng sử dụng đất trên vùng nghiên cứu, định hướng cho công tác quy hoạch sử dụng đất và bảo tồn tài nguyên rừng [13]

Nhìn chung, ngày càng có nhiều ứng dụng dữ liệu viễn thám trong phát hiện thay đổi như phân tích thay đổi sử dụng đất, đánh giá sự phá rừng, thay đổi môi trường Phát hiện thay đổi là quá trình xác định sự khác nhau về hiện trạng của đối tượng hoặc hiện tượng bằng việc khảo sát nó ở những thời điểm khác nhau Phát hiện thay đổi là quá trình quan trọng trong quan trắc và quản lý tài nguyên thiên nhiên cũng như quy hoạch phát triển đô thị bằng phân tích định lượng

Macleod and Congalton(1998) đưa ra 4 vấn đề cần quan tâm trong phát hiện thay đổi khi quan trắc nguồn tài nguyên môi trường [13]

- Phát hiện có sự thay đổi

- Xác định sự thay đổi trong tự nhiên

- Đo lường diện tích phạm vi thay đổi

- Đánh giá mô hình không gian của sự thay đổi

I.1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ảnh viễn thám được xem là nguồn thông tin để đánh giá sự thay đổi sử dụng đất, định lượng độ che phủ đất, vị trí phân bố trên một khu vực trong những thời điểm khác nhau hay so sánh giữa 2 khu vực

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, ảnh viễn thám và kỹ thuật GIS đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đánh giá đất đai, quản lý tài nguyên môi trường Ảnh viễn thám cũng đã được sử dụng để hiệu chỉnh và đo vẽ bản đồ với

LUẬN VĂN CAO HỌC 6

_

tỉ lệ 1/25.000 và 1/5.000 Nghiên cứu biến động sử dụng đất bằng ảnh viễn thám và GIS phục vụ cho định hướng khai thác, sử dụng hợp lý đất đai (Nguyễn Quang Tuấn (2005); Trường Đại Học Khoa Học Huế

Ảnh Landsat được ứng dụng thành lập bản đồ thảm thực vật cho khu bảo tồn vườn Quốc gia U Minh Thượng (Trần Triết) 2004 [12]; Ứng dụng ảnh viễn thám đánh giá biến thiên của thảm phủ thực vật trong từng giai đoạn đặc biệt trong quản lý rừng (Nguyễn Thị Thanh Hương, 2001.[9]; Phòng Viễn Thám và Hệ Thống Thông Tin Địa Lý – Phân Viện Địa Lý thành phố Hồ Chí Minh, 2003)

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám trong nghiên cứu chiến lược của người nông dân trong sự thay đổi đa dạng của hệ canh tác nương rẩy dưới các tác động của điều kiện dân số, đất đai, chính sách và nhu cầu về kinh tế xã hội của người dân (Lê Trọng Cúc và Rambo, 2002; Jean-Christophe Castella và Đặng Đình Quang, 2002; Brabant P., Darracq S and Nguyễn Cẩm Vân (biên tập) 1999, Leisz và các cộng tác viên, 2003)

Trần Thị Thu Vân (2002) xây dựng mô hình tích hợp viễn thám và GIS trong đánh giá khả năng thích nghi đất cho cây lúa Trên cơ sở tích hợp viễn thám và GIS các dữ liệu được xây dựng trên mô hình quan hệ không gian với một hệ toạ độ thống nhất và đều ở dạng số Công nghệ viễn thám cung cấp một phần cơ sở dữ liệu đầu vào và GIS sẽ thực hiện mô hình tổng hợp, chiết tách thông tin từ các tập dữ liệu bằng các phương pháp định lượng như thống kê, nội suy, và khả năng đánh giá định lượng tương quan giữa các yếu tố.[11]

Hoàng Đức Thắng (2004), ứng dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để đánh giá thảm rừng vườn quốc gia Chu- Mom- Ray Tỉnh KonTum Công nghệ trên cũng