Ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong quản lý cây công nghiệp huyện bảo lâm tỉnh lâm đồng

Mục tiêu, nhiệm vụ Mục tiêu: Làm rõ mối quan hệ giữa điều kiện tự nhiên, nông lịch và đặc điểm sinh thái của CCNLN nhằm cải thiện độ tin cậy của kết quả phân loại lớp phủ CCNLN sử dụng ả

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

-

LÊ QUANG TOAN

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ

TRONG QUẢN LÝ CÂY CÔNG NGHIỆP

HUYỆN BẢO LÂM, TỈNH LÂM ĐỒNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ

Hà Nội, 2019

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

-

LÊ QUANG TOAN

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ

TRONG QUẢN LÝ CÂY CÔNG NGHIỆP

HUYỆN BẢO LÂM, TỈNH LÂM ĐỒNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ ĐỊA LÝ Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý

Mã số: 62 44 02 14

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Phạm Văn Cự 2 TS Bùi Quang Thành

Hà Nội, 2019

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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Lê Quang Toan

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến hai Thày: PGS.TS Phạm Văn Cự và TS Bùi Quang Thành, đã luôn động viên, chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cả về chuyên môn và nhiều lĩnh vực khác trong cuộc sống để giúp tôi hoàn thành luận án này Đặc biệt là PGS.TS Phạm Văn Cự đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi bảo vệ thành công Khóa luận tốt nghiệp Đại học cũng như Luận văn cao học tại Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN

Trong suốt quá trình thực hiện luận án tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến từ nhiều cá nhân và tập thể trong đó có: các thày, cô trong Khoa Địa lý, Phòng Sau đại học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN; Viện Địa lý – Viện Hàn lâm KHCNVN; Viện Địa lý Tài nguyên HCM – Viện Hàn lâm KHCNVN; Trường Đại học Mỏ địa chất; Viện Môi trường nông nghiệp – Viện Khoa học nông nghiệp Việt Nam; Học Viện Kỹ thuật quân sự -

Bộ Quốc phòng; Viện Việt Nam học và Khoa học phát triển, ĐHQGHN; Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga; Hội Địa lý Việt Nam; Trung tâm vũ trụ Việt Nam – Viện Hàn lâm KHCNVN; Trường Đại học Tây Nguyên; và các tổ chức, đơn vị đã chia sẻ và cung cấp dữ liệu sử dụng trong luận án bao gồm: Đề tài TN3-T16 do PGS.TS Phạm Việt Hòa làm chủ nhiệm, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Lâm Đồng, Sở Nông nghiệp

và Phát triển Nông thôn tỉnh Lâm Đồng, UBND huyện Bảo Lâm, Tổ chức phát triển

Hà Lan (SNV), Cục Viễn thám Quốc gia (RSC), Cơ quan hàng không Châu Âu (ESA), Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS)

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp tại Phòng Công nghệ viễn thám, GIS và GPS thuộc Viện Công nghệ vụ trụ, Viện Hàn lâm KHCNVN và những người thân trong gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là người bạn đời và hai con nhỏ của tôi là nguồn động lực lớn giúp tôi hoàn thành luận án

Trân trọng cảm ơn!

Lê Quang Toan

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục tiêu, nhiệm vụ 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

Những điểm mới của luận án 4

Các luận điểm bảo vệ 4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

Cơ sở tài liệu 5

Cấu trúc của luận án 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ TRONG QUẢN LÝ CÂY CÔNG NGHIỆP LÂU NĂM 7

1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong quản lý cây công nghiệp lâu năm 7

1.1.1 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong phân tích lớp phủ thực vật và cây công nghiệp lâu năm trên thế giới 7

1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý phân tích lớp phủ thực vật và cây công nghiệp lâu năm tại Việt Nam 14

1.1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu đã được thực hiện tại vùng Tây Nguyên và huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 15

1.2 Cơ sở lý luận nghiên cứu ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong quản lý cây công nghiệp lâu năm 20

1.2.1 Cơ sở khoa học sử dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong luận án 20

1.2.2 Đánh giá hiện trạng và xu hướng biến động diện tích cây công nghiệp lâu năm trong mối quan hệ với biến động lớp phủ rừng 23

1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 28

1.3.1 Cách tiếp cận và quan điểm nghiên cứu được sử dụng trong luận án 28

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án 301.3.3 Các bước thực hiện nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong quản lý cây công nghiệp lâu năm 32Tiểu kết chương 1 34CHƯƠNG 2 PHÂN LOẠI HIỆN TRẠNG LỚP PHỦ SỬ DỤNG ẢNH VIỄN THÁM ĐỘ PHÂN GIẢI CAO HUYỆN BẢO LÂM, TỈNH LÂM ĐỒNG 352.1 Phân tích đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội liên quan đến cây công nghiệp lâu năm huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 352.1.1 Điều kiện tự nhiên 352.1.2 Phân tích điều kiện kinh tế - xã hội 472.2 Phân loại hiện trạng lớp phủ huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao 542.2.1 Tích hợp thông tin về điều kiện tự nhiên, nông lịch và đặc điểm sinh thái của cây công nghiệp lâu năm trong phân loại ảnh viễn thám 542.2.2 Xác lập hệ thống chú giải bản đồ hiện trạng lớp phủ huyện Bảo Lâm 602.2.3 Lựa chọn và chuẩn hóa các lớp dữ liệu chuyên đề và dữ liệu thực địa trong phân loại hiện trạng lớp phủ huyện Bảo Lâm 622.2.4 Phân loại hiện trạng lớp phủ theo phương pháp định hướng đối tượng thời điểm 2011 huyện Bảo Lâm 692.2.5 Phân loại hiện trạng lớp phủ theo phương pháp định hướng đối tượng tích hợp với các thông tin bối cảnh thời điểm 2011 huyện Bảo Lâm 732.2.6 Kiểm chứng độ chính xác của kết quả phân loại hiện trạng lớp phủ năm

2011 theo phương pháp phân loại định hướng đối tượng 782.2.7 Đánh giá vai trò các yếu tố bối cảnh khi tích hợp trong phương pháp phân loại định hướng đối tượng thời điểm năm 2011 huyện Bảo Lâm 822.2.8 Phân loại hiện trạng lớp phủ cho thời điểm thời điểm 2004 và 2016 huyện Bảo Lâm 87Tiểu kết chương 2 89CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ XU HƯỚNG BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ PHỤC VỤ QUẢN LÝ CÂY CÔNG NGHIỆP LÂU NĂM HUYỆN BẢO LÂM, TỈNH LÂM ĐỒNG 90

3.1 Phân tích vai trò của viễn thám và GIS trong nghiên cứu xu thế biến động trong

quản lý cây công nghiệp lâu năm huyện Bảo Lâm 90

3.2 Đánh giá hiện trạng và biến động lớp phủ huyện Bảo Lâm thời điểm 2004, 2011 và 2016 93

3.2.1 Thành lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ huyện Bảo Lâm từ kết quả phân loại ảnh viễn thám các thời điểm 2004, 2011 và 2016 93

3.2.2 Đánh giá kết quả hiện trạng lớp phủ huyện Bảo Lâm 98

3.2.3 Đánh giá biến động lớp phủ huyện Bảo Lâm 100

3.3 Phân tích định lượng nguyên nhân biến động lớp phủ cây công nghiệp lâu năm khu vực huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng giai đoạn 2004-2016 106

3.3.1 Lựa chọn các dữ liệu phân tích hồi quy 106

3.3.2 Đánh giá kết quả phân tích hồi quy logistic các nhóm biến động lớp phủ huyện Bảo Lâm giai đoạn 2004-2016 111

3.4 Các giải pháp quản lý cây công nghiệp lâu năm trên cơ sở nghiên cứu diễn biến diện tích cây công nghiệp lâu năm huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 117

3.4.1 Phân tích tình hình sử dụng và khai thác tài nguyên thiên nhiên phục vụ mục tiêu quản lý cây công nghiệp lâu năm tỉnh Lâm Đồng 118

3.4.2 Phân tích thực trạng phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Lâm Đồng 122

3.4.3 Phân tích tác động của quy hoạch sử dụng đất tỉnh Lâm Đồng đến quản lý cây công nghiệp lâu năm 124

Tiểu kết chương 3 127

KẾT LUẬN 128

PHỤ LỤC 141

DANH MỤC HÌNH Hình 1 1 Sơ đồ quy trình thực hiện nghiên cứu của luận án 33

Hình 2 1 Bản đồ hành chính huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 36

Hình 2 2 Bản đồ độ dốc huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 38

viii

Hình 2 3 Biến trình nhiệt độ và số giờ nắng trung bình tháng trạm Bảo Lộc [6] 40Hình 2 4 Biến trình lượng mưa và độ ẩm trung bình tháng trạm Bảo Lộc [6] 40Hình 2 5 Bản đồ mật độ sông, suối huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng (được tính toán nội suy từ dữ liệu nhóm lớp thủy hệ của bản đồ địa hình cấp huyện-MONRE) 42Hình 2 6 Bản đồ đất huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng (MONRE, 2010) 44Hình 2 7 Bản đồ mật độ dân số năm 2015 huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng [6] 48Hình 2 8 Bản đồ năng suất cà phê năm 2015 huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng [6] 53Hình 2 9 Lịch mùa vụ những cây hàng năm chính ở huyện Bảo Lâm, trong đó PT: gieo trồng; HV: thu hoạch; (nguồn ảnh sử dụng: [112]) 63Hình 2 10 Bản đồ các điểm khảo sát thực địa trên nền ảnh vệ tinh SPOT-5 năm

2011 và 2013 tại huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 68Hình 2 11 Phân mảnh mức 1 (mầu vàng) và mức 2 cho nhóm không rừng (mầu tím) trên ảnh SPOT-5 khu vực huyện Bảo Lâm năm 2011 70Hình 2 12 Sơ đồ phân cấp bộ quy tắc phân loại ảnh SPOT-5 năm 2011 theo phương pháp ĐHĐT-1 71Hình 2 13 Sơ đồ phương pháp phân loại định hướng đối tượng tích hợp các yếu tố bối cảnh áp dụng cho huyện Bảo Lâm 74Hình 2 14 Sơ đồ phân cấp bộ quy tắc phân loại ảnh SPOT-5 năm 2011 theo phương pháp phân loại ĐHĐT-2 76Hình 2 15 So sánh độ chính xác PA và UA theo hai phương pháp ĐHĐT-1 và ĐHĐT-2 81Hình 2 16 Bản đồ lớp cà phê được cải thiện độ chính xác khi chồng xếp hai kết quả phân loại theo hai phương pháp ĐHĐT-1 và ĐHĐT-2 84Hình 2 17 Bản đồ lớp chè được cải thiện độ chính xác khi chồng xếp hai kết quả phân loại theo hai quy trình ĐHĐT-1 và ĐHĐT-2 85

Hình 3 1 Bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 2011 huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng được biên tập từ kết quả phân loại viễn thám 94Hình 3 2 Bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 2016 huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng được biên tập từ kết quả phân loại ảnh viễn thám 95Hình 3 3 Bản đồ hiện trạng lớp phủ năm 2004 huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng được biên tập từ kết quả phân loại ảnh viễn thám 96Hình 3 4 Sơ đồ phân tích biến động lớp phủ huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 97Hình 3 5 Biểu đồ cơ cấu diện tích các loại lớp phủ huyện Bảo Lâm, thời điểm

2004, 2011 và 2016 99Hình 3 6 Diện tích đất cây hàng năm năm 2004 trong Bảng 3 6 trên nền hiện trạng rừng-không rừng năm 1995 104Hình 3 7 Thống kê diện tích rừng, cây hàng năm và CCNLN theo từng xã qua 3 thời điểm 2004, 2011 và 2016 105

Hình 3 8 Bản đồ biến động nhóm mất rừng và suy thoái rừng giai đoạn 2004-2016 108Hình 3 9 Bản đồ diện tích mở rộng CCNLN từ đất rừng và đất khác giai đoạn 2004-2016 109Hình 3 10 Bản đồ diện tích mở rộng cây hàng năm từ đất rừng và đất khác giai đoạn 2004-2016 110Hình 3 11 Mối tương quan giữa khả năng xẩy ra mất rừng với một số biến độc lập 114Hình 3 12 Mối tương quan giữa khả năng mở rộng CCNLN với một số biến độc lập 116

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 1 Đặc trưng một số nguồn ảnh vệ tinh quang học ứng dụng trong lập bản đồ lớp phủ thực vật [128] 7

Bảng 1 2 Điểm mạnh, yếu của các kỹ thuật thành lập bản đồ thực vật từ các nguồn

dữ liệu khác nhau [126] 9Bảng 1 3 Các loại chỉ số thực vật phổ biến, trong đó L là số hiệu chỉnh được đặt giá trị 0.5; a, b là các chỉ số gain và offset 22

Bảng 2 1 So sánh đặc trưng nhiệt ẩm giữa các khu vực trong tỉnh Lâm Đồng năm

2014 40Bảng 2 2 Nhiệt độ không khí (T), lượng mưa (P), độ ẩm không khí (H), số giờ nắng (L) trung bình tháng và năm của một số trạm khí tượng ở Lâm Đồng năm 2014 41Bảng 2 3 Thống kê diện tích các loại đất huyện Bảo Lâm từ bản đồ đất tỉnh Lâm Đồng 43Bảng 2 4 Thống kê hiện trạng sử dụng đất năm 2015 huyện Bảo Lâm [6] 46Bảng 2 5 Biến động diện tích các loại đất chính theo các năm, huyện Bảo Lâm [6] 47Bảng 2 6 Tỷ lệ tăng dân số theo các chỉ tiêu khác nhau của huyện Bảo Lâm [6] 49Bảng 2 7 Phân bố diện tích các loại cây trồng của huyện Bảo Lâm (đơn vị: nghìn ha) [6] 51Bảng 2 8 Diện tích CCNLN tại huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng (đơn vị ha) [10] 52Bảng 2 9 Sản lượng và năng suất cây lương thực có hạt theo cấp xã năm 2015 [6] 52Bảng 2 10 Tổng hợp một số yếu tố sinh thái của cà phê và chè 59Bảng 2 11 Chu kỳ sinh trưởng của một số cây công nghiệp lâu năm (đơn vị: năm) 59Bảng 2 12 Hệ thống phân loại hiện trạng lớp phủ huyện Bảo Lâm 60Bảng 2 13 Thống kê dữ liệu sử dụng trong thành lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ cây công nghiệp lâu năm các thời điểm 2004, 2011 và 2016 64

Bảng 2 14 Thống kê các loại ảnh vệ tinh sử dụng trong lập bản đồ hiện trạng lớp

phủ huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 65

Bảng 2 15 Các thông số ảnh vệ tinh được sử dụng trong thành lập bản đồ lớp phủ huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng 65

Bảng 2 16 Các thông số phân mảnh ảnh SPOT-5 năm 2011 69

Bảng 2 17 Bảng mô tả các quy tắc phân loại các đối tượng ảnh SPOT-5 năm 2011 77

Bảng 2 18 Độ chính xác kết quả phân loại ảnh SPOT-5 năm 2011 theo phương pháp phân loại ĐHĐT-1 80

Bảng 2 19 Độ chính xác kết quả phân loại ảnh SPOT năm 2011 theo phương pháp phân loại ĐHĐT-2 80

Bảng 2 20 So sánh độ chính xác UA và PA của hai phương pháp ĐHĐT-1 và ĐHĐT-2 cho ảnh SPOT-5 năm 2011 huyện Bảo Lâm 81

Bảng 2 21 Diện tích chè và cà phê được cải thiện độ chính xác khi sử dụng phương pháp ĐHĐT-2 thời điểm năm 2011 huyện Bảo Lâm 82

Bảng 2 22 Thống kê diện tích CCNLN bị phân loại sai khi tích hợp phân tích không gian với bản đồ 3 loại rừng của FIPI năm 2010 (nguồn: Viện điều tra quy hoạch rừng– FIPI) 83

Bảng 2 23 Bảng mô tả các quy tắc phân loại các đối tượng ảnh SPOT-5 năm 2004 88

Bảng 2 24 Bảng mô tả các quy tắc phân loại các đối tượng ảnh Sentinel-2A năm 2016 88

Bảng 3 1 Thống kê diện tích hiện trạng lớp phủ các năm huyện Bảo Lâm 98

Bảng 3 2 Ma trận biến động diện tích lớp phủ thời điểm 2004-2011 101

Bảng 3 3 Ma trận biến động diện tích lớp phủ thời điểm 2011-2016 101

Bảng 3 4 Ma trận biến động diện tích lớp phủ thời điểm 2004-2016 101

Bảng 3 5 Tỷ lệ biến động của một số loại biến động lớp phủ chính trong các giai đoạn 2004-2011, 2011-2016 và 2004-2016 của huyện Bảo Lâm 102Bảng 3 6 Nguồn gốc đất năm 2004 của diện tích CCNLN tại thời điểm năm 2011

và 2016 103Bảng 3 7 Nguồn gốc đất cây hàng năm, đất trống năm 2004 trong Bảng 3 6 trên bản đồ rừng-không rừng năm 1995 103Bảng 3 8 Kết phả phân tích hồi quy mối quan hệ một số nhóm biến động giai đoạn 2004-2016 với các yếu tố bối cảnh 112Bảng 3 9 Diễn biến diện tích rừng và tỷ lệ diện tích đất có rừng 118Bảng 3 10 Thống kê hiện trạng sử dụng đất năm 2010 120Bảng 3 11 Thống kê biến động diện tích trung bình CCNLN và rừng qua các năm trong tỉnh Lâm Đồng 120Bảng 3 12 Hiện trạng sử dụng đất tỉnh Lâm Đồng năm 2014 [11] 121Bảng 3 13 Thống kê biến động sử dụng đất theo các năm của tỉnh Lâm Đồng [11] 121Bảng 3 14 Sự tăng trưởng chuyển dịch cơ cấu kinh tế Lâm Đồng giai đoạn 1991-

2010 123Bảng 3 15 Quy mô dân số theo đơn vị hành chính [11] 123Bảng 3 16 Dự báo sử dụng đất đến năm 2030 (đơn vị ha) 125

Bảng 3 17 Quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp đến năm 2020 tỉnh Lâm Đồng (đơn vị: ha) 126

xiii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT

ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflectance

ESA European Space Agency, Cơ quan vũ trụ Châu Âu

GIS Geographic Information System - Hệ Thông Tin Địa Lý

GPS Global Position System – Hệ thống định vị toàn cầu

NDVI Normalized Difference Vegetation Index, chỉ số thực vật sai phân

chuẩn hóa

SPOT Systéme Probatoire d’Observation de la Terre, tên vệ tinh cung

cấp ảnh sử dụng trong luận án

TM Thematic Mapper, tên bộ cảm của vệ tinh Landsat 5

UNESCO United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization,

Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa Liên Hiệp Quốc UTM Universal Transverse Mercator, phép chiếu ngang toàn cầu

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Cây công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội thể hiện qua giá trị kinh tế cao của các mặt hàng nông sản xuất khẩu từ cây công nghiệp

và hỗ trợ sinh kế cho người dân, đặc biệt là khu vực Tây Nguyên Các công trình nghiên cứu từ trước đến nay đã đánh giá Tây Nguyên là vùng đất đặc thù về mặt văn hóa, dân tộc và có điều kiện tự nhiên rất thuận lợi, tích đất bazan rộng lớn chiếm tới 60% diện tích đất bazan của cả nước và là vùng chuyên canh cây công nghiệp lớn nhất Việt Nam, đặc biệt là các loại cây công nghiệp lâu năm (CCNLN) như: cà phê, chè, hồ tiêu, điều Theo số liệu của Cục thống kê tỉnh Lâm Đồng, giá trị sản xuất nông nghiệp phân theo ngành kinh tế năm 2014 thì ngành trồng trọt chiếm tới 82,96% giá trị sản xuất nông nghiệp toàn tỉnh [11] Trong bối cảnh như vậy, nhu cầu thông tin về hiện trạng và khuynh hướng phát triển cây công nghiệp là nhu cầu cần được đáp ứng Tỉnh Lâm Đồng có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc duy trì sự ổn định cho phạm vi toàn vùng Tây Nguyên và đang đứng trước những thách thức rất lớn đòi hỏi phải có những công cụ để quản lý thường xuyên sự chuyển đổi rất phức tạp đất nông nghiệp liên quan đến các diễn biến mất rừng, điển hình là huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng Việc hiểu biết khuynh hướng chuyển đổi giữa rừng và CCNLN hỗ trợ các nhà quản lý ra quyết định điều chỉnh quy hoạch sử dụng đất cho toàn tỉnh Lâm Đồng và toàn vùng Tây Nguyên

Để phát triển kinh tế xã hội, diện tích cây công nghiệp đang ngày càng mở rộng và đặt ra nhiều thách thức trong việc bảo vệ rừng và phát triển bền vững Rừng

là một trong những tài nguyên vô cùng quan trọng và trong quá trình phát triển, rừng cũng là một trong những tài nguyên đang bị tàn phá là một phần cốt yếu của sự biến đổi môi trường toàn cầu và đặt ra thách thức cho sự phát triển bền vững của xã hội con người [73] Trong thập kỷ gần đây, sự mở rộng diện tích đất nông nghiệp để cung cấp các mặt hàng cho thị trường toàn cầu là nhân tố quan trọng làm gia tăng tình trạng mất rừng [64, 84] Hơn nữa, diện tích cây công nghiệp ngày càng được

mở rộng và tới một giới hạn nào đó sẽ không mang tính bền vững Công cụ viễn thám tích hợp với GIS có thể đáp ứng tốt mục tiêu quản lý cây công nghiệp như

theo dõi hiễn trạng, các bước chuyển đổi lớp phủ và xu hướng biến động Do đó, quy luật biến động lớp phủ cây công nghiệp trong mối quan hệ với biến động lớp phủ rừng, và quy luật này có mối quan hệ gì với các yếu tố điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội sẽ được làm sáng tỏ trong luận án Sự biến động diện tích cây công nghiệp có phải là chỉ báo cho biến động lớp phủ rừng tại huyện Bảo Lâm hay không? Các quy luật biến động này được làm sáng tỏ trên cơ sở ứng dụng viễn thám

và GIS có ý nghĩa khoa học quan trọng phục vụ quản lý cây công nghiệp Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây đã cho thấy độ chính xác của kết quả phân loại ảnh viễn thám một số cây công nghiệp còn thấp, mặc dù đã có kết hợp với một số dữ liệu tham khảo trong quá trình phân loại [60, 69, 78, 99, 102, 108, 120] Do đó, trong luận án đã tích hợp mối quan hệ giữa ĐKTN, nông lịch và đặc điểm sinh thái của cây công nghiệp với các thông tin phổ của dữ liệu viễn thám trong phân loại định hướng đối tượng nhằm cải thiện được độ tin cậy của kết quả phân loại lớp phủ huyện Bảo Lâm Vai trò của các lớp thông tin bối cảnh trong cải thiện độ chính xác tổng thể của kết quả phân loại cũng sẽ được làm sáng tỏ trong luận án khi áp dụng cho khu vực có đặc thù về điều kiện tự nhiên và tập quán canh tác như huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

Xuất phát từ tính cấp thiết trên, đề tài: “Ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong quản lý cây công nghiệp huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng” đã được lựa chọn

Mục tiêu, nhiệm vụ

Mục tiêu: Làm rõ mối quan hệ giữa điều kiện tự nhiên, nông lịch và đặc điểm sinh thái của CCNLN nhằm cải thiện độ tin cậy của kết quả phân loại lớp phủ CCNLN sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng;

Đánh giá được hiện trạng và xu hướng biến động diện tích CCNLN trong mối quan hệ với biến động lớp phủ rừng giai đoạn 2004-2016 huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng phục vụ quản lý CCNLN trên cơ sở ứng dụng viễn thám và GIS

Nhiệm vụ: Để đạt được các mục tiêu của luận án, các nhiệm vụ chính được đặt ra như sau:

 Tổng quan nghiên cứu và xây dựng phương pháp luận ứng dụng viễn thám

và hệ thông tin địa lý trong quản lý CCNLN;

 Tích hợp mối quan hệ giữa ĐKTN, nông lịch và đặc điểm sinh thái của CCNLN trong phân loại ĐHĐT nhằm cải thiện độ tin cậy của kết quả phân loại lớp phủ sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao (2004-2016);

 Đánh giá hiện trạng và biến động diện tích CCNLN trong mối tương quan với biến động lớp phủ rừng huyện Bảo Lâm giai đoạn 2004-2016;

 Sử dụng các mô hình hồi quy logistic phân tích mối quan hệ giữa các nhóm biến động lớp phủ với đặc điểm ĐKTN và KTXH;

 Đánh giá xu thế biến động hiện trạng lớp phủ và đối sánh với số liệu thống

kê KTXH, hiện trạng và quy hoạch sử dụng đất phục vụ quản lý CCNLN huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng;

 Đề xuất các giải pháp quản lý CCNLN trên cơ sở nghiên cứu diễn biến diện tích CCNLN trong mối quan hệ với biến động lớp phủ rừng huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Giới hạn về khu vực nghiên cứu: khu vực nghiên cứu thử nhiệm được chọn

là huyện Bảo Lâm thuộc tỉnh Lâm Đồng Lý do chọn huyện Bảo Lâm vì huyện này

có diện tích chè lớn nhất, diện tích cà phê lớn thứ hai trong các huyện của tỉnh Lâm Đồng Ngoài ra, chè và cà phê là hai loại cây CCNLN phổ biến và chiếm diện tích lớn nhất trên phạm vi toàn tỉnh Lâm Đồng Gần đây, những chuyển đổi giữa CCNLN và rừng trong phạm vi huyện Bảo Lâm diễn ra rất phức tạp nếu so với các huyện còn lại của tỉnh Lâm Đồng

Giới hạn về nội dung nghiên cứu: Trong các loại cây công nghiệp ở huyện Bảo Lâm thì cà phê và chè là hai loại cây công nghiệp lâu năm chủ đạo của huyện Bảo Lâm nói riêng và vùng Tây Nguyên nói chung Cà phê và chè đem lại hiệu quả kinh tế cao cho huyện Bảo Lâm, vì vậy việc quản lý CCNLN phục vụ mục tiêu phát triển kinh tế xã hội là rất quan trọng Quản lý CCNLN trên cơ sở ứng dụng viễn thám và GIS như đánh giá hiện trạng, biến động và xu hướng biến động và đòi hỏi

độ tin cậy cao của kết quả xử lý ảnh viễn thám Do đó, nội dung nghiên cứu chính của luận án là tích hợp điều kiện tự nhiên, nông lịch và đặc điểm sinh thái của CCNLN trong phương pháp phân loại định hướng đối tượng (ĐHĐT – object oriented) nhằm cải thiện độ chính xác kết quả phân loại ảnh vệ tinh độ phân giải cao

để lập bản đồ hiện trạng lớp phủ CCNLN khu vực huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng các thời điểm 2004, 2011, 2016 và đánh giá hiện trạng, xu hướng biến động lớp phủ phục vụ việc quản lý CCNLN Thời điểm được lựa chọn để nghiên cứu từ năm

2004 là thời điểm giá cà phê trên thế giới tăng trở lại [44, 79] Từ kết quả phân loại HTLP có độ chính xác cao, các mô hình phân tích hồi quy logistic được sử dụng để đánh giá xu hướng biến động diện tích CCNLN giai đoạn 2004-2016 Trên cơ sở hiểu biết xu hướng biến động sử dụng đất tại vùng này và bộ bản đồ về hiện trạng

và biến động lớp phủ thời điểm 2004-2016 có độ tin cậy cao là cơ sở khoa học và

có ý nghĩa quan trọng phục vụ mục tiêu quản lý CCNLN, huyện Bảo Lâm

Những điểm mới của luận án

- Xây dựng được bộ quy tắc chiết tách thông tin lớp phủ theo ảnh vệ tinh độ phân giải cao, làm cơ sở cho thành lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ tại huyện Bảo Lâm các năm 2004, 2011 và 2016;

- Phân tích được nguyên nhân và xu thế biến động lớp phủ, đặc biệt là cây công nghiệp lâu năm (cà phê và chè) huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng giai đoạn 2004-2016 bằng các mô hình hồi quy logictics

Các luận điểm bảo vệ

- Luận điểm 1: Tích hợp mối quan hệ giữa điều kiện tự nhiên, nông lịch và đặc điểm sinh thái của cây công nghiệp lâu năm với thông tin phổ của dữ liệu viễn thám trong phương pháp phân loại định hướng đối tượng cho phép nâng cao độ chính xác tổng thể của kết quả phân loại hiện trạng lớp phủ áp dụng cho huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

- Luận điểm 2: Mối liên quan chặt chẽ giữa xu hướng biến động hiện trạng lớp phủ theo chuỗi: rừng – cây hàng năm, đất trống – cây công nghiệp lâu năm với các đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội là cơ sở khoa học cho quản lý cây công nghiệp (đặc biệt là cà phê và chè) ở quy mô địa phương

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Xác lập được mối quan hệ giữa ĐKTN, nông lịch và đặc điểm sinh thái của CCNLN và mối quan hệ này được tích hợp trong phân loại ĐHĐT đã cải thiện được độ tin cậy của kết quả phân loại ảnh viễn thám

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của luận án, đặc biệt là các bản

đồ chuyên đề về hiện trạng và biến động diện tích CCNLN thời điểm: 2004, 2011

và 2016 và các kết quả phân tích mối tương quan giữa quy luật biến động diện tích CCNLN với sự biến động lớp phủ rừng huyện Bảo Lâm sẽ là tài liệu tham khảo quan trọng để quản lý CCNLN khu vực huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

Cơ sở tài liệu

Luận án được thực hiện trên cơ sở tài liệu như sau:

- Tư liệu ảnh viễn thám: ảnh vệ tinh SPOT-5 năm 2004, 2011, ảnh 2A năm 2016; ảnh vệ tinh Landsat TM năm 2004 và 2010, Landsat 8 năm 2016, ảnh SPOT-4 năm 1995 phủ trùm huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng Trong đó ảnh SPOT-5 năm 2004, 2011 và ảnh Sentinel-2A năm 2016 được sử dụng để thành lập các bản đồ hiện trạng lớp phủ huyện Bảo Lâm, các ảnh Landsat được sử dụng để tính toán chỉ số NDVI để phân biệt vùng có thực vật và không có thực vật, ảnh SPOT-4 năm 1995 để lập bản đồ vùng rừng và không rừng huyện Bảo Lâm thời điểm năm 1995 (Bảng 2 15)

Sentinel Các phần mềm chuyên dụng bản đồ, viễn thám, GIS và phân tích thống kê bao gồm: MapInfo, Microstation, ArcGIS, SPSS, Envi; các phần mềm văn phòng: Word, Excel

- Tài liệu điều tra nghiên cứu thực địa: nghiên cứu đặc điểm điều kiện tự nhiên (ĐKTN), hiện trạng lớp phủ, các điều kiện kinh tế - xã hội (KTXH), dùng để giải đoán, kiểm chứng kết quả phân loại lớp phủ

- Tài liệu tham khảo:

 Bản đồ địa hình khu vực huyện Bảo Lâm và tỉnh Lâm Đồng tỷ lệ 1:25.000, 1:50.000

 Bản đồ đất tỉnh Lâm Đồng tỷ lệ 1:100.000

Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, luận án gồm 3 chương được trình bày trong 121 trang đánh máy, có sử dụng 44 bảng, 30 hình và biểu đồ, bản đồ chuyên đề để minh họa

- Chương 1: Tổng quan cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong quản lý cây công nghiệp lâu năm;

- Chương 2: Phân loại hiện trạng lớp phủ sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng;

- Chương 3: Đánh giá xu hướng biến động lớp phủ phục vụ quản lý cây công nghiệp lâu năm huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

hệ giữa các hiện tượng mang tính nguyên nhân như sự chuyển đổi đất rừng, sử mở rộng diện tích CCNLN để phát triển kinh tế xã hội cần được chú trọng phân tích chi tiết hơn

1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu về ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong quản lý cây công nghiệp lâu năm

1.1.1 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong phân tích lớp phủ thực vật và cây công nghiệp lâu năm trên thế giới

1.1.1.1 Tổng quan các nghiên cứu về ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý trong phân tích lớp phủ thực vật trên thế giới

Hiện nay, với gần 50 năm phát triển, viễn thám đã trở thành một công cụ hiện đại, vừa mang tính phụ trợ, vừa mang tính cạnh tranh với sự ra đời ngày càng nhiều các vệ tinh quan sát Trái đất và dữ liệu viễn thám thu được có độ phân giải không gian ngày càng cao Vì thế, dữ liệu viễn thám đang dần có xu hướng trở thành dữ liệu hàng đầu trong các nghiên cứu về quản lý tài nguyên thiên nhiên Trên thế giới, có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến lập bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật đã sử dụng dữ liệu với nhiều loại tư liệu ảnh quang học khác nhau Bảng 1 1 dưới đây cho thấy khả năng ứng dụng trong lập bản đổ lớp phủ thực vật của một số loại ảnh viễn thám quang học phổ biến trên thế giới hiện nay

Bảng 1 1 Đặc trưng một số nguồn ảnh vệ tinh quang học ứng dụng trong lập bản đồ lớp phủ

thực vật [128]

lập bản đồ lớp phủ thực vật Landsat TM Độ phân giải trung bình với dữ

liệu đa phổ (120m với kênh nhiệt Lập bản đồ cấp vùng, thường được sử dụng lập bản đồ thực

8

và 30m với kênh đa phổ, độ rộng cảnh 185x185km Độ phân giải thời gian là 16 ngày

Lập bản đồ cấp vùng, thường được sử dụng lập bản đồ thực vật cấp địa phương hoặc có khả năng phân biệt được một số loài ưu thế

SPOT Độ phân giải không gian từ 20

đến 1.5m SPOT 1, 2, 3, 4, 5, 6 và

7 phóng vào các năm 1986, 1990,

1993, 1998, 2002, 2012 và 2014 theo thứ tự Hiện nay chỉ còn SPOT 6, 7 vẫn còn hoạt động

Lập bản đồ cấp vùng, địa phương hoặc cấp độ loài hoặc với cấp độ toàn cầu hay quốc gia khi lập bản đồ các loài lớp phủ khác nhau: đô thị, các kiểu thực phủ, mặt nước…

MODIS Độ phân giải thấp từ 250 đến

1000m, dữ liệu đa phổ Độ phân giải thời gian 1-2 ngày, dải quét rộng 2330km

Lập bản đồ cấp vùng, quốc gia, lục địa hay toàn cầu với một số lớp phủ: đô thị, thực vật, mặt nước

AVHRR Độ phân giải 1km, dữ liệu đa phổ,

kích thước trung bình một cảnh ảnh là 2400x6400km

Lập bản đồ cấp vùng, quốc gia, lục địa hay toàn cầu với một số lớp phủ: đô thị, thực vật, mặt nước

IKONOS Độ phân giải không gian cao 1m

với kênh toàn sắc và 4m với kênh

đa phổ, chụp lặp từ 3-5 ngày tùy thuộc vào vĩ độ Kích thước cảnh 11x11km

Lập bản đồ cấp vùng, địa phương tới loài, có thể sử dụng

để kiểm chứng các kết quả phân loại khác

QuickBird Độ phân giải không gian cao

2.4-0.6m với kênh toàn sắc và kênh đa phổ, chụp lặp từ 1-3.5 ngày tùy thuộc vào vĩ độ Kích thước cảnh 16.5x16.5km

Lập bản đồ cấp vùng, địa phương tới loài, có thể sử dụng

để kiểm chứng các kết quả phân loại khác

ASTER Độ phân giải trung bình 15-90m

với 14 kênh phổ Lập bản đồ cấp vùng tới quốc gia hoặc địa phương ở cấp độ

loài, quần thể Hyperion Ảnh siêu phổ với 220 kênh từ

khoảng nhìn thấy đến hồng ngoại sóng ngắn Độ phân giải là 30m

Dữ liệu có từ 2003

Lập bản đồ cấp vùng hoặc địa phương ở cấp độ loài hoặc quần thể

Sentinel-2 Độ phân giải 4 kênh 10m, 6 kênh

20m còn lại là 3 kênh 60m, dải quét rộng tới 290km, vệ tinh được phóng năm 2015

Lập bản đồ cấp vùng tới quốc gia hoặc châu lục hay toàn cầu

ở mức có thể tới loài

Nhu cầu nghiên cứu những thông tin chi tiết về lớp phủ thực vật ngày càng tăng trong các hướng nghiên cứu như quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường

9

Một trong những ưu thế rõ rệt nhất của các nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ lớp phủ nói riêng và các loại bản đồ chuyên đề khác nói chung là khả năng cung cấp các thông tin thực phủ cần thiết ở những khu vực khó

có thể tiếp cận được bằng phương pháp mặt đất [123, 126] Ngoài khả năng cung cấp thông tin, phương pháp viễn thám còn đem lại ưu thế về giá thành của việc thành lập bản đồ [123] Bảng 1 2 cho thấy các ưu và nhược điểm của các kỹ thuật lập bản đồ lớp phủ sử dụng các nguồn ảnh viễn thám khác nhau

Bảng 1 2 Điểm mạnh, yếu của các kỹ thuật thành lập bản đồ thực vật từ các nguồn dữ liệu

khác nhau [126]

Quan sát thực địa

Ảnh hàng không

Viễn thám số máy bay

Viễn thám số

vệ tinh Giới hạn phân

Hiện trạng lớp phủ Hiện trạng lớp phủ

Khả năng tách

biệt

Từng cá thể Từng loài

Kiểu cấu trúc thực vật

Kiểu cấu trúc thực vật

Các lớp hiện trạng lớp phủ Tần suất lặp lại

thông tin

Phụ thuộc vào khả năng nguồn lực

Phụ thuộc vào nguồn lực và thời tiết

Phụ thuộc vào nguồn lực và thời tiết

Hàng ngày tới

20 ngày, phụ thuộc thời tiết Phương pháp

giải đoán

Quan sát Giải đoán mắt

thường

Xử lý ảnh tự động hoặc giải đoán ảnh

Xử lý ảnh tự động hoặc giải đoán ảnh Đầu tư (ban

đầu)

Giá trên đơn vị

diện tích Cao Trung bình Trung bình Thấp

Một trong những khó khăn đầu tiên trong quá trình xử lý ảnh viễn thám phải

kể đến là sự ảnh hưởng của bóng địa hình Việc loại bỏ các ảnh hưởng này đòi hỏi phải có các mô hình về sự chiếu sáng của mặt trời lên địa hình đó trong quá trình thu ảnh [101] Hạn chế tiếp theo của dữ liệu viễn thám quang học là sự ảnh hưởng của mây và sương mù Mây và sương mù làm ảnh hưởng đến việc thu nhận thông tin liên quan đến lớp phủ bề mặt đất, đôi khi làm mất hẳn thông tin về lớp phủ phía dưới những đám mây dày Do đó, việc kết hợp ảnh đa thời gian trong thời điểm thu

10

nhận ảnh gần nhau nhất có thể giúp chúng ta bổ sung ảnh vào các vùng bị mây che phủ Hiện nay, các nghiên cứu ứng dụng viễn thám ngày càng đòi hỏi các thông tin

ở mức độ chi tiết cao hơn nhiều so với các thông tin mà viễn thám có thể cung cấp

Vì thế, việc kết hợp giữa thông tin phổ từ ảnh viễn thám với thông tin mặt đất và các dữ liệu tham khảo khác (ancillary data) đang trở thành một xu hướng lớn [126] Nghiên cứu biến động lớp phủ sử dụng ảnh vệ tinh:

Biến động lớp phủ trong các nghiên cứu ứng dụng viễn thám thường đề cập đến hai loại biến động (i) biến động từ lớp này sang lớp khác và (ii) biến động nội tại của từng lớp (ví dụ như suy giảm chất lượng rừng) [80, 88], và các nghiên cứu thường tập trung phân tích sự biến động từ lớp này sang lớp khác [81, 96, 109] Sự biến động nội tại của từng lớp thì viễn thám quang học cũng có thể nhận biết được [51] Trong các phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật đều có những nguồn sai số nhất định Để phân tích kỹ hơn về nguồn gốc các sai số có thể trong quá trình sử dụng ảnh vệ tinh để đánh giá biến động lớp phủ thực vật, nhóm nghiên cứu của Biging nhận thấy các quá trình, từ thu ảnh tới xử lý, phân tích và chuyển đổi dữ liệu đều có những nguồn sai số khác nhau [51] Đánh giá biến động sau phân loại là phép chồng ghép so sánh kết quả phân loại độc lập các ảnh Phương pháp này có ưu thế là có thể sử dụng các loại ảnh vệ tinh khác nhau (khác đầu thu), chụp vào các mùa khác nhau trong năm Nhược điểm chính của phương pháp này là

sự phụ thuộc vào độ chính xác của từng phép phân loại đơn lẻ [66] Việc so sánh này có thể được tiến hành theo từng pixel hoặc trên toàn bộ một cảnh ảnh Các công

cụ để tính toán sự khác biệt phổ bao gồm phép trừ ảnh và tạo ảnh tỷ số (phép chia) Trong trường hợp tính toán sự biến đổi, các phương pháp đồng nhất hoá (equalization), phân tích thành phần chính thường được áp dụng [66] Quá trình xác định mức độ khác biệt như thế nào được coi là biến động là rất quan trọng Sự phân ngưỡng thay đổi này có thể được dựa vào hàm phân bố, với ngưỡng thay đổi được chọn là lớn hơn hay nhỏ hơn một khoảng độ lệch chuẩn [66] Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) là một trong những công cụ hữu hiệu để đánh giá biến động lớp phủ thực vật và đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Phương

11

pháp này có thể chia ra làm hai cách khác nhau, đó là phân tích thành phần chính của ảnh đa thời gian và phân tích thành phần chính của ảnh một thời điểm, sau đó so sánh với nhau [66, 106]

Trong các phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật từ ảnh viễn thám, tùy vào từng phương pháp để xác định có cần phải hiệu chỉnh khí quyển hay không Việc hiệu chỉnh khí quyển là cần thiết trong nhiều ứng dụng viễn thám, đặc biệt là trong các bài toán theo dõi biến động Đối với phương pháp phân loại ảnh có kiểm định sử dụng ảnh Landsat một thời điểm, việc hiệu chỉnh khí quyển không ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng kể đến kết quả phân loại, do các kênh ảnh Landsat được thiết kế để tránh tối đa sự hấp thụ của khí quyển Việc hiệu chỉnh khí quyển sẽ làm thay đổi giá trị tuyệt đối của các pixel mà không làm thay đổi tương quan giữa chúng, hay nói cách khác, việc phân loại dựa vào tương quan giữa giá trị các pixel thay vì giá trị tuyệt đối của chúng thì không bị ảnh hưởng [116] Với ảnh

tổ hợp đa thời gian, việc hiệu chỉnh khí quyển cũng không cần thiết trong trường hợp đánh giá biến động dựa vào việc phân loại ảnh tổ hợp này Khi so sánh ảnh bằng cách trừ hai ảnh theo từng pixel cũng được chứng minh là không cần thiết phải hiệu chỉnh khí quyển Một số nhà nghiên cứu cũng nhận định rằng việc hiệu chỉnh khí quyển là không cần thiết với các trường hợp sử dụng các thuật toán tuyến tính,

kể cả phân tích thành phần chính đa thời gian để đánh giá biến động lớp phủ thực vật Nhưng với các đánh giá biến động dựa vào các phương trình không tuyến tính (như việc tính toán các chỉ số thực vật), việc ảnh hưởng của hiệu chỉnh khí quyển tác động đến các chỉ số thực vật của từng ảnh ở các thời điểm khác nhau là khá rõ rang Vì vậy, siệc hiệu chỉnh khí quyển do sự không tuyến tính làm cho ảnh hưởng của khí quyển không bị triệt tiêu là cần thiết [116]

1.1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý liên quan đến cây công nghiệp lâu năm trên thế giới

Với sự gia tăng ngày càng nhiều các loại ảnh viễn thám, đặc biệt là các nguồn ảnh miễn phí thì xu hướng ứng dụng kết hợp dữ liệu viễn thám đa độ phân giải, đa thời gian trong nghiên cứu lập bản đồ lớp phủ thực vật cũng ngày càng tăng

12

lên [128] Mặc dù có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến lập bản đồ lớp phủ thực vật

đã được tiến hành, nhưng số lượng các công bố liên quan đến lập bản đồ CCNLN vẫn còn hạn chế, tiêu biểu có một số nghiên cứu lập bản đồ diện tích trồng cà phê [50, 60, 87, 102, 108, 120]; nghiên cứu các đặc trưng phổ của cây chè [89, 114] và lập bản đồ cây cao su vùng nhiệt đới [55, 67, 68, 117, 130] Kết quả của các nghiên cứu cũng cho thấy việc lập bản đồ cho từng loại hình CCNLN đã được chú trọng và thể hiện qua sự tích hợp với các lớp thông tin bối cảnh nhằm nâng cao độ chính xác kết quả phân loại CCNLN

Tuy nhiên, một trong những vấn đề lớn gặp phải trong các nghiên cứu phân loại ảnh viễn thám để lập bản đồ CCNLN là độ chính xác thấp của kết quả phân loại Các nghiên cứu cho thấy, độ chính xác của kết quả phân loại ảnh Landsat để lập bản đồ cây cao su lớn hơn so với cây cà phê Tác giả Suratman và nnk, (2004)

đã sử dụng ảnh Landsat để ước tính diện tích, sinh khối và tuổi của cây cao su, mô hình hàm hồi quy được sử dụng trong phân loại và độ chính xác tổng thể đạt 87% khi lập bản đồ diện tích cao su [117] Trong nghiên cứu tương tự, nhóm tác giả Zhe

Li và nnk, (2011) thực hiện tại Thái Lan cũng đã sử dụng ảnh Landsat 5 ước tính tuổi cây cao su sử dụng mô hình thống kê [130] Một số nghiên cứu khác theo hướng tích hợp dữ liệu PALSAR và MODIS để lập bản đồ cây cao su đã đạt độ chính xác tổng thể khá cao là 85% [67, 68]

Bên cạnh đó, các tác giả cũng đồng tình với quan điểm độ chính xác của kết quả phân loại ảnh vệ tinh thấp khi không kết hợp với dữ liệu tham khảo (ancillary data) trong quá trình phân loại CCNLN Trong nghiên cứu tại cao nguyên Colombian sử dụng ảnh Landsat TM để phân loại lập bản đồ cây cà phê đạt độ chính xác tổng thể của cây cà phê và cây gỗ nhỏ lần lượt là 37.5 và 58.7% [85] Nhóm tác giả Cordero và nnk, (2007) đã kết hợp các kênh phổ với dữ liệu tham khảo cho độ chính xác tốt hơn khi chỉ áp dụng các kênh đỏ, hồng ngoại gần và hồng ngoại trung của ảnh Landsat TM khi có sự lẫn phổ giữa cà phê với các loại lớp phủ khác [60] Các nghiên cứu liên quan đến năng suất CCNLN có độ chính xác thấp (56%) nếu so sánh với các nghiên cứu khác sử dụng nhiều kênh phổ hơn và có kết

13

hợp với dữ liệu tham khảo [85] Mặt khác, một số nghiên cứu lập bản đồ cây cà phê

sử dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải cao hơn nhưng độ chính xác của kết quả phân loại vẫn không được cải thiện Điển hình có nghiên cứu của tác giả Mukashema và nnk, (2014) đã sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao kết hợp với mạng lưới Bayesian và bản đồ năng suất cà phê đạt độ chính xác tổng thể là 50% Tác giả của nghiên cứu này cũng đồng ý với quan điểm là không thể tách được diện tích cà phê

từ ảnh độ phân giải cao khi chỉ sử dụng giá trị phản xạ trên các kênh phổ [102]

Hướng nghiên cứu đặc trưng phổ phản xạ của từng loại CCNLN đã được một số ít tác giả thực hiện Kết quả cho thấy kênh hồng ngoại trung của ảnh Landsat

có khả năng nhận diện tốt nhất các trạng thái lớp phủ thực vật thân gỗ, bao gồm cả cây cà phê [60]; có mối tương quan lớn giữa kênh gần hồng ngoại và phần trăm che phủ của tán cây [120] Những diện tích cây cà phê chưa khép tán có hành vi phổ tương đương với các loại cây hàng năm khác [60] Bởi vậy, hầu hết các sai số phân loại đều xẩy ra với lớp cà phê chưa khép tán đặc biệt những khu vực có mật độ che phủ tán thấp [60] Tuy nhiên, với những diện tích cây cà phê đang cho thu hoạch có tình trạng sinh trưởng tốt thì có thể sử dụng ảnh Landsat để giám sát trên những diện tích lớn trồng cà phê và có sự đồng nhất [120]

Như vậy, viễn thám được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, trong

đó nổi bật nhất là các ứng dụng liên quan đến giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường phục vụ mục tiêu phát triển kinh tế xã hội Trong tất cả các lĩnh vực ứng dụng viễn thám thì điển hình phải kể đến là các ứng dụng liên quan đến lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ thực vật Mỗi phương pháp đánh giá hiện trạng và biến động lớp phủ thực vật khác nhau đều có những ưu và nhược điểm nhất định khi sử dụng từng loại ảnh viễn thám khác nhau Bên cạnh đó, với sự xuất hiện của ngày càng nhiều loại vệ tinh viễn thám khác nhau đan xen với sự ra đời của các phương pháp phân loại và đánh giá hiện trạng, biến động lớp phủ thực vật có tích hợp thêm nhiều lớp thông tin tham khảo (ancillary data) đã làm tăng tính ứng dụng của viễn thám Để kết luận, chúng ta có thể sử dụng ý kiến của tác giả Wellens: dù sao đi nữa, không có một phương thức “chuẩn” nào có thể áp dụng được cho mọi

14

vùng trên thế giới, nghĩa là từng phương pháp chỉ áp dụng tốt cho từng hoàn cảnh

cụ thể và chỉ có ý nghĩa tham khảo khi áp dụng vào các khu vực khác [123]

1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý phân tích lớp phủ thực vật và cây công nghiệp lâu năm tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các ứng dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong nhận dạng và quan trắc diễn biến của các loại thảm thực vật đặc biệt là lớp phủ rừng được nhiều

cơ quan nghiên cứu triển khai và đã đạt được một số kết quả cụ thể Những năm gần đây, ứng dụng viễn thám trong thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cũng như bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật đã được thực hiện tương đối rộng rãi [14, 20, 21,

26, 42] Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trong nước chỉ làm sáng tỏ khía cạnh ứng dụng và kỹ thuật của các phương pháp truyền thống trong phân loại thành lập bản đồ lớp phủ từ ảnh viễn thám Từ những năm 1990, việc sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao đã được ứng dụng trong điều tra và thành lập bản đồ rừng ở Việt Nam, song không có nhiều và chủ yếu ở quy mô và phạm vi hẹp gắn với vùng nghiên cứu hoặc là những nghiên cứu mang tính nhỏ lẻ Các dự án ứng dụng viễn thám trên phạm vi rộng lớn đầu tiên phải kể đến dự án do Viện Điều tra quy hoạch rừng – Bộ NN&PTNT tiến hành điều tra và lập bản đồ rừng áp dụng trên quy mô toàn quốc Các chu kỳ được tiến hành 5 năm một lần và những chu kỳ đầu sử dụng ảnh Landsat; chu kỳ gần đây nhất là chu kỳ IV sử dụng ảnh vệ tinh SPOT-5 Các dự

án hợp tác quốc tế cũng đã được triển khai và trong đó có sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao để thành lập bản đồ lớp phủ rừng, bản đồ lớp phủ thực vật hoặc bản

đồ hiện trạng sử dụng đất [14] Hầu hết các dự án trồng hoặc liên quan đến lâm nghiệp đều có sử dụng ảnh vệ tinh độ phân giải cao trong giám sát và thành lập bản

đồ lớp phủ rừng Các phương pháp sử dụng trong lập bản đồ rừng chủ yếu là khoanh vẽ thủ công trên từng mảnh bình đồ ảnh, hoặc những phương pháp phân loại truyền thống mà chưa áp dụng các phương pháp phân loại tự động phức tạp

Một số chương trình nghiên cứu khoa học cấp quốc gia tiêu biểu đã được thực hiện gồm nhiều đề tài dự án nghiên cứu có ứng dụng viễn thám trong lập bản

đồ hiện trạng và biến động lớp phủ thực vật, đặc biệt là lớp phủ rừng Tiêu biểu là

lý để nghiên cứu tiêu biểu có liên quan đến lớp phủ có thể kể đến như nghiên cứu về rừng (Lại Huy Phương 1995, 1997), địa mạo (Phạm Văn Cự, 1996), sử dụng đất (Nguyễn Thị Cẩm Vân, 2001), xói mòn (Vũ Anh Tuân, 2004) [39] Một số nghiên cứu liên quan đến CCNLN được thực hiện như đánh giá điều kiện sinh thái phục vụ định hướng phát triển cây công nghiệp dài ngày [2, 8, 15, 30, 37, 38]

1.1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu đã được thực hiện tại vùng Tây Nguyên và huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

1.1.3.1 Các nghiên cứu trên phạm vi vùng Tây Nguyên

Tây Nguyên bao gồm các cao nguyên ở phía Tây của dãy núi Trường Sơn, bao gồm năm tỉnh: Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk và Đắk Nông Khu vực này có sự đan xen của nhiều vùng sinh thái khác nhau [3, 31, 119] Có rất nhiều các công trình nghiên cứu về Tây Nguyên đã được thực hiện, và đầu tiên phải kể đến các công trình nghiên cứu từ thời Pháp thuộc Trong tác phẩm Rú Mọi (Les jungles Mois – NXB Tri Thức dịch với tên là Rừng người Thượng), cho đến nay vẫn được coi là công trình đầu tiên khảo sát cơ bản nhất về Tây Nguyên Ngoài ra có một số công trình nghiên cứu địa lý tổng hợp khu vực Tây Nguyên [1, 23, 31, 32, 35] Thành quả

đó, Việt Nam trở thành nước xuất khẩu cà phê lớn thức hai trên thế giới Bất chấp những tồn tại như sự bùng nổ cà phê và sự phát triển kinh tế trong vùng, sự nghèo đói vẫn diễn ra ở dân tộc thiểu số trong Tây Nguyên nếu so sánh với người Kinh di

cư vào đây [48] Giá cả cà phê sụt giảm trong thời điểm 1999 đến 2001, nông dân bị mắc nợ do đầu tư vào tưới tiêu và chi phí ban đầu trồng cà phê [79]

Trong thời kỳ 2000 đến nay, sản xuất CCNLN được xác định là thế mạnh của Tây Nguyên, trong đó cà phê là cây trồng chủ lực trong phát triển nông nghiệp toàn vùng Trong giai đoạn này, điển hình có nghiên cứu của tác giả P Meyfroidt và nnk, (2013) đã đánh giá biến động lớp phủ và đặc biệt là các xu hướng mất rừng tại Tây Nguyên giai đoạn 2000-2010 và phân tích quá trình biến động sử dụng đất tại vùng này và mối liên hệ với sự mất rừng và phát triển kinh tế xã hội bằng các phân tích thống kê định lượng và bản đồ hóa sự biến động lớp phủ sử dụng ảnh Landsat [99] Ngoài ra, dự án “Điều tra hiện trạng sản xuất một số cây CNLN toàn quốc (cà phê, cao su, hồ tiêu, điều)” do Viện quy hoạch và thiết kế nông nghiệp chủ trì thực hiện đã sử dụng ảnh viễn thám để xác định diện tích cây cà phê, cao su, hồ tiêu, điều tập trung thực hiện tại tỉnh Bình Phước (đại diện vùng Đông Nam bộ) và toàn

bộ 5 tỉnh Tây Nguyên là Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông và Lâm Đồng [42] Dự án này tập trung vào việc thống kê, mô tả và kết hợp với kết quả giải đoán

17

ảnh vệ tinh SPOT đưa ra hiện trạng và biến động diện tích một số loại CCNLN chính trên phạm vi toàn quốc Một số đề tài nghiên cứu ứng thuộc chương trình Tây Nguyên cũng tập trung đánh giá hiện trạng và diễn biến lớp phủ rừng và CCNLN trên phạm vi toàn vùng Tây Nguyên sử dụng dữ liệu viễn thám [4, 5, 9, 12, 16, 18-

20, 22] Hướng nghiên cứu đánh giá tổng hợp về thực trạng phát triển cây công nghiệp và cây lương thực được tiến hành trong đề tài “Nghiên cứu đánh giá tổng hợp thực trạng và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững cây công nghiệp và cây lương thực ở Tây Nguyên” do Viện quy hoạch và thiết kế nông nghiệp thực hiện Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã mô tả và phân tích các dữ liệu thống kê

về cây công nghiệp và cây lương thực phạm vi toàn vùng Tây Nguyên [16] Trong nghiên cứu đánh giá cảnh quan mang tính tổng thể của tác giả Phạm Hoàng Hải và nnk (2016) đã đánh giá tổng hợp nguồn lực tự nhiên, biến động sử dụng tài nguyên

và xác lập các mô hình kinh tế sinh thái bền vững tại Tây Nguyên [18] Các nghiên cứu đánh giá vai trò của liên kết vùng giữa Tây Nguyên và các vùng lân cận trong định hướng phát triển kinh tế xã hội và du lịch cũng đã được thực hiện [4, 19] Các tác giả cũng đồng tình với quan điểm về vai trò to lớn của vùng Tây Nguyên trong duy trì sự ổn định về kinh tế xã hội cho các vùng lân cận Trong đó, tiêu biểu là nghiên cứu của nhóm tác giả Trương Quang Hải và nnk (2016) đã chỉ ra yếu tố liên kết vùng trong quy hoach lãnh thổ, đặc biệt là định hướng phát triển du lịch [19] Hướng nghiên cứu về định hướng liên kết vùng giữa Tây Nguyên và Nam Trung Bộ trong sử dụng tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và phòng tránh thiên tai khu vực Tây Nguyên cũng được tác giả Đặng Văn Bào và nnk thực hiện [4] Ngoài

ra còn một số hướng nghiên cứu khác như đánh giá thích nghi [15, 17] và xác định

cơ cấu cây trồng thông qua phân tích hiện trạng và chuyển đổi CCNLN [26, 27]; nghiên cứu sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên và phát triển bền vững [36, 43] 1.1.3.2 Tổng quan các nghiên cứu thực hiện trên lãnh thổ huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

Lãnh thổ tỉnh Lâm Đồng có diện tích khá lớn trong các tỉnh của Tây Nguyên

và có điều kiện tự nhiên đa dạng, phong phú nên đã thu hút sự quan tâm của rất

Theo hướng tiếp cận tổng hợp tài nguyên thiên nhiên, Địa chí Lâm Đồng được xuất bản năm 2001 là một công trình nghiên cứu tổng hợp về Lâm Đồng bao gồm các tri thức về tự nhiên và kinh tế xã hội của tỉnh [40] Địa chí Lâm Đồng có thể được xem là một bộ sách tổng hợp mang tính “bách khoa thư” của địa phương

đã ghi chép lại một cách tương đối toàn diện đặc điểm tự nhiên, dân cư, dân tộc, chính trị, kinh tế, văn hoá, xã hội và lịch sử đấu tranh trong suốt quá trình hình thành và phát triển Trong nghiên cứu này, các tác giả đã đánh giá tổng thể điều kiện tự nhiên của tỉnh thuận lợi cho phát triển CCNLN và đề cập đến các yếu tố kinh tế - xã hội như: tập quán canh tác, thành phần dân tộc, cơ sở hạ tầng

Các nghiên cứu liên quan đến hướng tổ chức lãnh thổ, quy hoạch phát triển kinh tế xã hội trong những năm Đổi mới, đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học và ít nhiều có liên quan đến vấn đề chuyển đổi cơ cấu CCNLN ở tỉnh Lâm Đồng Trong các nghiên cứu liên quan đến CCNLN tại Lâm Đồng thì tiêu biểu

là nghiên cứu xác định cơ cấu cây trồng của một số CCNLN của tỉnh Lâm Đồng thông qua phân tích hiện trạng và chuyển đổi CCNLN [26] Nghiên cứu này tập trung vào hướng đánh giá hiện trạng và biến động lớp phủ tỉnh Lâm Đồng sử dụng công nghệ viễn thám và GIS Trong luận án của tác giả Mai Hà Phương (2009) [26]

đã phân tích hiện trạng và biến động CCNLN dựa trên dữ liệu thống kê, các bản đồ thành lập bằng phương pháp số hóa ảnh vệ tinh để đánh giá biến động diện tích CCNLN phục vụ việc quy hoạch và chuyển đổi cơ cấu cây trồng trong nông nghiệp

và định hướng quy mô trồng CCNLN cho toàn tỉnh Lâm Đồng Các tổ chức phi

19

chính phủ như USAID, SNV, IUCN đã thực hiện các dự án liên quan đến đánh giá biến động lớp phủ đặc biệt là lớp phủ rừng trên phạm vi tỉnh Lâm Đồng Trong kết quả nghiên cứu của tác giả Vũ Tiến Điển và cộng sự (2013) đã đưa ra báo cáo mô tả chi tiết các bước và kỹ thuật thiết lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và tài nguyên rừng các năm 1990, 1995, 2000, 2005 và 2010, bản đồ diễn biến hiện trạng sử dụng đất và tài nguyên rừng cho các giai đoạn 5 năm từ năm 1990 đến năm 2010 trên cơ

sở ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS [14] Đây là những thông tin quan trọng

hỗ trợ các phân tích sâu hơn, nhằm xác định các nguyên nhân mất rừng suy thoái rừng trong quá khứ, xác định khu vực tiềm năng mất rừng, suy thoái rừng trong tương lai, từ đó đề xuất các hoạt động REDD+ dựa trên các chính sách và giải pháp

cụ thể được xem xét, đề xuất trong kế hoạch hành động REDD+ của tỉnh Lâm Đồng Dự án do UNDP và SIDA hỗ trợ đã tiến hành triển khai xây dựng mô hình thí điểm về PTBV tỉnh Lâm Đồng trong bối cảnh thực trạng phát triển kinh tế - xã hội và môi trường bị tác động nhiều bởi sự tăng trưởng kinh tế nhanh như tỉnh Lâm Đồng

Nhìn chung, các nghiên cứu ứng dụng viễn thám liên quan đến lớp phủ thực vật được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu trên phạm vi cả nước và đã đạt được những thành tựu nhất định Lãnh thổ Lâm Đồng với đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội đa dạng đã và đang được nghiên cứu từ lâu và trong đó nổi bật là các công trình nghiên cứu theo hướng tổng hợp tài nguyên thiên nhiên Số lượng các công trình nghiên cứu cơ bản khá phong phú tuy nhiên phần lớn là ở tỷ lệ nhỏ, coi huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng là một phần trong lãnh thổ nghiên cứu toàn vùng Tây Nguyên Do vậy, các nghiên cứu này có vai trò cung cấp những thông tin khái quát và định hướng Các công trình lớn như Địa chí Lâm Đồng lại mang ý nghĩa tổng quát nhiều hơn Đặc biệt còn thiếu những công trình nghiên cứu ở quy mô cấp tỉnh, cấp huyện và các nghiên cứu sử dụng một số phương pháp phân tích không gian hiện đại có ứng dụng viễn thám và GIS trong quản lý CCNLN Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu đã thực hiện ở Lâm Đồng và Tây Nguyên sẽ là nguồn tài liệu tham khảo quan trọng cho luận án và cũng là cơ sở để luận án hoàn thành các mục tiêu đã đặt ra

Quản lý CCNLN là một trong các nhiệm vụ quan trọng để quy hoạch định hướng phát triển KTXH của từng địa phương Trong các nhiệm vụ quản lý CCNLN, việc theo dõi diễn biến và xu hướng biến động diện tích CCNLN là đặc biệt quan trọng Và chỉ có viễn thám và GIS mới có khả năng cũng cấp các thông tin kịp thời

và khách quan về hiện trạng và xu hướng biến động diện tích CCNLN Nội dung nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong luận án là thành lập bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ bề mặt, đặc biệt là lớp hiện trạng CCNLN Do đó, việc ứng dụng viễn thám trong luận án hoàn toàn dựa vào các trị đo bức xạ của đối tượng mặt đất Các đối tượng có bản chất tự nhiên khác nhau sẽ cho các trị đo đa phổ khác nhau và đó

là cơ sở để để giải đoán, chiết xuất thông tin về các đặc điểm tự nhiên, đặc điểm sử dụng đất của mỗi loại lớp phủ trên lãnh thổ nghiên cứu [81, 82, 90, 93] Dữ liệu ảnh SPOT và Sentinel-2 có độ phân giải cao hơn ảnh Landsat nên có ưu thế hơn trong phân biệt lớp phủ thực vật và làm tăng độ chính xác với các vùng thực vật không rừng ở những khu vực bằng phẳng và đặc biệt là khi tích hợp với điều kiện sinh thái của CCNLN [76, 81, 90] Trong khi đó dữ liệu Landsat được sử dụng để tính toán chỉ số thực vật NDVI vào thời điểm thu hoạch hầu hết các loại cây hàng năm nhằm xác định khu vực có thực vật và không có thực vật để giảm thiểu sự nhầm lẫn khi phân loại CCNLN và cây hàng năm Việc kết hợp hai loại tư liệu trên trong luận án cho phép đảm bảo về mặt độ phủ thời gian và phù hợp với các tiêu chí chọn dữ liệu thực hiện trong luận án Tiêu chí để chọn dữ liệu phù hợp với mục tiêu đặt ra của luận án gồm các tiêu chí (i) đáp ứng độ phân giải không gian để lập bản đồ cấp huyện và có độ phân giải cao hơn các dữ liệu được sử dụng trong các nghiên cứu trước đây về lập bản đồ CCNLN mà độ chính xác tổng thể chưa cao; (ii) đáp ứng độ phủ về mặt thời gian khi kết hợp với chu trình sinh trưởng và lịch mùa vụ, vì thế

21

luận án sử dụng kết hợp dữ liệu ảnh Landsat Do đó, việc xây dựng cơ sở tri thức theo quan điểm của Burrough [54] là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của luận án nhằm xây dựng mô hình khái niệm cho việc ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu CCNLN Các mối quan hệ này được sử dụng trong việc tích hợp các thông tin chiết xuất từ dữ liệu viễn thám với các thông tin tham khảo trên cơ sở dữ liệu GIS

Các ứng dụng viễn thám trong các lĩnh vực khác nhau đều có ưu nhược điểm nhất định Cụ thể trong luận án, vai trò quan trọng của viễn thám trong quản lý CCNLN được thể hiện ở các khía cạnh sau:

- Độ phủ không gian lớn: đối với lãnh thổ cấp huyện ưu thế rõ ràng của dữ liệu viễn thám là độ phủ không gian của mỗi cảnh ảnh lớn và điều này cho phép dữ liệu cung cấp thông tin trên một vùng rộng lớn tại cùng một thời điểm mà phương pháp khảo sát ngoài thực địa khó thực hiện được [90] Huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng là khu vực nghiên cứu ứng dụng dữ liệu ảnh viễn thám có diện tích gần bằng một cảnh ảnh SPOT

- Độ phân giải thời gian: khi so sánh với các nguồn dữ liệu khác, dữ liệu viễn thám tỏ ra ưu thế hơn hẳn khi có thể cung cấp dữ liệu với tần suất vài ngày một lần tại cùng một khu vực nghiên cứu Điều này cho phép chúng ta có thể cập nhật dữ liệu thường xuyên hơn trên cả phạm vi cấp huyện khi kết hợp được hai lợi thế của

dữ liệu viễn thám đó là độ phủ không gian và thời gian

Cơ sở để phân biệt được các loại lớp phủ khác nhau từ ảnh viễn thám dựa vào hành vi phổ phản xạ của từng đối tượng khác nhau [83] Mỗi một đối tượng tự nhiên khác nhau có giá trị phản xạ phổ khác nhau ở từng dải sóng khác nhau Vì vậy theo lý thuyết hoàn toàn có thể phân biệt được các đối tượng tự nhiên khác nhau dựa vào sự khác biệt về đường cong phổ này Tuy nhiên, giá trị phản xạ đo được trên ảnh viễn thám lại tính cho từng điểm ảnh (pixel) nên ứng với mỗi độ phân giải khác nhau thì khả năng phân biệt được pixel đó thuộc đối tượng tự nhiên nào lại khác nhau và phụ thuộc vào (i) độ dài của dải sóng sử dụng (hay số lượng các kênh phổ của ảnh viễn thám); (ii) kích thước của pixel đó (độ phân giải không gian

22

càng cao khả năng phân biệt đối tượng đó càng dễ) và (iii) sự đồng nhất về lớp phủ trong pixel đó Ví dụ, một pixel trên thực tế có 40% diện tích che phủ là thực vật và 30% là nhà ở và 30% là mặt nước thì khả năng phân biệt pixel đó là thuộc lớp nào

là rất khó khi chỉ sử dụng các thông tin về giá trị phổ phản xạ Do đó, việc lẫn phổ (spectral confusion) trong các ứng dụng viễn thám gặp phải là vấn đề lớn cần phải giải quyết Một số nghiên cứu đã chỉ ra có sự nhầm lẫn khi phân loại giữa CCNLN với các loại thực phủ khác [60], [102]

Trong luận án, chỉ số thực vật được sử dụng để xác định vùng có thực vật và không thực vật trong thời điểm thu hoạch hầu hết các loại cây hàng năm Bảng 1 3 dưới đây liệt kê các loại chỉ số thực vật phổ biến trong các ứng dụng viễn thám trên thế giới Căn cứu vào mục tiêu của luận án là phân ra vùng có và không có thực vật làm đầu vào cho việc phân loại lớp phủ CCNLN, chỉ số NDVI do nhóm nghiên cứu của Rouse và nnk đã phát triển vào năm 1973 được lựa chọn sử dụng [111]

Bảng 1 3 Các loại chỉ số thực vật phổ biến, trong đó L là số hiệu chỉnh được đặt giá trị 0.5; a,

a: gain của kênh

b: offset của kênh

Richardson và Wiegand (1971)

RED NIR

RED NIR NDVI

)1()(

)(

LLREDNIR

REDNIR

2

abRED

NIRSAVI





RED NIR

2

1 a

baREDNIR

lý cây công nghiệp lâu năm là chuyển đổi các dữ liệu không gian thành các thông tin hữu ích cho việc phân tích phục vụ việc phân loại, giám sát diễn biến CCNLN

Cơ sở khoa học ứng dụng GIS để phân tích không gian các thông tin liên quan đến CCNLN một cách có hệ thống Trong luận án, GIS chính là môi trường để chuẩn hóa, lưu trữ và phân tích các lớp dữ liệu chuyên đề, bản đồ hóa và tạo giá trị gia tăng từ cơ sở dữ liệu phân tích từ ảnh viễn thám Quá trình chuyển đổi các thông tin chuyên đề vào trong hệ GIS được thực hiện theo các bước: nắn chỉnh hình học; chuyển đổi hệ tọa độ, nhập thuộc tính Ngoài ra các dữ liệu thuộc tính như dữ liệu thống kê kinh tế xã hội, môi trường của huyện Bảo Lâm và tỉnh Lâm Đồng cũng được không gian hóa bằng cách nhập thuộc tính theo (i) dạng vùng dựa trên ranh giới hành chính cấp tỉnh, huyện, xã; (ii) theo dạng điểm như UBND xã, điểm quan trắc, điểm dân cư và theo (iii) dạng đường: đường giao thông và sông

1.2.2 Đánh giá hiện trạng và xu hướng biến động diện tích cây công nghiệp lâu năm trong mối quan hệ với biến động lớp phủ rừng

Trong quy hoạch các ngành khác nhau, bản đồ hiện trạng luôn được sử dụng như một thông tin quan trọng để phục vụ việc quy hoạch Vì vậy, cần xác định rõ vai trò của lớp thông tin hiện trạng phục vụ gì trong quản lý CCNLN Bản đồ hiện trạng và biến động lớp phủ CCNLN không những là lớp thông tin đầu vào quan trọng phục vụ quy hoạch mà còn thể hiện các mối quan hệ giữ ĐKTN và KTXH của khu vực nghiên cứu Việc tích hợp viễn thám và GIS ngày càng được ứng dụng

1.2.2.1 Đánh giá, lựa chọn phương pháp phân loại ảnh viễn thám độ phân giải cao khu vực nghiên cứu huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

Các phương pháp phân loại số ảnh vệ tinh truyền thống thường được sử dụng thường dựa trên đặc trưng phổ của các pixel Xu hướng ứng dụng hiện nay là sử dụng các hệ thống phức tạp hơn như hệ thống chuyên gia (Expert System – ES) có tích hợp các thông tin tham khảo (ancillary data) trong quá trình phân loại và tiêu biểu phải kể đến một số hệ thống chuyên gia (Expert System) ES như: Rule-based system; Knowledge-based system; Neural networks; Fuzzy expert systems; Object-oriented, Modeling, ES là một nhánh của các ứng dụng trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence-AI), và được phát triển bởi cộng đồng AI từ giữa thập kỷ 60s Ý tưởng đằng sau của hệ thống ES rất đơn giản là ứng dụng kiến thức chuyên gia như hàng loạt cái hiểu biết về một nhiệm vụ rõ ràng được truyền tải vào máy tính để xử lý, phân tích [113] Một hệ thống Rule-based chứa những thông tin thu được từ những hiểu biết của con người và truyền tải những thông tin đó vào trong các mẫu luật ví

dụ như “nếu…thì…” [113] Các ứng dụng liên quan đến hệ thống Rule-based ES như ứng dụng trong quản lý cây hàng năm (cây thuộc họ cà) [94]; hệ thống thông minh phân loại băng [115] hay trong phân loại cây hàng năm sử dụng dữ liệu viễn thám khác nhau và đa thời gian [107] Thứ hai, hệ thống Knowledge-based System với điểm nhấn là có các thông tin gốc ngoài thực địa của trí trí tuệ nhân tạo mà họ

cố gắng hiểu và truyền tải những hiểu biết này trong hệ thống máy tính [124] Các ứng dụng của hệ thống này phải kể đến như quy hoạch sản lượng cây trồng [71]; quản lý mùa vụ [56]; phân loại lớp phủ sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao [129] Hệ thống Neural networks là mô hình phân tích mạng lưới, thường phát triển

25

trên các phần mềm mô phỏng và cũng được ứng dụng trong phân loại lớp phủ [47, 104] Tiếp theo là hệ thống Fuzzy expert systems (Support Vector Machine, Fuzzy, Bayesian networks,…) sử dụng tư duy toán học về logic mờ để mô tả các suy luận phổ biến của con người ứng dụng trong việc hỗ trợ ra quyết định ở những vùng

“xám” trong việc xác định vùng này là “đen hay trắng” Hệ thống này cũng có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng trong nông nghiệp [86], trong lập bản đồ cây cà phê [102] Ngoài ra, trong các hệ thống phân loại phức tạp này còn có một số hệ thống được xây dựng thành các mô hình phục vụ việc phân loại các đối tượng thực phủ khác nhau Các mô hình này được xây dựng thường dựa trên các mô hình logic khác nhau nhằm đưa ra phương pháp tối ưu để phân tích dữ liệu chuyên đề kết hợp với kiến thức chuyên gia Một số mô hình như vậy đã được một số nhà nghiên cứu ứng dụng trong phân loại ảnh vệ tinh để lập bản đồ cà phê [78, 108]

Phương pháp phân loại định hướng đối tượng (ĐHĐT, tên tiếng anh là Object-oriented) là một trong các hệ thống phân loại phức hợp và được ứng dụng trong các nghiên cứu lập bản đồ hiện trạng lớp phủ Phương pháp tiếp cận hướng đối tượng cho phép sử dụng các thông tin như hình dạng, các mối quan hệ về bối cảnh của các đối tượng và các hiểu biết về chuyên đề để phân biệt các dạng lớp phủ

mà khó phân biệt nhờ đặc tính phổ [53] Phương pháp này dựa trên việc tạo ra các đối tượng ảnh nhờ quá trình phân đoạn ảnh (segmentation) và sau đó phân loại các đối tượng ảnh đó Phân đoạn ảnh thực chất là việc gộp nhóm những pixel cạnh nhau

có những đặc điểm tương tự nhau về thông tin phổ và không gian [49, 53, 63, 74] Trong đó, phân đoạn ảnh được thực hiện dựa trên việc lựa chọn các trọng số về hình dạng, màu sắc, độ chặt, độ trơn [46] Ngoài ra, thông số tỷ lệ là một thông số quan trọng có tác động trực tiếp tới kích thước của mỗi đối tượng ảnh Hiện nay, có một

số thuật toán phân đoạn ảnh chủ yếu là “region growing” [52]; “meanshift filter” [58]; “multi resolution segmentation” [46] và một số thuật toán khác ít được sử dụng đến Một đặc điểm nữa của phương pháp phân loại ĐHĐT là nguyên lý phân cấp (hierarchy) đối tượng Cách phân cấp như vậy nhằm đảm bảo rằng mỗi đối tượng được phân loại theo một thuật toán khác nhau nhưng các đối tượng thuộc một nhóm sẽ có thể kế thừa các đặc trưng chung của nhóm Các mức phân mảnh ảnh đã

26

được đề cập ở phần trên là phân mảnh vùng Trong xử lý, mọi thao tác phân mảnh ảnh đều được thực hiện một cách ngẫu nhiên và theo phân cấp Mỗi đối tượng được phân mảnh ra đều có thể có quan hệ với các đối tượng ở mức cao hay thấp hơn [46]

Những công trình nghiên cứu gần đây đã cho thấy phương pháp phân loại định hướng đối tượng có độ chính xác tổng thể của kết quả phân loại cao hơn phương pháp phân loại pixel-based khi áp dụng cho nhiều dữ liệu ảnh viễn thám khác nhau [65, 77, 95, 105, 125, 127] Việc phân loại lớp phủ bằng phương pháp ĐHĐT sử dụng ảnh độ phân giải cao như SPOT-5 kết hợp sử dụng nhiều lớp chuyên đề khác đã cải thiện nhiều độ chính xác so với phương pháp phân loại pixel-based truyền thống [65] Hệ thống phân loại ĐHĐT được phát triển trên một số phần mềm tích hợp phân tích đối tượng về hình dạng, kích thước và các lớp thông tin liên quan để để xác định từng đối tượng thuộc một lớp nào đó Các ứng dụng được thực hiện từ năm 2000 trở lại đây liên quan đến phân loại cây hàng năm [92,

112, 131], chuyển đổi đất nông nghiệp [110]

Như vậy, các hệ thống phân loại phức tạp được phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều và thể hiện qua số lượng các công trình được công bố liên quan đến các

hệ thống trên Tuy nhiên, các hệ thống ES ứng dụng trong việc lập bản đồ CCNLN còn hạn chế nhất là các phương pháp phân loại có tích hợp các thông tin về điều kiện tự nhiên, nông lịch và đặc điểm sinh thái CCNLN nhằm cải thiện độ chính xác của kết quả phân loại Việc lựa chọn phương pháp phân loại phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: mục đích sử dụng và nghiên cứu, phạm vi và vị trí khu vực phân loại, loại ảnh viễn thám Trong luận án, các thông tin về điều kiện tự nhiên, nông lịch và đặc điểm sinh thái CCNLN được tích hợp trong phương pháp phân loại định hướng đối tượng (ĐHĐT) sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao áp dụng cho huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng

1.2.2.2 Lựa chọn phương pháp đánh giá biến động lớp phủ

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của ứng dụng ảnh viễn thám

độ phân giải cao trong giám sát và đánh giá biến động lớp phủ thực vật đặc biệt là lớp phủ CCNLN [28] Trong hai phương pháp phổ biến được sử dụng để đánh giá

số từ các phép phân loại độc lập từng ảnh Trong phương pháp này, quá trình xác định ngưỡng thay đổi và không thay đổi là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đánh giá biến động này Một số tác giả đã thử nghiệm kết hợp cả hai phương pháp trên để đánh giá biến động lớp phủ thực vật, điển hình

là công bố của Ding Yuan và nnk (1998) đã đánh giá các phương pháp đa phổ phân hiện biến động lớp phủ sử dụng ảnh viễn thám [66] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp so sánh phổ để loại bỏ nhũng khu vực không có sự khác biệt đáng kể và áp dụng phương pháp phân tích sau phân loại vào những khu vực được cho là có biến động [66] Trong luận án, để đáp ứng độ phủ về mặt thời gian, nhiều nguồn ảnh viễn thám khác nhau được sử dụng Do đó, trong luận án sử dụng phương pháp phân tích sau phân loại để đánh giá biến động nhằm giảm thiểu sai số do sử dụng nhiều loại ảnh viễn thám khác nhau gây ra

1.2.2.3 Đánh giá mối quan hệ giữa biến động lớp phủ với các đặc điểm về điều kiện

tự nhiên và kinh tế xã hội

Phương pháp thống kê cho phép tóm tắt và trình bày một cách dễ hiểu các thông tin bằng số, kiểm định một giả thuyết hoặc dự báo về khả năng xảy ra của một biến cố nào đó Bài toán phân tích hồi quy là bài toán thiết lập mối quan hệ giữa một đối tượng đang được quan tâm (biến phụ thuộc) và các đối tượng tác động liên quan (các biến độc lập) để đưa ra những phân tích đánh giá vai trò của các biến phụ thuộc với các biến độc lập theo ý nghĩa thống kê Khi biến phụ thuộc là biến nhị phân hay rời rạc thì mô hình hồi quy tuyến tính không thể áp dụng được vì biến phụ thuộc không liên tục (ở đây là dạng nhị phân) Mục tiêu của hồi qui Logistic là