Ứng dụng ảnh viễn thám xây dựng bản đồ phân bố độ ẩm đất theo các trạng thái thực vật tại rừng thực nghiệm núi luốt thị trấn xuân mai TP hà nội

47 Bảng 4.4: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng keo tai tượng.. 63 Bảng 4.8: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo ph

LỜI CẢM ƠN

Để đánh giá kết quả học tập, rèn luyện và đào tạo tại trường Đại Học Lâm Nghiệp Việt Nam qua khóa học 2014 – 2018 Được sự đồng ý của Ban Giám Hiệu Nhà trường, Ban Chủ Nhiệm Khoa Quản Lý Tài Nguyên Rừng & Môi Trường, sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hải Hòa

Tôi đã thực hiện khóa luận: “Ứng dụng ảnh viễn thám xây dựng bản đồ phân bố độ ẩm đất theo các trạng thái thực vật tại rừng thực nghiệm Núi Luốt thị trấn Xuân Mai, TP Hà Nội” Sau thời gian dài thực tập, nghiên cứu

đến nay bài khóa luận của tôi đã hoàn thành Ngoài sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và động viên của nhà trường, Khoa Quản Lý TNR&MT, thầy giáo hướng dẫn

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hải Hòa người đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá suốt quá trình nghiên cứu đề tài Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy cô trong bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường, Trung Tâm Thí Nghiệm Thực Hành đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình phân tích, thu thập số liệu cần thiết trong quá trình điều tra thực địa Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, gia đình đã luôn ủng hộ

và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm khóa luận

Mặc dù khóa luận đã hoàn thành thế nhưng thời gian và năng lực của bản thân còn nhiều hạn chế Do vậy không thể tránh khỏi những sai sót nhất định, kính mong nhận được ý kiến đóng góp, bổ sung từ thầy cô, bạn bè để khóa luận được đầy đủ và hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Xuân Mai, ngày tháng năm 2018

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Mơ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH viii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám và ArcGIS 2

1.1.1 Khái niệm về viễn thám 2

1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của viễn thám 2

1.1.3 Khái niệm về GIS 7

1.1.4 Các chức năng của GIS 8

1.2 Thảm thực vật và chỉ số thực vật 10

1.2.1 Thảm thực vật 10

1.2.2 Phân loại lớp phủ thực vật 10

1.2.3 Chỉ số khác biệt thực vật NDVI 11

1.2.4 Chỉ số TVDI 11

1.3 Độ ẩm đất 13

1.4 Phần mềm thống kê R 13

1.5 Ứng dụng của viễn thám trong đánh giá thảm thưc vật 15

1.5.1 Trên thế giới 15

1.5.2 Tại Việt Nam 16

CHƯƠNG II MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 19

2.1.1 Mục tiêu chung 19

2.1.2 Mục tiêu cụ thể 19

2.1.3 Vật liệu nghiên cứu 19

2.2 Phạm vi nghiên cứu 19

2.3 Nội dung nghiên cứu 20

2.3.1 Nghiên cứu hiện trạng lớp phủ thực vật tại khu vực nghiên cứu 20

2.3.2 Nghiên cứu xây dựng bản đồ độ ẩm đất 20

2.3.3 Đánh giá mô hình tương quan giữa yếu tố độ ẩm đến các lớp phủ thực vật tại khu vực nghiên cứu 20

2.3.4 Đề xuất các biện pháp cải thiện độ ẩm dưới các lớp phủ thực vật tại khu vực nghiên cứu 20

2.4 Phương pháp nghiên cứu 21

2.4.1 Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật 21

2.4.2 Xây dựng bản đồ độ ẩm đất theo các trạng thái thực vật 23

2.4.3 Xây dựng bản đồ chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật TVDI 27

2.4.4 Xây dựng mô hình tương quan giữa yếu tố độ ẩm đến các lớp phủ thực vật tại khu vực nghiên cứu 31

2.4.5 Đề xuất các biện pháp cải thiện độ ẩm đất tại khu vực nghiên cứu 33

PHẦN III ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 34

3.1 Điều kiện tự nhiên 34

3.1.1 Vị trí địa lý và ranh giới 34

3.1.2 Địa hình 35

3.1.3 Địa chất thổ nhưỡng 35

3.1.4 Khí hậu thủy văn 36

3.1.5 Động vật và thực vật 37

3.2 Điều kiện kinh tế xã hội 37

3.2.1 Kinh tế xã hội 37

PHẦN IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LU N 41

4.1 Hiện trạng lớp phủ thực vật tại rừng thực nghiệm Núi Luốt năm 2018 41

4.1.1 Hiện trạng lớp phủ tại khu vực nghiên cứu 41

4.2.2 Nhiệt độ bề mặt đất 44

4.2.3 Tính toán cạnh khô 45

4.2.4 Chỉ số TVDI năm 2018 45

4.3 Đánh giá độ ẩm đất theo các trạng thái thực vật tại rừng thực nghiệm núi luốt năm 2018 47

4.3.1 Đánh giá độ ẩm đất rừng Keo tai tượng 48

4.3.2 Đánh giá độ ẩm đất rừng hỗn giao 50

4.3.3 Đánh giá độ ẩm đất rừng thông 53

4.3.4 Đánh giá độ ẩmrừng bạch đàn 57

4.4 Đánh giá mối quan hệ giữa độ ẩm đất theo các trạng thái thảm thực vật rừng thông qua phần mềm thống kê R 59

4.4.1 Mối quan hệ giữa độ ẩm đất theo trạng thái thực vật rừng keo tai tượng 59

4.4.2 Mối quan hệ giữa độ ẩm đất theo trạng thái thực vật rừng hỗn giao 65

4.4.3 Mối quan hệ giữa độ ẩm đất theo trạng thái thực vật rừng thông 72

4.4.4 Mối quan hệ giữa độ ẩm đất theo trạng thái thực vật rừng bạch đàn 78

4.5 So sánh mối quan hệ tương quan giữa các trạng thái thực vật 84

4.6 Đề xuất giải pháp bảo vệ, phát triển thảm thực vật rừng và duy trì, cải thiện độ ẩm đất tại khu vực nghiên cứu 86

4.6.1 Nâng cao chất lượng quản lý tại rừng 86

4.6.2 Ứng dụng khoa học kỹ thuật 86

4.6.3 Giải pháp duy trì và cải thiện độ ẩm đất rừng tại khu vực nghiên cứu 86 Chương V KẾT LU N, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 89

5.1 Kết Luận 89

5.2 Tồn tại 90

5.3 Kiến nghị 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

GIS Geographic Information System

NASA National Aeronautics and Space Administration NDVI Normalized Difference Vegetation Index

TVDI Temperature vegetation dryness index

VNUF Vietnam National University of Forestry

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Giai đoạn phát triển viễn thám 5

Bảng 2.1: Dữ liệu ảnh viễn thám 19

Bảng 2.2: Ký hiệu trong GPS khi đi thực địa 22

Bảng 2.3: Dụng cụ thực hành 24

Bảng 2.4: Thiết bị và dụng cụ 25

Bảng 2.5: Giá trị các band của ảnh Landsat 8 28

Bảng 2.6: Giá trị hệ số K1, K2 của ảnh Landsat 8 29

Bảng 2.7: Giá trị kênh cận hồng ngoại và kênh đỏ đối với ảnh viễn thám Landsat 30

Bảng 2.8: Phân mức ý ngh a giá trị tương quan Person 33

Bảng 3.1: Báo cáo tổng kết 2017 38

Bảng 4.1: Diện tích vàc các trạng thái thực vật tại khu vực nghiên cứu 42

Bảng 4.2: Độ chính xác của bản đồ hiện trạng 43

Bảng 4.3: So sánh độ chính xác của ba phương pháp xác định độ ẩm đất tại khu vực nghiên cứu 47

Bảng 4.4: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng keo tai tượng 60

Bảng 4.5: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồnvới chỉ số NDVI của trạng thái thực vật keo tai tượng……….….61

Bảng 4.6: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đo nhanh với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật keo tai tượng 62

Bảng 4.7: Đánh giá mô hình tương quan 63

Bảng 4.8: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng hỗn giao 66

Bảng 4.9: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đo nhanh với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng hỗn giao 67

Bảng 4.10: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng hỗn giao 68

Bảng 4.11: Đánh giá mô hình tương quan 69

Bảng 4.12: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng Thông 72 Bảng 4.13: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng thông 73 Bảng 4.14: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đo nhanh với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng thông 75 Bảng 4.15: Đánh giá mô hình tương quan 76 Bảng 4.16: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng Bạch đàn 78 Bảng 4.17: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đôt cồn với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng bạch đàn 80 Bảng 4.18: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đo nhanh với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật rừng Bạch đàn 81 Bảng 4.19: Đánh giá mô hình tương quan 82 Bảng 4.20: Bảng so sánh mức độ tương quan của các trạng thái thực vật 84

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của viễn thám 6

Hình 1.2: Tam giác không gian Ts/NDVI 12

Hình 3.1: Vị trí khu vực nghiên cứu 34

Hình 4.1: Hiện trạng lớp phủ thảm thực vật rừng và vị trí các điểm điều tra hiện trạng 41

Hình 4.2: Giá trị NDVI tại khu vực nghiên cứu 43

Hình 4.3: Nhiệt độ mặt đất tại khu vực nghiên cứu 44

Hình 4.4: Giá trị TVDI tại khu vực nghiên cứu năm 2018 46

DANH MỤC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 2.1: Tổng quan phương pháp sử dụng trong đề tài 21

Sơ đồ 2.2: Phương pháp xây dựng bản đồ TVDI 27

Sơ đồ 2.3: Phương pháp xây dựng bản đồ nhiệt bề mặt đất LST 28

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 4.1: Mối tương quan giữa giá trị NDVI với nhiệt độ bề mặt 45

Biểu đồ 4.2: Phân bố độ ẩm theo phương pháp tủ sấy tại rừng keo 48

tai tượng 48

Biểu đồ 4.3: Phân bố độ ẩm theo phương pháp đốt cồn tại rừng keo 49

tai tượng 49

Biểu đồ 4.4: Biểu đồ phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy tại rừng hỗn giao 51

Bảng 4.5: Mô hình tương quan giữa độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn với chỉ số NDVI của trạng thái thực vật keo tai tượng 61

Biểu đồ 4.6: Biểu đồ phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn của rừng hỗn giao 52

Biểu đồ 4.7: Phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đo nhanh tại rừng hỗn giao 53

Biểu đồ 4.8: Phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy tại 54

rừng thông 54

Biểu đồ 4.9: Phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn tại 55

rừng thông 55

Biểu đồ 4.10: Phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đo nhanh tại rừng thông 56

Biểu đồ 4.11: Phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy của rừng bạch đàn 57

Biểu đồ 4.12: Phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn của rừng bạch đàn 58

Biểu đồ 4.13: Phân bố giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đo nhanh của rừng bạch đàn 59

Biểu đồ 4.14: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp tủ sấy với chỉ số NDVI tại rừng keo tai tượng 60

Biểu đồ 4.15: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn với chỉ số NDVI tại rừng keo tai tượng 61 Biểu đồ 4.16: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp

đo nhanh với chỉ số NDVI tại rừng keo tai tượng 62 Biểu đồ 4.17: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp

tủ sấy với chỉ số NDVI tại rừng hỗn giao 67 Biểu đồ 4.18: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp

đo nhanh với chỉ số NDVI tại rừng hỗn giao 68Biểu đồ 4.19: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn với chỉ số NDVI tại rừng hỗn giao 69 Biểu đồ 4.20: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp

tủ sấy với chỉ số NDVI tại rừng thông 73 Biểu đồ 4.21: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn với chỉ số NDVI tại rừng thông 74 Biểu đồ 4.22: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp

đo nhanh với chỉ số NDVI tại rừng thông 76 Biểu đồ 4.23: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp

tủ sấy với chỉ số NDVI tại rừng bạch đàn 79 Biểu đồ 4.24: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp đốt cồn với chỉ số NDVI tại rừng bạch đàn 81 Biểu đồ 4.25: Mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị độ ẩm đất theo phương pháp

đo nhanh với chỉ số NDVI tại rừng bạch đàn 82

ĐẶT VẤN ĐỀ

Thảm thực vật rừng có vai trò quan trọng trong đời sống, đặc biệt là vai trò trong các chu trình vật chất tự nhiên, bảo vệ con người tránh khỏi các thiên tai như hạn hán lũ lụt, điều tiết dòng chảy, bảo vệ đất khỏi bị xói mòn rửa trôi, điều hòa khí hậu…

Thị trấn Xuân Mai thuộc huyện Chương Mỹ thành phố Hà Nội nằm trên điểm giao nhau giữa Quốc lộ 6 và Quốc lộ 21 nay là Đường Hồ Chí Minh, cách trung tâm thủ đô Hà Nội 33 km về phía Tây, là một trong 5 đô thị trong chuỗi đô thị vệ tinh của Hà Nội Đặc biệt rừng thực nghiệm Núi Luốt nơi học tập, thể dục thể thao, vui chơi giải trí Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam VNUF -Vietnam National University of Forestry) Lớp phủ thực vật tại đây rất đa dạng

và phong phú, có thê kể đến một số loài cây đặc trưng như: keo Lá Tràm, keo Tai Tượng, Thông, Bạch Đàn…

Trong bối cảnh ảnh hưởng của biến đổi khí hậu hiện nay, để hạn chế tối đa những tác động do biến đổi khí hậu, chúng ta cần phải nắm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến lớp thảm thực vật rừng như: nhiệt độ không khí, ánh sáng mặt trời, lượng mưa, độ ẩm đất …

Nhằm cung cấp cơ sở dữ liệu, ứng dụng của viễn thám trong việc quản lý

bền vững lớp thảm thực vật, em xin đề xuất đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng ảnh viễn thám xây dựng bản đồ phân bố độ ẩm đất theo các trạng thái thực vật tại rừng thực nghiệm Núi Luốt thị trấn Xuân Mai, TP Hà Nội” sẽ làm cơ sở để đưa ra được các giải pháp cải thiện độ ẩm đất rừng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám và ArcGIS

1.1.1 Khái niệm về viễn thám

Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về một vật thể, một vùng hoặc một hiện tượng, qua phân tích dữ liệu thu được bởi một phương tiện

không tiếp xúc với vật, vùng hoặc hiện tượng khi khảo sát (Lillesand và Kiefer,

1986)

Viễn thám là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện mà không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tượng

(Giáo trình viễn thám (2011), NXB Nông Nghiệp, Hà Nội PGS.TS Nguyễn Khắc

Thời (Chủ biên))

1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của viễn thám

Viễn thám là ngành khoa học có lịch sự phát triển lâu đời, nghiên cứu thông tin về một vật, hiện tượng gián tiếp trên dữ liệu thu được bằng phương pháp chụp ảnh hàng không, ảnh radar ảnh vệ tinh

Viễn thám là môn khoa học, thực sự phát triển hơn ba thập kỷ gần đây, khi

mà công nghệ vũ trụ đã cho các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ vệ tinh trên

quỹ đạo của trái đất Thuật ngữ viễn thám được đưa ra vào năm 1960 bởi Evenlyn Pruitt thuộc viên hải quân Hoa Kỳ Tuy nhiên, lịch sử của viễn thám đã

có từ lâu đời

Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh

mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là các nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng photo Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi stereo , thực hiện theo phương đứng và xiên, cung

trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn hoặc một phương tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không Các ảnh thu được từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh đã thể hiện ưu thế của việc nghiên cứu trái đất Tiếp theo, tàu Apodo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và

đa phổ, có kích thước ảnh 70mm, chụp về trái đất đã cho ra các thông tin vô cùng hữu ích trong nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu trái đất và vũ trụ

Việc nghiên cứ trái đất được đã được thực hiện trên các con tàu vũ trụ có người như Soyuz, các tàu Meteor và Cosmos từ năm 1961 , hoặc trên các trạm trào mừng Salyt Sản phẩm thu được là các ảnh chụp trên các thiết bị quét đa phổ phân giải cao, như MSU-E (trên Meteor - priroda , các bức ảnh chụp từ vệ tinh Comos có dải phổ trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao Một ngành chụp ảnh, được thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn hoặc một phương tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không Các ảnh thu được từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh

Đầu tiên là các bức ảnh chụp từ khinh khí cầu năm 1858 Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m chụp ảnh vùng Bievre, Pháp Một

trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng

Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860 Năm 1909 phi công Wilbur

Wright đã chụp được bức ảnh đầu tiên từ máy bay khi bay qua vùng Centocelli ở

Ý Mãi đến chiến tranh thứ nhất (1914-1918), chụp ảnh hàng không được sử dụng với quy mô lớn và có hệ thống, đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự, công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều người hoạt động trong l nh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh

và đo đạc ảnh, đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối tượng từ dữ liệu ảnh Đến cuối chiến tranh thứ nhất, đã có cải tiến đáng kể

về máy bay, thiết bị xử lý của máy ảnh và số lượng người có kinh nghiệm chụp

ảnh trên không, xử lý ảnh tăng lên đáng kể Những cải tiến về thiết bị chụp ảnh được giới thiệu và những năm 1920, 1930 chụp ảnh trên không trở thành thông tin đáng tin cậy để biên tập bản đồ

Chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1954) đã tạo tiền đề cho sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật viễn thám, không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích

quân sự Công nghệ giải đoán ảnh trở nên tinh vi và đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là ảnh màu đã tạo điều kiện thuận tiện cho việc thu thập thông tin về độ sâu, chướng ngại vật dưới đáy biển, điều mà bản đồ hàng hải không làm được Tiến

bộ của công nghệ radar cho phép phát triển giám sát và nhận ra những thiết bị trong phạm vi hẹp Trong những năm 1950 hệ thống hồng ngoại được phát triển,

nó cung cấp hình ảnh bức xạ của vật thể và địa vật

Các trung tâm nghiên cứu mặt đất được ra đời như cơ quan vũ trụ châu Âu ESA, Chương trình vũ trụ NASA của Mỹ Ngoài ra thống kê ở trên có thể kể đến các chương trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám ở các nước như Canada, Ấn Độ, Nhật, Pháp, Trung Quốc Sự phát triển của viễn thám được thể hiện qua Bảng 1.1

B ng 1: Giai o n phát triển viễn thám

Xây dựng học thuyết và phổ điện từ Chụp ảnh từ máy bay

Giải đoán từ không trung Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không Phát triển kỹ thuật Radar Đức, Mỹ, Anh) Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay Xác định giải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy Nghiên cứ sâu về ảnh cho mục đích quân sự

Liên xô phóng tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ

Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám

Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số

Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat

Mỹ phóng vệ tinh SPOT vào quỹ đạo Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ phân giải bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử

lý mới

( Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)

Vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS sau đổi tên là Landsat-1 , là các vệ tinh thế hệ mới hơn như Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5 Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV Return Beam Vidicon với ba kênh phổ khác nhau Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB 1973 và HCMM

1978 Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7, Landsat-8 đặc biệt là ảnh Planet có độ phân giải 3*3 m thích hợp cho việc thành lập bản đồ hiện trạng với độ chính xác cao, đồng thời cung cấp cho chúng ta rất nhiều

thông tin bổ ích trong nghiên cứu trái đất (Nguyễn Khắc Thời, 2011)

1.1.2.1 Nguyên lý hoạt động của viễn thám

Nguyên lý hoạt động của viễn thám là sử dụng bức xạ điện từ tới vật thể

và thu lại tín hiệu phản hồi bằng bộ cảm Thiết bị dùng để ghi nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến Bộ cảm biến có thể là máy chụp ảnh hoặc máy quét, phương tiện mang các bộ cảm biến gọi là vật mang, các vật mang cơ bản hiện nay bao gồm máy bay, vệ tinh……

1 Nguồn phát năng lượng A - yêu cầu đầu tiên cho viễn thám là có nguồn năng lượng phát xạ để cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm

2 Sóng điện từ và khí quyển (B) - khi năng lượng truyền từ nguồn phát đến đối tượng, nó sẽ đi vào và tương tác với khí quyển mà nó đi qua Sự tương tác này

có thể xảy ra lần thứ 2 khi năng lượng truyền từ đối tượng tới bộ cảm biến

3 Sự tương tác với đối tượng C - một khi năng lượng gặp đối tượng sau khi xuyên qua khí quyển, nó tương tác với đối tượng Phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng và sóng điện từ mà năng lượng phản xạ hay bức xạ của đối tượng có

6 Sự giải đoán và phân tích F - ảnh được xử lý ở trạm thu nhận sẽ được giải đoán trực quan hoặc được phân loại bằng máy để tách thông tin về đối tượng

7 Ứng dụng G - đây là thành phần cuối cùng trong qui trình xử lý của công nghệ viễn thám Thông tin sau khi được tách ra từ ảnh có thể được ứng dụng để hiểu tốt hơn về ñối tượng, khám phá một vài thông tin mới hoặc hỗ trợ cho việc giải quyết một vấn đề cụ thể Trần Thống Nhất và Nguyễn Kim Lợi, 2009

1.1.3 Khái niệm về GIS

GIS là viết tắt của thuật ngữ Geographic Information System

Hệ thống thông tin địa lý GIS ( viết tắt của cụm từ tiếng Anh Geographic Information Systems) là một công cụ tập hợp những quy trình dựa trên máy tính

để lập bản đồ, lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật hiện tượng thực trên trái đất, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược.Thuật ngữ này được biết đến từ những năm 60 của thế kỉ 20 và Giáo sư Roger Tomlinson được

cả thế giới công nhận là cha đẻ của GIS

Theo ESRI, tập đoàn nghiên cứu và phát triển các phần mềm GIS nổi tiếng,

Hệ thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức, bao gồm hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích, và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý

Hệ thống thông tin địa lý được định ngh a như là một hệ thống thông tin

mà nó sử dụng dữ liệu đầu vào, các thao tác phân tích, cơ sở dữ liệu đầu ra liên quan về mặt địa lý không gian, nhằm hỗ trợ việc thu nhận, lưu trữ, quản lí, xử lí, phân tích và hiển thị các thông tin không gian từ thế giới thực để giải quyết các

vấn đề tổng hợp từ thông tin cho các mục đích con người đặt ra (Theo Nguyễn

Kim Lợi và CS, 2009)

1.1.4 Các chức năng của GIS

GIS có 5 chức năng:

Thu thập dữ liệu: Các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau như

dữ liệu đo đạc từ thực địa, dữ liệu từ các loại bản đồ, dữ liệu thống kê… Dữ liệu

này phải được chuyển sang dạng số thích hợp Quá trình chuyển dữ liệu từ bản

đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số được gọi là quá trình số hoá Công nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện tự động hoàn toàn quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn; những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hoá thủ công dùng bàn số hoá

Thao tác dữ liệu: Vì các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn có định dạng

khác nhau và có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng

và thao tác theo một số cách để tương thích với hệ thống Ví dụ: các thông tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau lớp dân cư trên bản

đồ địa chính được thể hiện chi tiết hơn trong bản đồ địa hình Trước khi các thông tin này được tích hợp với nhau thì chúng phải được chuyển về cùng một

tỷ lệ cùng mức độ chi tiết hoặc mức độ chính xác Đây có thể chỉ là sự chuyển

dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích Công

Quản lý dữ liệu: Là một chức năng quan trọng của tất cả các hệ thông tin

địa lý Hệ thống thông tin địa lý phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu đồng thời quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật

tự rõ ràng Một yếu tố quan trọng của GIS là khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu sự liên kết giữa dữ liệu không gian và thuộc tính của đối tượng Các dữ liệu thông tin mô tả cho một đối tượng bất kỳ có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí không gian của chúng

H i đáp và phân t ch: Khi xây dựng một hệ thống cơ sở dữ liệu GIS, thì

người dùng có thể hỏi những câu hỏi đơn giản như:

Thông tin về thửa đất: ai là chủ? Thửa đất rộng bao nhiêu m2

Đường đi ngắn nhất từ vị trí A đến B

Thống kê số lượng cây trồng trên tuyến phố

Xác định được mật độ diện tích cây xanh trong khu đô thị

GIS cung cấp khả năng hỏi đáp, tìm kiếm, truy vấn đơn giản và các công

cụ phân tích dữ liệu không gian mạnh mẽ để cung cấp thông tin một cách nhanh chóng, kịp thời, chính xác, hỗ trợ ra quyết định cho những nhà quản lý và quy hoạch Nó cung cấp các chức năng như nội suy không gian, tạo vùng đệm, phân lớp…

Hiện thị dữ liệu: GIS cho phép hiển thị dữ liệu tốt nhất dưới dạng bản đồ

hoặc biểu đồ Ngoài ra còn có thể xuất dữ liệu thuộc tính ra các bảng excel, tạo

các bản báo cáo thống kê, hay tạo mô hình 3D và nhiều dữ liệu khác (Nguyễn

Kim Lợi và CS, 2009)

1.1.4.1 Các thành phần của GIS

Con người: là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thực hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS

Dữ liệu: chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại:

Dữ liệu không gian Spatial thể hiện trực quan về hình dạng, kích thước vật lý & vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt Trái đất

Dữ liệu phi không gian Non-spatial là các dữ liệu ở dạng văn bản thể hiện hay mô tả thông tin thuộc tính của đối tượng

Phần cứng: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá digitizer , máy

vẽ plotter , máy quét scanner …

Phần mềm: Cung cấp các chức năng & các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:

Công cụ nhập & thao tác trên các thông tin địa lý

+ Hệ quản trị cơ sở dữ liệu DBMS

Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích & hiển thị địa lý

Giao diện đồ hoạ người-máy GUI để truy cập các công cụ dễ dàng Phương pháp phân tích: Cho phép người dùng lựa chọn thuật toán phù hợp với mục đích phân tích dữ liệu Nếu không có phương pháp phân tích thì GIS không hoạt động hoặc hoạt động không hiệu quả

Sự kết hợp của 5 thành phần nói trên thành một hệ thống thống nhất mà người ta gọi là “Hệ thống thông tin địa lý”

1.2 Th m thực v t v ch s thực v t

1.2.1 Thảm thực vật

Lớp phủ mặt ñất là lớp phủ vật chất quan sát được khi nhìn từ mặt đất hoặc thông qua vệ tinh viễn thám, bao gồm thực vật mọc tự nhiên hoặc tự trồng cấy

và các cơ sở xây dựng của con người nhà cửa, đường,… bao phủ bề mặt đất

Nước, băng, đá hay các dải cát cũng được coi là lớp phủ mặt đất (The FAO

AFRICOVER Progamme, 1998)

1.2.2 Phân oại ớp phủ thực vật

Sokal 1974 đã định ngh a phân loại là việc sắp xếp các ñối tượng theo các

Các hệ thống phân loại có hai định dạng cơ bản, đó là phân cấp và không phân cấp Một hệ thống phân cấp thường linh hoạt hơn và có khả năng kết hợp nhiều lớp thông tin, bắt đầu từ các lớp ở quy mô lớn rồi phân chia thành các phụ

lớp cấp thấp hơn nhưng thông tin chi tiết hơn (The FAO AFRICOVER

Progamme, 1998)

1.2.3 Chỉ số khác biệt thực vật NDVI

Chỉ số khác biệt thực vật NDVI Normalized Difference Vegetation Index

là giá trị xác định độ phủ xanh của lớp thực vật qua đó đánh giá được trạng thái của lớp phủ bề mặt Chỉ số này dùng để biểu thị mức độ tập trung của thực vật trên mặt đất Độ che phủ càng cao thì phản xạ thấp ở vùng sóng Visible và phản

xạ cao ở vùng NIR Phản xạ càng mạnh ở vùng sóng NIR thì giá trị thu được trên ảnh là cao nhất Vì vậy, thực vật có thể thể hiện trên ảnh viễn thám bằng các giá trị của chỉ số Chỉ số NDVI có giá trị từ -1) - 1 Giá trị NDVI thấp thể hiện kênh phổ hồng ngoại và kênh phổ nhìn thấy có độ phản xạ bằng nhau hoặc

độ phản xạ của hồng ngoại thấp qua đó hiển thị mức độ phủ xanh của thực vật thấp và ngược lại Chỉ số NDVI có giá trị từ có giá trị âm cho thấy ở đó kênh phổ nhìn thấy có độ phản xạ cao hơn độ phản xạ của kênh phổ hồng ngoại, nơi đấy

không có thực vật, là những thể mặt nước hay do mây phủ (Võ Văn Trí, 2015)

Chỉ số viễn thám NDVI được sử dụng rộng rãi nhất về nghiên cứu thực vật trong 20 năm trở lại đây Nó được tính từ công thức( )/(( ), trong đó là bức xạ của kênh đỏ có giá trị xấp xỉ 0,66 , là bức xạ của kênh cận hồng ngoại có giá trị xấp xỉ 0,86 Chỉ số này đã được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng như đánh giá năng suất cây trồng, đánh giá hiện trạng

thảm thực vật (Tucker, 1986)

1.2.4 Chỉ số TVDI

Nhiệt độ bề mặt có thể tăng lên rất nhanh trong trường hợp thực vật thiếu nước Lớp phủ thực vật có mối quan hệ mật thiết với nhiệt độ bề mặt và ảnh hưởng lớn đến kết quả xác định nhiệt độ Như vậy, nhiệt độ bề mặt land surface temperature - Ts và chỉ số thực vật chuẩn hóa NDVI là các yếu tố quan trọng

cung cấp thông tin về sức khỏe thực vật và độ ẩm tại bề mặt đất Trong không gian Ts/NDVI các đường hồi quy liên quan đến mức độ bay hơi của thực vật, đến kháng trở của lá cây và độ ẩm trung bình của đất Với cùng một điều kiện khí hậu, nhiệt độ bề mặt sẽ đạt giá trị nhỏ nhất tại các vị trí có độ bốc hơi của

bề mặt và sự thoát hơi nước của lá cây cực đại do lượng nước bão hòa tạo nên cạnh ướt trong không gian Ts/NDVI Ở những vị trí không có lớp phủ thực vật hoặc thực vật khô, độ bay hơi là cực tiểu dẫn đến nhiệt độ bề mặt đạt cực đại Đường hồi quy các giá trị cực đại của nhiệt độ bề mặt tại các điểm này tạo cạnh

khô trong không gian Ts/NDVI (Trịnh Lê Hùng, 2014)

H nh 2 Tam giác hông gian Ts NDVI

Để lượng hóa quan hệ giữa chỉ số thực vật chuẩn hóa NDVI và nhiệt độ bề mặt, Sandholt 2002 đã đề nghị sử dụng chỉ số khô hạn nhiệt độ -thực vật TVDI (temperature vegeration dryness index) Chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật TVDI được xác định theo công thức sau:

Ts - Nhiệt độ bề mặt

Tsmin, Tsmax - Nhiệt độ bề mặt cực tiểu và cực đại trong tam giác không gian Ts/NDVI Để xác định Tsmin và Tsmax sử dụng phương trình hồi quy tuyến tính các giá trị nhiệt độ cực đại tại các khoảng giá trị NDVI Do chỉ quan tâm đến mức độ khô hạn nên giá trị Tsmin có thể được lấy bằng giá trị nhiệt độ nhỏ nhất tại khu vực nghiên cứu Tại cạnh khô, TVDI có giá trị bằng 1, trong khi đó tại cạnh ướt giá trị của TVDI là 0 Như vậy, điểm mấu chốt trong thành lập chỉ số TVDI là xác định nhiệt độ bề mặt Ts và cạnh khô Tsmax

1.3 Độ ẩm ất

Độ ẩm đất là khái niệm biểu thị mối quan hệ giữa nước trong đất với đất, nói cách khác, độ ẩm biểu thị mức độ mức độ chứa nước của đất Độ ẩm đất % được xác định bằng công thức: , trong đó Mw là khối lượng nước trong đất, Msd khối lượng đất khô kiệt Trần Văn Ch nh, 2006)

Độ ẩm đất là một trong những yếu tố quan trọng nhất của môi trường đất,

có liên quan mật thiết đến khí hậu bề mặt đất, thủy văn và sinh thái học Giá trị

độ ẩm đất đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá điều kiện môi trường sinh

thái trên cạn và các quá trình khí quyển Han et al., 2010 Ngoài ra, nó còn là

chìa khóa trong việc kiểm soát sự trao đổi nước và năng lượng nhiệt giữa bề mặt đất và khí quyển, thông qua sự thoát hơi nước ở thực vật Có vai trò to lớn trong

xây dựng mô hình thời tiết và đánh giá lượng mưa Wang et Al., 2007)

Để thực vật phát triển tốt, thì trong đất phải có một hàm lượng độ ẩm nhất định

để thực vật có thể hút nước một cách dễ dàng Nếu đất ngập úng sẽ không thích hợp cho thực vật phát triển, còn nếu đất khô hạn thực vật phải bỏ ra năng lượng lớn để hút nước vì vậy thực vật sẽ kém phát triển Do vậy để thảm thực vật phát triển tốt cần đảm bảo độ ẩm thích hợp trong đất

1.4 Phần mềm th ng ê R

Năm 1996, trong một bài báo quan trọng về tính toán thống kê, hai nhà thống kê học Ross Ihaka và Robert Gentleman thuộc Trường đại học Auckland,

New Zealand phát hoạ một ngôn ngữ mới cho phân tích thống kê mà họ đặt tên

là R Sáng kiến này được rất nhiều nhà thống kê học trên thế giới tán thành và tham gia vào việc phát triển R

R là một phần mềm sử dụng cho phân tích thống kê và vẽ biểu đồ Thật ra,

về bản chất, R là ngôn ngữ máy tính đa năng, có thể sử dụng cho nhiều mục tiêu khác nhau, từ tính toán đơn giản, toán học giải trí recreational mathematics , tính toán ma trận matrix , đến các phân tích thống kê phức tạp Vì là một ngôn ngữ, cho nên người ta có thể sử dụng R để phát triển thành các phần mềm chuyên môn cho một vấn đề tính toán cá biệt

R cung cấp cho chúng ta một “ngôn ngữ” máy tính và một số hàm để làm các phân tích căn bản và đơn giản Nếu muốn làm những phân tích phức tạp hơn, chúng ta cần phải tải về máy tính một số package khác Package là một phần mềm nhỏ được các nhà thống kê phát triển để giải quyết một vấn đề cụ thể,

và có thể chạy trong hệ thống R Chẳng hạn như để phân tích hồi qui tuyến tính,

R có hàm lm để sử dụng cho mục đích này, nhưng để làm các phân tích sâu hơn

và phức tạp hơn, chúng ta cần đến các package như lme4 Các package này cần phải được tải về và cài đặt vào máy tính

R là một ngôn ngữ tương tác interactive language , có ngh a là khi chúng

ta ra lệnh, và nếu lệnh theo đúng “văn phạm”, R sẽ “đáp” lại bằng một kết quả

Và, sự tương tác tiếp tục cho đến khi chúng ta đạt được yêu cầu “Văn phạm” chung của R là một lệnh command hay hàm Mà đã là hàm thì phải có thông

số, cho nên theo sau hàm là những thông số mà chúng ta phải cung cấp

R là một ngôn ngữ “đối tượng” object oriented language Điều này có ngh a là các dữ liệu trong R được chứa trong object Định hướng này cũng có vài ảnh hưởng đến cách viết của R Chẳng hạn như thay vì viết x = 5 như thông thường chúng ta vẫn viết, thì R yêu cầu viết là x == 5 Với R, tất cả các câu chữ hay lệnh sau kí hiệu # đều không có hiệu ứng, vì # là kí hiệu dành cho người sử

Các ưu điểm của phần mềm R: Có chứa nhiều loại kỹ thuật thống kê, mô hình hóa tuyến tính và phi tuyến, kiểm thử thống kê cổ điển, phân tích chuỗi thời gian, phân loại, phân nhóm, v v và đồ họa R cũng có tính mở rộng cao bằng cách sử dụng các gói cho người dùng đưa lên cho một số chức năng và l nh vực nghiên cứu cụ thể Một điểm mạnh khác của R là nền tảng đồ họa có thể tạo ra những đồ thị chất lượng cao cùng các biểu tượng toán học Dù R được dùng chủ yếu bởi những nhà thống kê và cũng có thể dùng làm một công cụ tính toán ma trận tổng quát với các kết quả đo đạc cạnh tranh so với GNU Octave và đối thủ thương mại của nó, MATLAB Giao diện RWeka đã được thêm vào phần mềm khai phá dữ liệu phổ biến Weka, cho phép đọc, ghi định dạng arff vì vậy cho phép

sử dụng tính năng khai phá dữ liệu trong Weka và thống kê trong R Ngôn ngữ R có rất nhiều ưu điểm so với các ngôn ngữ lập trình bậc cao như C , C , Java R có khả năng điều khiển dữ liệu và lưu trữ số liệu, R còn có tính nguyên bản R cho phép sử dụng ma trận đại số Có thể sử dụng bảng băm và các biểu thức chính quy

R cũng hỗ trợ lập trình hướng đối tượng Khả năng biểu diễn đồ họa phong phú Ngôn ngữ R cũng cung cấp các cấu trúc điều khiển cơ bản như các ngôn ngữ lập trình bậc cao khác

Do có rất nhiều tiện ích nên phần mềm R được áp dụng rất phổ biến trong các nghiên cứu khoa học nhằm phân tích thống kê, đánh giá mối quan hệ giữa các yếu tố…

1.5 Ứng dụng của viễn thám trong ánh giá th m thưc v t

1.5.1 Tr n thế giới

Trên phạm vi thế giới các đề tài ứng dụng chỉ số TVDI trong nghiên cứu

đánh giá thảm thực vật rất phong phú và đa dạng Trong đề tài “Temperature

Vegetation Dryness Index Estimation of Soil”(Shulin Chen eat all, 2015), tác giả

sử dụng chỉ số TVDI nghiên cứu độ ẩm đất dưới các trạng thái thực vật tại Rừng Laoshan là rừng lớn nhất ở Nam Kinh Các kết quả cho thấy có sự tương quan mạnh và đáng kể giữa TVDI và độ ẩm đất Điều này có ngh a là TVDI có thể phản ánh độ ẩm của đất dưới các loài cây khác nhau trong Rừng Laoshan

Trong đề tài “Estimation of soil moisture using multispectral and FTIR

techniques”(Syed Muhammad Zubair Younis and Javed Iqbal, 2015, tác giả đã

sử dụng ba phương pháp để đánh giá độ ẩm đất, phương pháp FTIR là kỹ thuật được sử dụng để xác định phản xạ của mẫu đất ở các trạng thái từ ướt đến khô, phương pháp thứ hai là phương pháp xác định độ ẩm đất bằng cách lấy mẫu đất đại diện cho khu vực nghiên cứu sau đó sấy khô đến khối lượng không đổi, tính toán sự chênh lệch giữa khối lượng đất trước khi sấy và sau khi sấy để đưa giá trị độ ẩm đất, phương pháp thứ ba sử dụng chỉ số TVDI được tính toán dựa trên việc giải thích mối quan hệ giữa các chỉ số khác biệt thực vật NDVI và nhiệt

độ bề mặt LST (TS) Các kết quả cho thấy phân tích FTIR đã được thực hiện với hiệu quả cao của phản xạ trên các điều kiện độ ẩm khác nhau Một xu hướng chung đã được tìm thấy rằng khi độ ẩm tăng phản xạ từ đất giảm và ngược lại Phương pháp thứ ba là cảm nhận từ xa ước lượng độ ẩm của đất, Landsat 8 hình ảnh của khu vực nghiên cứu đã được sử dụng để ước tính, Một mối tương quan mạnh đã được tìm thấy giữa LST & NDVI dẫn đến sự hình thành TVDI bằng cách sử dụng phân tích hồi quy Vì vậy dữ liệu từ xa có thể được sử dụng cho ước lượng độ ẩm của đất với ưu điểm tốn ít thời gian hơn và có thể được áp dụng trên một quy mô lớn, giám sát độ ẩm đất liên tục theo thời gian, đây là một ứng dụng thực sự có ý ngh a quản lý nông nghiệp, quản lý hạn hán, trong mô hình thủy văn, nơi độ ẩm đất một thành phần ra các quyết định nơi độ ẩm đất một thành phần quan trọng

1.5.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam các đề tài sử dụng chỉ số TVDI để đánh giá lớp phủ thực vật

đã được thực hiện và mang lại nhiều kết quả Như trong đề tài “Ứng dụng dữ

liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt Landsat nghiên cứu độ ẩm đất trên cơ sở chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật” (Trịnh Lê Hùng, 2014), tác giả dựa trên cơ sở mối

quan hệ mật thiết giữa lớp phủ thực vật với nhiệt độ bề mặt và sự ảnh hưởng lớn

kháng trở của lá cây và độ ẩm trung bình của đất Phân tích kết quả xác định nhiệt độ cho thấy những khu vực có nhiệt độ bề mặt cao tại thành phố Hà Nội do lượng cây xanh đã ít khoảng 45.000 cây , bê tông hóa và kính hóa tại các khu

đô thị mới làm tăng nguy cơ hấp thụ nhiệt dưới mặt đất, khiến lớp không khí gần mặt đất trở nên nóng hơn và nung nóng mặt đất lâu hơn, ngoài ra mật độ dân số

ở một số khu vực này chỉ đạt 26-31m2/người dẫn đến không còn quỹ đất để phát triển thêm cây xanh.Tác giả cho biết giá trị TVDI nhỏ hơn 0.2 tương ứng với các vùng có độ ẩm cao Nếu chỉ số TVDI trong khoảng từ 0.2 đến 0.4 tương ứng với các khu vực ít có nguy cơ bị khô hạn; chỉ số TVDI trong khoảng 0.4 - 0.6 tương ứng với các khu vực khô hạn nhẹ, trong khoảng 0.6 - 0.6 - khô hạn trung bình

Nếu chỉ số TVDI lớn hơn 0.8 tương ứng với khu vực bị khô hạn rất nặng Phần

lớn diện tích khu vực Hà Nội có mức độ khô hạn trung bình Giá trị chỉ số TVDI trong khoảng từ 0.2 đến 0.6

Trong đề tài “Ứng dụng ảnh viễn thám MODIS trong phân vùng canh tác

lúa có ảnh hưởng của điều kiện khô hạn và ngập lũ khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long”(Huỳnh Thị Thu Hương, Võ Quang Minh và Lê Anh Tuấn, 2016) Đề

tài ứng dụng chỉ số khác biệt thực vật NDVI để giám sát biến động cơ cấu mùa

vụ, chỉ số khô hạn thực vật TVDI để ước lượng độ ẩm của đất bề mặt Thông qua việc phân loại chuỗi dữ liệu MODIS đa thời gian từ năm 2000 đến 2011, nghiên cứu đã xác định được các vùng canh tác lúa thường xuyên chịu ảnh hưởng của khô hạn hay ngập lũ ở Đồng bằng sông Cửu Long ĐBSCL Nghiên cứu cũng xác định được các mô hình canh tác lúa phù hợp trên 9 phân vùng sinh thái nông nghiệp đồng thời đưa ra giải pháp theo hướng tiếp cận mới áp dụng tích hợp các thuật toán tính toán các chỉ số NDVI, TVDI … để giám sát các biến động về cơ cấu mùa vụ liên quan đến những tác động do khô hạn và ngập lũ Bộ

dữ liệu về cơ cấu mùa vụ, khô hạn và ngập lũ vùng ĐBSCL và phương pháp tiếp cận bằng công nghệ viễn thám được đề xuất trong nghiên cứu này là hữu ích và

có thể áp dụng được trong thực tiễn quản lý nông nghiệp và qui hoạch sử dụng

đất của vùng

Trong đề tài: “Sử dụng chỉ số khô hạn – thực vật (TVDI) để đánh giá độ

khô hạn phục vụ cảnh báo cháy tại U Minh Hạ” (Dương Thị Thúy Nga và Trần Nhữ Phương, 2014) Tác giả sử dụng chỉ số thảm thực vật khô TVDI với sự

kết hợp giữa nhiệt độ bề mặt đất LST và chỉ số thực vật chuẩn hóa NDVI nhằm phục vụ cho việc cảnh báo nguy cơ cháy rừng ở Vườn Quốc gia U Minh

Hạ Các kết quả của TVDI được dựa trên sự tương quan giữa LST và NDVI Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự phân bố không gian của chỉ số TVDI xác định và đánh giá khu vực đất ẩm / thảm thực vật Bên cạnh đó, TVDI cũng cảnh báo nguy cơ cháy cao cho những khu vực có thực vật nhưng nhiệt độ cao Cụ thể giá trị TVDI dao động từ 0 -1 và phân thành 5 nhóm chính sau: 0 – 0.2: rất ướt, 0.2 – 0.4: ướt, 0.4 - 0.6: bình thường, 0.6 - 0.8: khô, 0.8 - 1: rất khô Tác giả chỉ ra rằng để phục vụ cho công tác cảnh báo cháy, ta cần tập trung cảnh báo vào các khu vực có lượng thực vật khá cao nhưng độ khô hạn cũng cao TVDI > 0,6 Đây là những khu vực thực vật đang trong tình trạng khô hanh nhiều ngày và thiếu nước, các thân, cành gỗ rất dễ bắt cháy Qua đó là cơ sở để khoanh vùng

cảnh báo và chuẩn bị phương án phòng cháy chữa cháy kịp thời nhất

CHƯƠNG II MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

2.1.1 Mục ti u chung

Kết quả nghiên cứu đề tài sẽ góp phần cung cấp thêm cơ sở khoa học ứng dụng ảnh viễn thám trong xây dựng bản đồ độ ẩm đất, từ đó đề xuất các giải pháp duy trì độ ẩm đất rừng trong bối cảnh tác độ của biến đổi khí hậu tại Việt Nam

2.1.2 Mục ti u cụ thể

Để hoàn thành mục tiêu chung đã đề ra, đề tài hướng tới những mục tiêu cụ thể như sau:

- Đánh giá hiện trạng lớp phủ thực vật tại rừng thực nghiệm Núi Luốt

- Xây dựng mô hình tương quan giữa giá trị độ ẩm đến các lớp phủ thực vật tại khu vực nghiên cứu

- Đề xuất giải pháp cải thiện độ ẩm dưới các lớp phủ thực vật tại rừng thực nghiệm Núi Luốt

2.1.3 V t liệu nghiên cứu

Để hoàn thành nội dung nghiên cứu đề tài sử dụng Landsat 8 có độ phân giải 30*30 m

Phạm vị về nội dung: Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, nghiên cứu sẽ tập

trung vào phân bố hiện trạng lớp phủ thực vật, giá trị độ ẩm dưới các lớp phủ thực vật, các giải pháp nâng cao chất lượng độ ẩm dưới các lớp phủ thực vật

Phạm vị vể phương pháp: Đề tài sử dụng phương pháp điều tra thực địa, kế

thừa số liệu, sử dụng chỉ số TVDI và NDVI, các dữ liệu viễn thám, phần mềm thống kê R

Phạm vi về thời gian: Thời gian nghiên cứu bắt đầu từ ngày 25/12/2017 đến

ngày 11 tháng 05 năm 2018

Phạm vi về không gian: Đề tài chỉ thực hiện nghiên cứu trong phạm vi rừng

thực nghiệm Núi Luốt

2.3 Nội dung nghiên cứu

2.3.1 Nghi n cứu hiện trạng ớp phủ thực vật tại khu vực nghi n cứu

- Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phu thực vật tại rừng thực nghiệm Núi Luốt năm 2018

- Đánh giá hiện trạng lớp phủ tại khu vực nghien cứu: phân bố không gian, diện tích, thành phần loài cây, trạng thái phát triển của cây

2.3.2 Nghi n cứu xây dựng bản đồ độ ẩm đất

- Tiến hành đo đạc độ ẩm đất theo ba phương pháp: tủ sấy, đo nhanh, đốt cồn

- Xây dựng bản đồ phân cấp độ ẩm đất tại khu vực nghiên cứu

- Đưa ra đánh giá nhận xét độ ẩm đất với từng trạng thái thảm thực vật rừng

Đồng thời so sánh độ chính xác của ba phương pháp đo độ ẩm đất

2.3.3 Đánh giá mô h nh tương quan giữa yếu tố độ ẩm đến các ớp phủ thực vật tại khu vực nghi n cứu

- Đánh giá mối tương quan thông qua phần mềm thống kê R giữa giá trị độ

ẩm đất đo đạc bằng ba phương pháp và NDVI

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Xây dựng bản đồ hiện trạng ớp phủ thực vật

Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật năm 2018 bằng cách sử dụng phương pháp phân loại không kiểm định trong viễn thám

Để hoàn thành nội dung này đề tài đã sử dụng phần mềm ArcGIS 10.2 Đây

là phần mềm nhận biết giá trị phổ của các đối tượng trên các kênh ảnh, thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ, phân loại lớp phủ, diện tích thành phần loài trong khu vực nghiên cứu

Sơ 1 Tổng quan phương pháp s dụng trong ề t i

Trình tự các bước cụ thể như sau:

Cơ sở lý thuyết

Nắn chỉnh hình ảnh Chọn tư liệu viễn thám

Nhập dữ liệu điều tra thực địa Nâng cao chất lượng hình ảnh

Bước 1 : Download ảnh khu vực

- Download ảnh landsat: https://earthexplorer.usgs.gov/

- Giải nén ảnh download

Bước 2: Tiền xử lý ảnh viễn thám

- Dựa trên cơ sở lý thuyết đề tài sử dụng ảnh viễn thám Landsat và có

bước tiền xử lý ảnh chi tiết tại Phụ lục 01

Bước 3: Gộp các band ảnh và cắt ảnh theo khu vực nghiên cứu

- Để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu độ ẩm, ảnh viễn thám sau khi qua bước tiền xử lý sẽ được gộp và cắt theo khu vực nghiên cứu, trong phần

mềm ArcGIS 10.2 tiến hành cụ thể tại Phụ lục 01

Bước 4: Điều tra thực địa

 Hiệu chỉnh lại GPS

Chi tiết tại Phụ lục 01

 Bấm điểm ngoài thực địa: Sử dụng GPS để bấm điểm tọa độ các đối

tượng trong khu vực nghiên cứu point) cụ thể tại Phụ lục 01

 Khoanh vùng phân bố không gian của khu vực nghiên cứu:

Các bước cụ thể tại Phụ lục 01

Bước 5: Thành lập bản đồ hiện trạng

Để hoàn thành nội dung này đề tài sử dụng phần mềm ArcGIS 10.2 được tiến hành cụ thể như sau :

- Add dữ liệu điều tra thực địa

- Xử lý dữ liệu điều tra thực địa

- Sử dụng công cụ phân loại không kiểm định để thành lập bản đồ hiện

trạng: classification -> Iso cluster unsupervised classification -> phân loại hiện

trạng lớp phủ

Bước 6 : T nh toán thống kê

- Đề tài sử dụng công cụ sau để thống kê diện tích khu vực nghiên cứu:

table of contents -> layer hiện trạng -> open attribute table -> add field -> Diện t ch -> Field calculater -> (30 * 30 * count )/10000

 Tính toán độ chính xác: sử dụng hệ số kapa để đánh giá độ chính xác của bản đồ

- Hệ số Kappa = A/B

trong đó:

A = số pixel phân loại đúng - số pixel phân loại sai

B = tổng số pixel được phân loại

- Khi Kappa = 1: độ chính xác phân loại là tuyệt đối

- Ngoài hệ số Kappa, độ chính xác trong phân loại số còn được đánh giá dựa vào ma trận sai số, hay ma trận nhầm lẫn Ma trận này so sánh trên cơ sở từng loại một

Bước 7: Đánh giá hiện trạng lớp phủ

- Đánh giá hiện trạng lớp phủ thông qua các tiêu chí sau:

1 Đánh giá sự phát triển của thành phần loài cây trong khu vực nghiên cứu

2 Sự đa dạng của thành phần loài trong khu vực nghiên cứu

2.4.2 Xây dựng bản đồ độ ẩm đất theo các trạng thái thực vật

2.4.2.1 Điều tra thực địa

Để hoàn thành nội dung này đề tài có bước đo độ ẩm đất ngoài thực địa

được tiến hành cụ thể như sau:

- Xác định vị trí lấy mẫu đất trên bản đồ hiện trạng lớp phủ đã thành lập

- Số lƣợng mẫu: tối thiểu 30 mẫu trên một đối tƣợng

- Đối tƣợng: Rừng keo tai tƣợng Acacia mangium), keo lá tràm Acacia

auriculiformis), rừng thông (Pinus massoniana), rừng bạch đàn Eucalyptus ,

rừng hỗn giao

- Khối lƣợng mẫu đất: 15 gam

- Độ sâu lấy mẫu: 6 cm

- Phương pháp thứ nhất: Xác định độ ẩm đất được tiến hành theo Tiêu

chuẩn quốc gia TCVN 4048:2011 Chất lượng đất – Phương pháp xác định độ

- Cân hộp nhôm đã lau sạch, khô cùng với nắp đậy bằng cân phân tích

- Đến vị trí lấy mẫu đã xác định: Bấm tọa độ dựa vào GPS, xác định nhiệt

độ tại thời điểm lấy, thời gian lấy, hiện trạng bề mặt lớp phủ xung quanh điểm lấy mẫu

- Tiếp cận đến điểm lấy mẫu bỏ vật che phủ, dùng dao đào đến độ sâu 6

cm nhƣ mong muốn để lấy mẫu

- Tiến hành lấy mẫu đất

- Sử dụng cân phân tích cân khoảng 15 g đất đã đƣợc làm khô trong không khí cho vào hộp nhôm và đậy nắp lại luôn rồi mang về phòng thí nghiệm

- Mở nắp hộp nhôm ra cho vào tủ sấy ở nhiệt độ từ 100 0C đến 105 0C đến khối lƣợng không đổi

- Làm nguội hộp nhôm có mẫu đất trong bình hút ẩm đến nhiệt độ trong phòng từ 20 min đến 45 min

- Lấy hộp nhôm có mẫu đất ra khỏi bình hút ẩm, xác định ngay khối lượng bằng cân phân tích

-

- Tính độ ẩm của mẫu đất như sau:

Trong đó:

W = Độ ẩm (%)

W1 = Khối lượng đất ẩm trước khi sấy (g)

W2 = Khối lượng đất đã sấy khô (g)

- Phương pháp thứ hai: Xác định độ ẩm đất theo phương pháp đốt

đất khô bằng cồn theo tiêu chuẩn ngành 14 TCN 150:2006 về đất xây dựng công trình thủy lợi - phương pháp xác định độ ẩm của đất tại hiện trường

do Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn ban hành

- Tiêu chuẩn này đưa ra các phương pháp xác định độ ẩm của đất tại hiện trường,

áp dụng trong khảo sát địa chất cho xây dựng công trình thủy lợi, tức muốn xác định

độ ẩm đất để kiểm tra xem chất lượng đất có phù hợp để xây dựng các công trình thủy lợi sử dụng đất đồi, rừng làm đường quốc lộ, xây nhà…

 Quy trình thực hiện cụ thể như sau:

Đến vị trí lấy mẫu loại bỏ vật rơi lá rụng, sử dụng dao đào đến độ sâu 6

cm, dùng thìa xúc lấy khoảng 15 gam đất bằng cân phân tích, làm vụn đất nếu cần , đựng mẫu vào một hộp nhôm, rồi đậy nắp hộp

Dùng khăn khô và sạch để lau sạch các mặt ngoài hộp, ghi số hiệu của từng hộp vào sổ thí nghiệm, rồi cân khối của hộp và đất trong đó chính xác đến 0,01 gam Chú ý điều chỉnh cân đảm bảo thăng bằng trước khi sử dụng

Mở nắp các hộp chứa mẫu, nắp của hộp nào đặt dưới hộp đó để tránh nhầm lẫn, rồi để vào đ a men và đặt lên chỗ bằng phẳng, chụp đai chắn gió Dùng kim kim loại để chọc làm tơi vụn đất trong hộp, trong thao tác này và các thao tác tiếp theo cần cẩn thận không được làm rơi vãi hao hụt mất đất

Dùng ống nhỏ giọt để chế cồn vào đất cho đến khi đất ngập trong cồn Chờ vài phút để còn tẩm ướt hoàn toàn đất trong hộp, rồi châm lửa đốt cồn trong hộp Cần chú ý theo dõi, không được để đất bị bắn ra ngoài Khi đất đã se mặt, thỉnh thoảng dùng kim để xới tơi đất làm cho cồn ở đáy hộp được cháy hết mà không làm rơi vãi mất đất Khi ngọn lửa đã tắt hẳn, chờ vài ba phút cho đất nguội bớt

Lặp lại như điều trên để đốt cồn lần thứ hai, rồi lần thứ ba, có thể là lần thứ tư… đốt lặp lại số lần đến khối lượng không đổi Đối với các lần này, khi chế cồn vào đất cần rất từ từ và lúc đầu phải chế vào từng giọt một để đất không

bị phụt ra ngoài khi nó chưa nguội hẳn Khi ngọn lửa của lần đốt cuối cùng đã tắt hẳn, đậy nắp hộp chứa mẫu, rồi đặt vào bình hút ẩm và đậy kín nắp bình để làm nguội đất trong khoảng 10 đến 15 phút

Lấy từng mẫu ra, dùng khăn khô lau sạch mặt ngoài hộp chứa mẫu, rồi cân khối lượng của hộp và đất khô ở trong đó chính xác đến 0,01 gam

Tính toán kết quả

W1 = Khối lượng đất ẩm trước khi đốt (g)

W2 = Khối lượng đất đã đốt khô kiệt (g)

- Phương pháp thứ ba phương pháp đo nhanh

Để đo độ ẩm đất tại khu vực nghiên cứu đề tài sử dụng thiết bị máy đo pH/độ ẩm đất DM 15 Takemura Khoảng đo độ ẩm đất từ 10 - 80% độ phân giải 5% thiết bị không dùng điện

Cách đo giá trị độ ẩm đất cụ thể như sau: khi độ ẩm đất và pH, thì nên đo

độ ẩm trước khi đo pH, lau sạch 3 vòng kim loại của máy đo Cắm chặt và ngập

cả 3 vòng kim loại xuống đất độ sâu 6 cm , chờ 1 phút nhấn nút trắng trên thân máy đọc giá trị độ ẩm theo kim chỉ trên đồng hồ có các khoảng từ 10 - 80% Ngoài ra khi

đi điều tra thực địa, có nhưng điểm độ ẩm đất quá thấp dưới 10% hoặc quá cao vượt 80%, tùy theo khoảng vượt để xác định độ ẩm đất

2.4.3 Xây dựng bản đồ chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật TVDI

Sơ 2: Phương pháp xây dựng bản đồ TVDI

Sơ đồ 2.3: Phương pháp ây dựng n nhiệt ề m t ất (LST)

Dữ liệu Landsat TM và Landsat 8 được thu nhận dưới dạng ảnh số Do đó

cần phải chuyển đổi giá trị của dữ liệu ảnh số này sang giá trị bức xạ phổ là giá trị phản ánh năng lượng phát ra từ mỗi vật thể được thu nhận trên kênh nhiệt Chuyển đổi giá trị số DN sáng giá trị bức xạ phổ Lλ

Ở đây sử dụng Band 10 và Band 11 để xây dựng bản đồ nhiệt Các thông

số được lấy từ file: MTL.txt của ảnh vệ tinh

B ng 5 Giá tr các and của nh Landsat

Band10 (Radiance) RADIANCE_MULT_BAND_10=3.3420E-04 RADIANCE_ADD_BAND_10=0.10000

Band11 (Radiance) RADIANCE_MULT_BAND_11=3.3420E-04 RADIANCE_ADD_BAND_11=0.10000

Bước 1 Chuyển giá trị số sang giá trị bức xạ phổ

- Đối với Landsat 8:

Ảnh dữ liệu viễn thám

Chuyển đổi giá trị số sang giá trị bức xạ phổ

Chuyển đổi từ giá trị bức xạ phổ sang giá trị nhiệt độ

Chuyển đổi giá trị Kenvin về độ C và làm tròn

Trong đó:

Lλ: giá trị bức xạ phổ

ML, AL: hệ số đối với từng kênh ảnh được lấy giá trị từ trong file dữ liệu

- Trong phần mềm ArcGIS 10.2 ta sử dụng công cụ: Arctoolbox -> Spatial

Analyst Tools -> Map Algerbra -> Raster Calculator

- Sau chuyển giá trị bức xạ phổ, đặt tên giá trị kênh phổ

- Optional: Cắt ảnh khu vực nghiên cứu và đặt tên

ArcToolBox =>Data ManagementTools=>Raster=>Raster Processing=> Clip Bước 2 Chuyển đổi từ giá trị bức xạ phổ sang giá trị nhiệt độ

- Sử dụng công thức:

(

λ)

- Trong đó:

λ: Là giá trị bức xạ phổ

K1, K2 được cung cấp trong file metadata ảnh Landsat theo bảng 2.6

B ng 6 Giá tr hệ s 1 , K 2 của nh Landsat Kênh Vệ tinh K 1 (W/m 2 sr.µm) K 2 (K)

- Trong phần mềm Arcgis 10.2 ta sử dụng công cụ: Arctoolbox -> Spatial

Analyst Tools -> Map Algerbra -> Raster Calculator

Bước 3 Tính toán giá trị nhiệt độ mặt đất (LST)

(λ ) ( )

- Trong đó:

LST: Giá trị nhiệt độ bề mặt đất Độ Kenvin)

λ Giá trị bước sóng trung tâm kênh hồng ngoại nhiệt