TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Những vấn đề chung về viễn thám và GIS
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học và nghệ thuật chuyên thu thập thông tin về các đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu mà không cần tiếp xúc trực tiếp Các phương tiện viễn thám cho phép nghiên cứu và đánh giá các yếu tố môi trường một cách hiệu quả và chính xác.
Viễn thám là công nghệ dùng để xác định và nhận diện các đối tượng hoặc điều kiện môi trường, dựa trên các đặc trưng phản xạ hoặc bức xạ điện từ Ngoài ra, năng lượng từ trường và trọng trường cũng có thể được áp dụng trong quá trình này.
Viễn thám là phương pháp nghiên cứu đối tượng thông qua việc giải đoán và tách lọc thông tin từ ảnh hàng không hoặc ảnh vệ tinh số Dữ liệu hình ảnh được thu nhận từ năng lượng bức xạ và sóng phản hồi phát ra từ vật thể trong quá trình khảo sát Năng lượng này, dưới dạng sóng điện từ trên các dải phổ khác nhau, cung cấp thông tin đa chiều về vật thể, góp phần nâng cao độ chính xác trong việc giải đoán đối tượng.
Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình khai thác thông tin định tính và định lượng từ hình ảnh, bao gồm các yếu tố như hình dạng, vị trí, cấu trúc, đặc điểm, chất lượng và điều kiện Mối quan hệ giữa các đối tượng được xác định dựa trên kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm của người thực hiện giải đoán Thông tin trong viễn thám có thể được phân loại thành 5 loại khác nhau.
Phân loại đa phổ là quá trình phân tích và tổ chức thông tin dựa trên các đặc tính phổ, không gian và thời gian của hình ảnh đối tượng nghiên cứu.
+ Phát hiện biến động: là sự phát hiện và tách các sự biến động (thay đổi) dựa trên dữ liệu ảnh đa thời gian
Tách các đại lượng vật lý cho phép chiết tách thông tin tự nhiên như đo nhiệt độ, trạng thái khí quyển và độ cao của vật thể Điều này được thực hiện dựa trên các đặc trưng phổ hoặc thị sai của ảnh lập thể.
+ Tách các chỉ số: tính toán xác định các chỉ số mới (chỉ số thực vật NDVI…)
Xác định các đối tượng đặc biệt bao gồm việc nhận diện các đặc tính và hiện tượng nổi bật như thiên tai, cháy rừng, cũng như các dấu hiệu hỗ trợ cho công tác tìm kiếm khảo cổ.
GIS (Geographic Information System) hay hệ thống địa lý đƣợc hình thành từ ba khái niệm địa lý, thông tin và hệ thống
+ Khái niệm “địa lý” liên quan đến các đặc trƣng về không gian Chúng có thể là vật lý, văn hóa, kinh tế,… trong tự nhiên
+ Khái niệm “thông tin” đề cập đến dữ liệu đƣợc quản lý bởi GIS Đó là các dữ liệu về thuộc tính và không gian của đối tƣợng
+ Khái niệm “hệ thống” là hệ thống GIS đƣợc xây dựng từ các môđun Việc tạo các môđun giúp thuận lợi trong việc quản lý và hợp nhất
Dữ liệu viễn thám cung cấp cơ sở dữ liệu cho GIS thông qua các lớp thông tin đa dạng, cho phép sử dụng chức năng chồng lớp và phân tích để tạo ra kết quả phong phú hơn Sự kết hợp giữa viễn thám và GIS trở thành công nghệ tích hợp hiệu quả, hỗ trợ xây dựng và cập nhật dữ liệu không gian cho nhiều lĩnh vực khác nhau.
Việc tích hợp kỹ thuật viễn thám với hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong việc phân loại lớp phủ và đánh giá biến động sẽ nâng cao hiệu quả phân tích và quản lý tài nguyên Sự kết hợp này cho phép thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu không gian một cách chính xác, từ đó cung cấp thông tin chi tiết về sự thay đổi của lớp phủ đất và môi trường.
+ Giảm hoặc loại bỏ các hoạt động thừa từ đó tiết kiệm đƣợc thời gian, công sức và tiền của
+ Kết quả chuẩn hóa số liệu tốt hơn, với giá thành thấp hơn, lập kế hoạch hiệu quả hơn
+ Nhanh chóng thu thập đƣợc nhiều thông tin và phân tích chúng, lập báo cáo cho mọi nhu cầu của công tác quản lý
Tạo cầu nối giữa các công cụ và công nghệ giúp cải tiến quy trình sản xuất, đồng thời nâng cao khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu, cải tiến và truyền thông tin hiệu quả hơn.
+ Tạo ra một loại dịch vụ mới là cung cấp thông tin
+ Truy xuất những thay đổi về diện tích, trạng thái rừng và cà phê trong những thời điểm cụ thể
ERDAS là một hãng phần mềm của Mỹ, nổi tiếng toàn cầu, đặc biệt trong các quốc gia đầu tư vào khoa học Viễn thám và GIS Phần mềm ERDAS mạnh mẽ với khả năng xử lý ảnh và tích hợp GIS, đáp ứng nhu cầu của người dùng trong lĩnh vực này.
Ngành lâm nghiệp cần tiếp tục phát triển việc ứng dụng viễn thám và GIS để điều tra, theo dõi và đánh giá diễn biến rừng, từ đó quản lý và phát triển rừng một cách bền vững.
Đặc điểm và thông số kỹ thuật của ảnh vệ tinh Landsat
Landsat là hệ thống ảnh vệ tinh của Mỹ do NASA quản lý, chủ yếu phục vụ cho việc giám sát bề mặt Trái đất Vệ tinh đầu tiên, Landsat-1, được phóng vào năm 1972 với tên gọi ban đầu là ERTS-1, nhằm thử nghiệm khả năng thu thập dữ liệu quan trắc Trái đất đa quang phổ Kể từ đó, chương trình Landsat đã thu thập được lượng dữ liệu phong phú từ khắp nơi trên thế giới thông qua nhiều vệ tinh khác nhau.
Tiếp theo đó các thế hệ vệ tinh Landsat 2- 1975, 1978 - Landsat 3 Hai loại ảnh Landsat này chỉ đƣợc trang bị MSS (Multispectral Scanner System -
Hệ thống bộ cảm đa phổ là bộ cảm quang học thiết kế để thu nhận bức xạ phổ từ ánh sáng mặt trời qua 4 kênh khác nhau, tích hợp bởi hệ thống quang học và bộ cảm Landsat 4 được phóng vào năm 1982 và Landsat 5 vào năm 1984, cả hai vệ tinh này trang bị bộ cảm TM (Thematic Mapper) với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại Landsat 6 và 7 được phóng vào năm 1993 và 1999 với bộ cảm cải tiến ETM (Enhanced TM) Landsat 8 được phóng vào ngày 12/02/2013 nhằm theo dõi diễn biến rừng và các hệ sinh thái trên Trái đất.
Thiết bị ETM+ có khả năng quét 8 băng phổ, cung cấp hình ảnh độ phân giải cao về bề mặt trái đất với độ phân giải 30m cho ảnh đa phổ TM và 15m cho ảnh toàn sắc.
Bảng 1.1 Các thông số đặc trƣng của bộ cảm Enhanced TM+
Phổ màu Kênh Bước sóng
Cận hồng ngoại - Near IR 4 0.76 – 0.90 30
Hồng ngoại sóng ngắn -SWIR 5 1.55 – 1.75 30
Hồng ngoại nhiệt - Thermal IR 6 10.4 – 12.5 60
Hồng ngoại sóng ngắn – SWIR 7 2.08 – 2.35 30 Đen trắng – Panchromatic 8 0.52 – 0.9 10
Ảnh vệ tinh Landsat được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm giám sát và theo dõi biến động rừng, cũng như lập bản đồ hiện trạng rừng Landsat có 7 băng màu khác nhau, mỗi băng đại diện cho một phần khác nhau của quang phổ điện tử.
Bảng 1.2 Ứng dụng của các kênh phổ trong nghiên cứu
Ánh sáng bước sóng ngắn có khả năng xâm nhập tốt hơn các băng màu khác, thường được sử dụng để giám sát hệ sinh thái thủy sản, lập bản đồ trầm tích trong nước và môi trường sống của rạn san hô Tuy nhiên, nó dễ bị nhiễu do hiện tượng phân tán trong khí quyển.
Band màu này có tính chất tương tự band 1, chúng thường được dùng để xác định trạng thái thực vật Đỏ - Band 3
Phân biệt thực vật và đất, đồng thời theo dõi tình trạng phát triển của thực vật
Vì nước hấp thụ gần như tất cả ánh sáng trong bước sóng này nên nó là band màu rất tốt để xác định nước/độ ẩm đất
Băng tần này rất nhạy cảm với độ ẩm, vì vậy nó thường được sử dụng để theo dõi thảm thực vật và độ ẩm của đất Ngoài ra, nó còn có khả năng phân biệt giữa các đám mây và tuyết.
Xác định thời điểm thực vật sốc, độ ẩm của đất và thành lập bản độ nhiệt
2.35àm) Ứng dụng trong lập bản đồ địa chất
Các band màu có thể được kết hợp để hình dung dữ liệu màu sắc một cách hiệu quả Có nhiều phương pháp kết hợp band màu, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng.
Ảnh vệ tinh Landsat có khả năng phân giải phổ tốt và là ảnh số, phù hợp cho việc xử lý bằng thiết bị ảnh số hiện đại Điều này cho phép tạo ra nhiều loại sản phẩm ảnh mà phương pháp tương tự không thể thực hiện Sản phẩm ảnh Landsat được phát hành dưới dạng số và phim ảnh, với mức độ xử lý nhiễu và hình học khác nhau, mang lại sự tiện lợi trong việc sử dụng.
Do vậy, Đề tài sử dụng ảnh vệ tinh Landsat (4,5,3) để theo dõi biến động của diện tích rừng.
Tổng quan nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong và ngoài nước
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học phát triển mạnh mẽ trong ba thập kỷ qua, nhờ vào công nghệ vũ trụ và việc thu nhận ảnh số từ vệ tinh kể từ năm 1960 Ngành này bắt nguồn từ kỹ thuật chụp ảnh, với cột mốc quan trọng là năm 1858 khi G.F Tounmachon sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh từ trên không, đánh dấu sự ra đời của kỹ thuật viễn thám Năm 1894, Aine Laussedat khởi xướng chương trình sử dụng ảnh để lập bản đồ địa hình Sự phát triển của ngành hàng không đã cung cấp công cụ chụp ảnh hiệu quả, với bức ảnh đầu tiên từ máy bay được thực hiện bởi Xibur Wright vào năm 1990 tại Italia Các máy ảnh tự động chính xác cao dần thay thế máy ảnh chụp tay, và đến năm 1929, Viện nghiên cứu ảnh hàng không Leningrad ở Liên Xô cũ đã được thành lập, sử dụng ảnh hàng không để nghiên cứu địa mạo, thực vật và thổ nhưỡng.
Ngành hàng không đã góp phần thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của ngành chụp ảnh quang học sử dụng phim và giấy ảnh nhạy cảm với ánh sáng Công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho phép nghiên cứu mặt đất thông qua các bức ảnh chồng phủ và tạo ra khả năng nhìn ảnh nổi, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc chỉnh lý, đo đạc và tách lọc thông tin từ ảnh Ngành chụp ảnh thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn được gọi là chụp ảnh hàng không, và các bức ảnh thu được được gọi là không ảnh Bức ảnh đầu tiên được chụp từ máy bay vào năm 1910 bởi Wilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh người Ý, tại khu vực gần Centoceli, Ý.
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho việc nghiên cứu Trái đất và khí quyển Các ảnh chụp nổi từ vệ tinh Gemini (1965) đã thể hiện ưu thế trong nghiên cứu Trái đất, tiếp theo là sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ từ tàu Apollo, cung cấp thông tin hữu ích cho nghiên cứu mặt đất Nga đã đóng vai trò tiên phong trong lĩnh vực này với các tàu vũ trụ có người như Soyuz và các trạm Salyut, cho ra đời các ảnh chụp từ thiết bị quét đa phổ phân giải cao như MSU-E trên Meteor - priroda.
Vào năm 1956, các thử nghiệm đã được thực hiện để đánh giá khả năng của ảnh máy bay trong việc phân loại và phát hiện thực vật Đến năm 1960, nhiều nghiên cứu ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được tiến hành dưới sự hỗ trợ của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ.
Từ những thành công trong nghiên cứu trên vào ngày 23/7/1972 Mỹ đã phóng vệ tinh nhân tạo Landsat đầu tiên mang đến khả năng thu nhận thông
NASA đã phóng tổng cộng 10 vệ tinh quan sát tài nguyên toàn cầu, bao gồm cả Trái Đất và môi trường xung quanh Trong số đó, các vệ tinh Landsat được phóng lần lượt là Landsat 2 vào năm 1975, Landsat 3 vào năm 1978, Landsat 4 vào năm 1982 và Landsat 5 vào năm 1984.
Từ năm 1993 đến 1999, các vệ tinh Landsat 6 và Landsat 7 đã được đưa vào quỹ đạo, cùng với hệ thống vệ tinh khí tượng NOAA thế hệ 3 sau TIROS Trong giai đoạn 1979 đến 1991, các vệ tinh NOAA như NOAA 7 và NOAA 12 đã cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 1.1 km Những vệ tinh này cung cấp thông tin toàn cầu về động thái của mây, lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương Thời gian tồn tại lâu dài của các vệ tinh trên quỹ đạo, cùng với khả năng lặp lại đường bay, cho phép theo dõi biến đổi theo mùa và hàng năm của các đối tượng trên mặt đất.
Trong hơn một thập kỷ qua, kỹ thuật viễn thám đã được cải tiến với các thiết bị thu hiện đại, và nhiều quốc gia như Nhật Bản, Ấn Độ và các nước châu Âu đang lên kế hoạch phóng vệ tinh để khảo sát tài nguyên Tổ chức EOS đã phóng vệ tinh mang máy thu MODIS (100 kênh) và HIRIS (200 kênh) vào quỹ đạo Sự phát triển của nhiều phần mềm xử lý ảnh số đã biến viễn thám thành một công cụ quan trọng trong việc khảo sát điều kiện và đánh giá tài nguyên thiên nhiên, cũng như quản lý và bảo vệ môi trường Hiện nay, tia laze cũng đang được ứng dụng trong viễn thám, chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu khí quyển, lập bản đồ địa hình và nghiên cứu lớp phủ bề mặt thông qua hiệu ứng huỳnh quang.
Viễn thám hiện đại cung cấp thông tin tổng hợp và tức thời, giúp giải quyết các vấn đề thiên tai và theo dõi biến động tài nguyên phục hồi.
Viễn thám trong lâm nghiệp đã trở thành công cụ quan trọng trong khoảng ba thập kỷ qua, khi các nhà khoa học phát hiện và ứng dụng dữ liệu vệ tinh một cách hiệu quả để phát hiện và quản lý tài nguyên rừng.
Biến động trong việc giám sát các xu hướng của hệ sinh thái rừng rất quan trọng, vì nó giúp đánh giá những thay đổi lâu dài và nhận diện các biến động đột ngột do tác động của thiên nhiên hoặc con người.
Nghiên cứu của Aschbacher và cộng sự đã đánh giá tình trạng sinh thái của rừng ngập mặn tại vịnh Phangnga, Thái Lan, dựa trên độ tuổi, mật độ và các loài Tương tự, nghiên cứu của Thu và Populus (2007) đã phân tích sự thay đổi của rừng ngập mặn ở tỉnh Trà Vinh và đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam từ năm 1965 đến 2001 Gang và Agatsiva đã thành công trong việc sử dụng ảnh SPOT XS tại Mida Creek, Kenya để lập bản đồ mức độ trạng thái rừng ngập mặn Trong khi đó, Wang và cộng sự đã áp dụng ảnh Landsat TM 1990 và Landsat 7 ETM+ năm 2000 để xác định những thay đổi trong khu vực phân bố và tổng diện tích rừng ngập mặn dọc theo bờ biển Tanzania.
Vào năm 1986 và 2006, Conchedda và cộng sự đã xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất trong hệ sinh thái rừng ngập mặn tại Casamance, Senegal Họ đã tiến hành phân tích các hệ sinh thái dọc theo ba con sông lớn ở vịnh nhiệt đới Bengal, bao gồm sông Hằng, Irrawaddy và sông Mekong, dựa trên các tiêu chí như thực vật khí hậu, đặc điểm tự nhiên và mật độ của rừng ngập mặn.
Công nghệ viễn thám và GIS đang được các nhà khoa học toàn cầu ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực tài nguyên và môi trường Việc phân tích và giải đoán ảnh ngày càng chính xác giúp xác định diễn biến môi trường, từ đó đưa ra các giải pháp hướng tới một môi trường bền vững trong tương lai.
Công nghệ viễn thám đã được áp dụng tại Việt Nam từ những năm 1980, mang lại hiệu quả tích cực cho nhiều ngành kinh tế quốc dân trong những năm tiếp theo của thế kỷ XX, đặc biệt trong lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên.
Dự báo thời tiết, giám sát ô nhiễm, và hiện trạng sử dụng đất là những yếu tố quan trọng trong việc quản lý tài nguyên Đo đạc bản đồ hỗ trợ cho công tác phòng chống thiên tai và theo dõi diễn biến rừng Bên cạnh đó, việc đánh bắt và nuôi trồng thủy sản cần được quy hoạch hợp lý, cùng với quy hoạch đô thị và quản lý giao thông để phát triển bền vững.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu
Góp phần làm cơ sở khoa học cho việc áp dụng công nghệ viễn thám và
GIS vào việc đề xuất các giải pháp nâng cao công tác quản lý rừng tại khu vực nghiên cứu
• Thành lập bản đồ hiện trạng rừng năm 2010 và năm 2015 bằng phương pháp xử lý ảnh số
• Thành lập bản đồ thể hiện biến động diện tích rừng giai đoạn 2010 –
• Nghiên cứu xác định nguyên nhân và đề xuất giải pháp quản lý rừng bền vững tại khu vực nghiên cứu.
Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng: Đối tƣợng nghiên cứu của chuyên đề tốt nghiệp là diện tích rừng tại huyện Quan Hóa
Hình 2.1: địa điểm khu vực nghiên cứu: (a) khu vực nghiên cứu 3 xã Trung Sơn – Trung Thành – Thành Sơn , (b) huyện Quan Hóa, (c) tỉnh
+ Đề tài tập trung nghiên cứu sự thay đổi diện tích rừng tại 3 xã Trung
Sơn, Trung Thành, Thành Sơn của huyện Quan Hóa
+ Đề tài sử dụng ảnh Landsat 5 và 8 để xác định biến động diện tích rừng tại khu vực nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu đặt ra, đề tài thực hiện những nội dung sau:
Nghiên cứu xác định sự thay đổi diện tích rừng giai đoạn 2010 - 2015 tại 3 xã Trung Sơn, Trung Thành, Thành Sơn của huyện Quan Hóa
Nghiên cứu xác định nguyên nhân thay đổi diện tích rừng tại khu vực nghiên cứu và đề xuất giải pháp.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp kế thừa tài liệu
Kế thừa tài liệu là quá trình sử dụng có chọn lọc các tài liệu công bố từ nghiên cứu khoa học, văn bản pháp lý và tài liệu điều tra của cơ quan có thẩm quyền, nhằm giảm bớt khối lượng công việc mà vẫn đảm bảo hoặc nâng cao chất lượng nghiên cứu Phương pháp này được áp dụng để thu thập các số liệu cần thiết cho đề tài.
+ Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu
+ Các thông số kỹ thuật của ảnh vệ tinh Landsat
Các tài liệu kế thừa bao gồm đề tài, sách báo và thông tin từ các cơ quan, tổ chức hoạt động trong khu vực nghiên cứu, đặc biệt là những nghiên cứu liên quan đến điều tra diễn biến diện tích rừng.
2.4.2 Phương pháp phân loại ảnh
2.4.2.1 Dữ liệu ảnh sử dụng nghiên cứu Đề tài sử dụng ảnh vệ tinh Landsat các năm 2010, 2015 để theo dõi biến động của diện tích rừng (Bảng 2.1)
B ả ng 2.1 D ữ li ệ u ả nh Landsat thu th ập trong đề tài
Năm Mã ảnh Ngày chụp Độ phân giải Path/Row
2015 LC81270462015182LGN00 01/07/2015 30m 127/46 http://glovis.usgs.com
2.4.2.2.Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt Để phương pháp phân loại có kiểm định được hiệu quả hơn, trong đề tài dùng thêm phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt Đây là phương pháp dựa trên kinh nghiệm của người phân tích và các tài liệu có sẵn để giải đoán ảnh Phương pháp sử dụng một số công cụ hỗ trợ như Google Earth, …Tuy nhiên, do ảnh sử dụng trong đề tài có độ phân giải không cao (30m), vì vậy đây chỉ là phương pháp hỗ trợ nhằm giúp phương pháp phân loại có kiểm định đạt hiệu quả cao hơn
2.4.2.3 Phương pháp phân loại ảnh bằng NDVI
Nhiều nghiên cứu đã lập bản đồ biến động rừng toàn cầu dựa trên việc sử dụng tài nguyên rừng và thay đổi độ che phủ, nhưng thông tin về các khu vực có tài nguyên rừng thực tế còn hạn chế Một số nghiên cứu đã phát triển thuật toán đơn giản để lập bản đồ rừng nhanh chóng thông qua các đặc tính vật lý của tài nguyên rừng Sử dụng chỉ số thực vật NDVI từ ảnh vệ tinh trong các giai đoạn khác nhau, khu vực biến động tài nguyên rừng có thể được phát hiện bằng một hoặc hai kênh ảnh viễn thám Thuật toán NDVI giúp làm nổi bật lớp phủ thực vật và hỗ trợ lập bản đồ hiện trạng và biến động rừng NDVI, được Rouse và các cộng sự đề xuất năm 1973, là thước đo sự khác biệt trong phản xạ giữa các bước sóng, thường được tính cho ảnh Landsat.
NDVI = (NIR-Red/NIR+Red)
Trong đó: NIR là kênh cận hồng ngoại
NDVI có giá trị giữa -1 và 1, với giá trị 0 - 0,5 là vùng có thảm thực vật thƣa, 0,5 - 1 cho thấy thảm thực vật dày đặc và các giá trị