Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lâm nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải cao để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra, kiểm kê rừng

Chia sẻ: Tri Lễ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:118

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là thành lập được bản đồ tài nguyên rừng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải cao bằng quy trình xử lý ảnh số tự động, đánh giá được biến động tài nguyên rừng tại khu vực nghiên cứu. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lâm nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải cao để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra, kiểm kê rừng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP ----------------------------- NGUYỄN HUY HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO ĐỂ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ TÀI NGUYÊN RỪNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐIỀU TRA, KIỂM KÊ RỪNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP Hà Nội, 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP --------------------------- NGUYỄN HUY HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO ĐỂ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ TÀI NGUYÊN RỪNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐIỀU TRA, KIỂM KÊ RỪNG Chuyên ngành: Lâm học Mã ngành: 60.62.60 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS: TRẦN QUANG BẢO Hà Nội, 2010
ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam có tổng diện tích đất tự nhiên là 33.121.200 ha (Tổng cục Thống kê, 2007), trong đó có tới 3/4 diện tích là rừng và đất rừng, hơn nữa nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, hàng năm nhận được lượng nhiệt và lượng mưa lớn, địa hình bị chia cắt mạnh, đất nước trải dài theo nhiều vĩ độ và kinh độ, … chính điều đó đã tạo cho nước ta có nguồn tài nguyên thực vật và động vật rừng vô cùng phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, trong những thập kỷ gần đây, do công tác quản lý rừng chưa bền vững mà rừng ở nước ta đang bị suy giảm một cách nghiêm trọng cả về số lượng lẫn chất lượng: Năm 1943, Việt Nam có 14,3 triệu ha rừng, độ che phủ là 43% nhưng đến năm 1990 chỉ còn 9,18 triệu ha, độ che phủ rừng là 27,2%. Theo công bố tại quyết định số 1970/QĐ/BNN-KL-LN ngày 06 tháng 7 năm 2006, tính đến 31/12/2005, diện tích rừng toàn quốc là 12,61 triệu ha, độ che phủ rừng là 37%, trong đó mất rừng là nguyên nhân gây ra một loạt các hiện tượng như: lũ lụt, hạn hán, mất mùa, … kéo theo đó là các tai biến về môi trường đã làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sản xuất và sinh hoạt của người dân. Chính vì vậy, nhiệm vụ đặt ra đối với các cơ quan chức năng, những nhà quản lý lâm nghiệp là cần phát triển bền vững nguồn tài nguyên này. Để quản lý bền vững nguồn tài nguyên rừng thì một trong những tài liệu không thể thiếu đó là bản đồ tài nguyên rừng như: Bản đồ hiện trạng rừng, bản đồ trữ lượng, bản đồ sinh khối, … bởi từ bản đồ tài nguyên rừng các nhà quản lý lâm nghiệp, các nhà khoa học mới có cơ sở để đưa ra các phương án quy hoạch, đề xuất các giải pháp kỹ thuật, kinh tế - xã hội và định hướng cho việc sử dụng và quản lý bền vững tài nguyên rừng. Hơn nữa, bản đồ tài nguyên rừng còn là cơ sở để thực hiện việc đánh giá biến động tài nguyên rừng qua các thời kỳ mà hiện nay ở nước ta thực hiện theo chu kỳ 5 năm. Bản đồ tài nguyên rừng cũng là cơ sở để các nhà quản lý thực hiện giao đất giao rừng cho các hộ gia đình, … 1
Ở nước ta, các chương trình theo dõi diễn biến tài nguyên rừng đã được tiến hành từ những năm 1976 với chương trình đánh giá diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 1976 - 1990 - 1995, chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm các giai đoạn 1996 - 2000 và 2000 - 2005 và hiện nay đang thực hiện chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 2006 - 2010. Những năm trước đây để điều tra theo dõi diễn biến tài nguyên rừng chủ yếu vẫn dựa trên việc đo vẽ, thành lập bản đồ hiện trạng rừng bằng phương pháp thủ công vì vậy công việc này đòi hỏi tốn rất nhiều thời gian, công sức, tiền bạc, độ chính xác không cao và thông tin thường không được cập nhật vì tình hình rừng và đất rừng luôn biến động. Trong những năm gần đây, khi khoa học công nghệ viễn thám phát triển mạnh thì việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lâm nghiệp là rất cần thiết vì kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tượng ở các độ phân giải phổ và không gian khác nhau, từ trung bình đến siêu cao và chu kỳ chụp lặp từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh chóng hiện trạng lớp phủ rừng, từ đó có thể dễ dàng xác định được biến động rừng và đặc biệt là xu hướng của biến động, hơn nữa kỹ thuật viễn thám dễ dàng tích hợp với các phần mềm GIS để quản lý và cập nhật thường xuyên, giúp cho việc quản lý được dễ dàng, thuận lợi với độ tin cậy cao. Tuy nhiên, các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ viễn thám trong lâm nghiệp còn rất thiếu đặc biệt là công nghệ xử lý ảnh số viễn thám tự động và bán tự động, các ảnh vệ tinh được sử dụng vẫn là các ảnh độ phân giải thấp dẫn đến các kết quả thành lập bản đồ tài nguyên rừng và đánh giá biến động rừng cho độ chính xác không cao. Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn trên và để phục vụ cho công tác điều tra đánh giá diễn biến tài nguyên rừng trong giai đoạn mới, tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải cao để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra, kiểm kê rừng ” 2
Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Viễn thám - Remote sensing (RS) được định nghĩa [43]: “Viễn thám là khoa học nghiên cứu các phương pháp thu nhận, đo lường và phân tích thông tin của vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng”. Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển từ lâu, có mục đích nghiên cứu thông tin về một vật và một hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh hồng ngoại nhiệt và ảnh radar. Sự phát triển của khoa học viễn thám được bắt đầu từ mục đích quân sự với việc nghiên cứu phim và ảnh, được chụp lúc đầu từ khinh khí cầu và sau đó là trên máy bay ở các độ cao khác nhau. Ngày nay, viễn thám ngoài việc tách lọc thông tin từ ảnh máy bay, còn áp dụng các công nghệ hiện đại trong thu nhận và xử lý thông tin ảnh số thu được từ các bộ cảm có độ phân giải khác nhau, các dữ liệu viễn thám ngày càng đa dạng như: ảnh vệ tinh đa phổ, siêu phổ và ảnh nhiệt, ảnh quang học, ảnh rada từ đó viễn thám đã đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu trong nhiều ngành khoa học khác nhau như: địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, thủy lợi, nông nghiệp, lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học khác trong đó lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường nói chung và trong lâm nghiệp nói riêng đã và đang có rất nhiều các ứng dụng từ viễn thám [37]. 1.1. Trên thế giới Sự phát triển của viễn thám gắn liền với sự phát triển của phương pháp chụp ảnh và thu nhận thông tin của các đối tượng trên mặt đất được các chuyên gia quan tâm. Từ năm 1858 người ta đã bắt đầu sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh nhằm mục đích thành lập bản đồ địa hình và những bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay đã được Wilbur Wringt thực hiện năm 1909 trên vùng Centocelli, Italia [43]. Cuộc chiến tranh thế giới lần thứ I (1914 - 1918) đã thúc đẩy việc chế tạo thiết bị và đào tạo nguồn nhân lực phục vụ công tác thu nhập, xử lý và giải đoán ảnh hàng không, từ đó đã mở ra giai đoạn mới trong việc ứng dụng không 3
ảnh vào mục đích dân sự. Đến giữa những năm 1930, người ta đã có thể chụp ảnh màu và bắt đầu thực hiện nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra nhiều lớp cảm quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại, có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hưởng tán xạ và mù của khí quyển. Những thành đạt được trong giai đoạn 1930 - 1939 đã góp phần quan trong vào việc áp dụng ảnh hàng không trong quy hoạch môi trường và giám sát việc phát triển kinh tế nông thôn [43]. Trong chiến tranh thế giới thứ II (1939 - 1945), việc sử dụng phổ điện từ đã được mở rộng và những nghiên cứu trong thời gian chiến tranh sau đó đã được phổ biến ứng dụng vào nhiều lĩnh vực phi quân sự. Ảnh hàng không và kỹ thuật viễn thám bắt đầu được áp dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia thời hậu chiến, nhằm phục vụ hiệu quả cho việc phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng [43]. Việc chạy đua vũ trang vào vũ trụ giữa Liên Xô cũ và Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc nghiên cứu trái đất bằng viễn thám với các phương tiện kỹ thuật hiện đại. Các trung tâm nghiên cứu mặt đất được ra đời như cơ quan vũ trụ châu Âu ESA (Aeropian Remote sesing Agency), cơ quan Hàng không Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ NASA (National Aeronautics & Space Administration). Ngoài ra, còn có các chương trình nghiên cứu Trái đất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc [37]. Bức ảnh đầu tiên, chụp về Trái đất từ vũ trụ được cung cấp từ tàu Explorer - 6 vào năm 1959. Tiếp theo là chương trình vũ trụ Mercury (1960), cho ra các bức ảnh chụp từ quỹ đạo Trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm được chụp từ một máy tự động [37]. Sự phát triển của viễn thám, đi liền với sự phát triển của công nghệ nghiên cứu vũ trụ, phục vụ cho nghiên cứu Trái đất, các hành tinh và quyển khí. Các ảnh chụp nổi (stereo), thực hiện theo phương đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini (1965), đã thể hiện ưu thế của công việc nghiên cứu Trái đất. Tiếp theo, tầu Apolo 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 4
đất. Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái Đất từ vũ trụ. Việc nghiên cứu Trái đất 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 chào mừng Salyut. 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 Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm. Ngoài ra, các ảnh chụp từ thiết bị chụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo Salyut, cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40 đến 0.89m. Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20 x 20m [37]. Nghiên cứu ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã được NASA tiến hành vào đầu những năm 1960. Sau đó, những thành công trong việc tạo ra các bộ cảm biến có độ phân giải cao đặt trên vệ tinh nhân tạo đã cung cấp thông tin hữu ích cho việc nghiên cứu lớp phủ thực vật, cấu trúc địa mạo, nhiệt độ và gió trên bề mặt đại dương, … khiến cho việc nghiên cứu trở nên vô cùng thuận lợi và hiệu quả. Tháng 4 năm 1960, vệ tinh quan sát khí tượng đầu tiên (TIROS - 1) được phóng vào quỹ đạo. Những thành tựu và kinh nghiệm đạt được đã góp phần cung cấp cơ sở cho việc phát triển vệ tinh quan sát tài nguyên sau này. Từ năm 1972 đến nay, NASA đã phóng 7 vệ tinh quan sát tài nguyên (Landsat); 3 vệ tinh đầu tiên (1972 - Landsat 1; 1975 - Landsat 2; 1978 - Landsat 3) chỉ trang bị bộ cảm đa phổ MSS (Multispectral Scanner System) với độ phân giải 80m. Năm 1982 phóng Landsat 4, vào năm 1984 Landsat 5 được đưa vào quỹ đạo; cả 2 được trang bị thêm bộ cảm mới là TM (Thematic Mapper) tạo ảnh với 7 kênh phổ, có độ phân giải không gian là 30m đối với giải sóng nhìn thấy là 120m cho giải sóng hồng ngoại nhiệt. Landsat 6 và 7 được phóng vào năm 1993 và 1999 với bộ cảm mới ETM (Enhanced TM). Ngoài ra, Hoa Kỳ cũng đã phóng vệ tinh khí tượng NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) là thế hệ thứ 3 sau TIROS (1960 - 1965) và TIROS (1970 - 1976) [43]. 5
Từ năm 1979 đến năm 1991, các vệ tinh NOAA 6, NOAA 7, … ,NOAA 12; năm 1992 NOAA - I và năm 1993 NOAA - J đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải không gian 1.1km [43]. Pháp đã phóng vệ tinh SPOT 1 (22/02/1986), SPOT 2 (22/01/1990) Và SPOT 3 (26/09/1993) với bộ cảm HVR (High Resolution Visible) với 3 kênh phổ có độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc có độ phân giải 10m. Đến ngày 24 tháng 3 năm 1998, SPOT 4 đã được phóng vào quỹ đạo với bộ cảm mới HRVIR (High Resolution Visible and Infrared) và SPOT 5 (2002) với bộ cảm HRVIR đã được nâng cấp, thu ảnh có độ phân giải đến 5m [43]. Ngoài ra Ấn Độ cũng đã phóng thành công vệ tinh giám sát tài nguyên IRS-1A vào năm 1998 (sau đó là vệ tinh IRS-1B năm 1991, IRS - 1C năm 1995 và IRS-1D năm 1997) với bộ cảm LISS (Linear Imaging Scanner System) có các tính năng kỹ thuật tương đương MSS [43]. Nhật Bản cũng đã phóng vệ tinh tài nguyên JERS-1 vào năm 1992 với bộ cảm SAR (Synthetic Aperture Rada), VNIR (Visible and Near Infrared Radiometer) và SWIR (Short Wavelength Infrared Radiometer). Năm 1996, vệ tinh ADEOS (Advanced Earth Observation Satellite) của Nhật đã được đưa vào quỹ đạo với các bộ cảm OCTS (Ocean Colour & Temperature Scanner) độ phân giải 700m, AVNIR (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer) độ phân giải 16m và các bộ cảm biến có độ phân giải không gian thấp. Nhật Bản cũng đã nỗ lực cộng tác với Hoa Kỳ trong việc xây dựng bộ cảm biến hiện đại ASTER (The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) đặt trên vệ tinh Terra được NASA phóng lên quỹ đạo tháng 12 năm 1999 [43]. Hiện nay ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (1 ÷ 4m) đang được các chuyên gia sử dụng theo hướng tích hợp với GPS (Global Positioning System) và GIS (Geographical Information System) nhằm khai thác dữ liệu không gian hiệu quả phục vụ công tác thành lập bản đồ thành phố, quy hoạch giao thông, giám sát biến động sử dụng đất, … Trong đó, vệ tinh IKONOS được phóng vào 6
tháng 4 năm 1999 đã cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 1m và đặc biệt vệ tinh Quickbird được phóng vào tháng 10 năm 2001 cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 0.61m. Ảnh đa phổ với độ phân giải không gian cao đã góp phần quan trọng trong việc phát triển ứng dụng viễn thám trong nhiều lĩnh vực, đáp ứng đòi hỏi mức độ cung cấp thông tin chi tiết và chính xác [43]. Ngoài ra, sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu Trái đất bằng viễn thám được đẩy mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar. Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây. Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời. Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR được ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat. Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên rất đa dạng. Sóng này hết sức nhạy cảm với độ ghồ ghề của bề mặt vật, được chùm tia radar phát tới, vì vậy nó được ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vực nào đó. Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh radar [37]. Trong lâm nghiệp thì Spurr S. đã chia lịch sử viễn thám trong lâm nghiệp thế giới thành ba giai đoạn chính như sau [14]. Giai đoạn thứ nhất: Từ cuối thế kỷ 19 đến trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, đánh dấu bằng sự ra đời của ảnh hàng không, kính lập thể và những thử nghiệm lẻ tẻ ban đầu về ứng dụng của chúng trong lâm nghiệp. Thí dụ một số thí nghiệm của Rodolf Kobsa và Ferdinand Wang (Áo - 1982), Hugershoff R. (Đức - 1911), Hand Dock (Áo - 1913). Giai đoạn thứ hai: Từ chiến tranh thế giới thứ nhất đến cuối chiến tranh thế giới thứ hai. Giai đoạn này đã ghi nhận thành công của một số tác giả ở một số nước: Xây dựng bản đồ rừng từ ảnh hàng không ở vùng Maurice thuộc Canada, bản đồ thực vật rừng ở Anh (1924), điều tra trữ lượng rừng từ ảnh hàng 7
không ở Mỹ (1940). Thí nghiệm các phương pháp đo tán, đo chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff, … Tuy nhiên, giai đoạn này vẫn chưa xây dựng hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đoán đọc ảnh hàng không. Giai đoạn thứ ba: Từ chiến tranh thế giới thứ hai đến nay, cùng với sự phát triển về khoa học kỹ thuật, việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám ngày càng phát triển rộng rãi ở nhiều nước. Kỹ thuật viễn thám phát triển theo chiều hướng ngày càng phong phú, tinh vi, chính xác và cập nhật hơn với chương trình “Interkosmos” và vệ tinh “Landsat”. Song song với hai hệ thống trên là hệ thống trạm thu và xử lý thông tin ở nhiều nước trên thế giới như: Canada, Brazil, Ấn Độ, Thái Lan, Trung Quốc, … Gần đây, các hệ thống vệ tinh SPOT, ADEOS, TERRA, … ra đời và cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin thì các phương pháp xử lý ảnh viễn thám bằng phần mềm đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới nghiên cứu như: Mỹ, Nhật, Pháp, Nga, ... Từ đó, ảnh viễn thám đã được ứng dụng ngày một rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Môi trường, Địa chất… 1.2. Trong nước Ở Việt Nam có thể tóm tắt theo đánh giá được nêu trong bản dự thảo kế hoạch tổng thể về ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám ở Việt Nam giai đoạn 2001 - 2010 như sau: [43] Năm 1979 - 1980, các cơ quan của nước ta bắt đầu tiếp cận công nghệ viễn thám. Trong 10 năm tiếp theo (1980 - 1990), đã triển khai các nghiên cứu - thử nghiệm nhằm xác định khả năng và phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám để giải quyết các nhiệm vụ của mình. Từ những năm 1990 - 1995, bên cạnh việc mở rộng công tác nghiên cứu - thử nghiệm, nhiều ngành đã đưa công nghệ viễn thám vào sử dụng trong thực tiễn và đến nay đã thu được một số kết quả rõ rệt về khoa học công nghệ và kinh tế. Trong các ứng dụng thực tế, ngoài ảnh vệ tinh khí tượng NOAA và GMS, các cơ quan đã sử dụng nhiều ảnh vệ tinh quang học như LANDSAT, 8
SPOT, KFA-1000, ADEOS, còn ảnh vệ tinh radar như RADASAT, ERT mới được ứng dụng thử nghiệm trong những năm gần đây. Riêng ảnh vệ tinh độ phân giải cao (1 - 2m) hầu như chưa được sử dụng phổ biến. Cùng với việc ứng dụng công nghệ viễn thám, công tác nghiên cứu triển khai phát triển phần mềm, chế tạo thiết bị cũng như xây dựng quy trình xử lý và sử dụng ảnh vệ tinh đã được tiến hành ở một số cơ quan. Đối với ngành lâm nghiệp thì viễn thám đã được ứng dụng từ rất sớm. Năm 1958, với sự hợp tác của CHDC Đức đã sử dụng ảnh máy bay đen trắng toàn sắc tỷ lệ 1/30.000 để điều tra rừng ở vùng Đông Bắc [6]. Đó là một bước tiến bộ kỹ thuật rất cơ bản, tạo điều kiện xây dựng các công cụ cần thiết để nâng cao chất lượng công tác điều tra rừng ở nước ta. Từ cuối năm 1958, bình quân mỗi năm đã điều tra được khoảng 200.000 ha rừng, đã sơ thám được tình hình rừng và đất đồi núi, lập được thống kê tài nguyên rừng đơn giản và vẽ được phân bố tài nguyên rừng ở miền Bắc. Đến cuối năm 1960, tổng diện tích rừng ở miền Bắc đã điều tra được vào khoảng 1,5 triệu ha. Vào những năm 1959 ở miền Nam Việt Nam đã sử dụng ảnh máy bay vào điều tra rừng và đã xác định được tổng diện tích rừng ở miền Nam là 8 triệu ha [3]. Năm 1968 đã sử dụng ảnh máy bay trong công tác điều tra rừng cho lâm trường Hữu Lũng, Lạng Sơn. Dựa vào ảnh máy bay, khoanh ra các loại rừng, sau đó ra thực địa kiểm tra và đo đếm cho từng loại rừng, xây dựng bản đồ hiện trạng rừng thành quả. Giai đoạn 1970 - 1975 ảnh máy bay đã được sử dụng rộng rãi để xây dựng các bản đồ hiện trạng, bản đồ mạng lưới vận xuất, vận chuyển cho nhiều vùng thuộc miền Bắc [14]. Từ 1981 - 1983, trong chương trình điều tra và đánh giá rừng toàn quốc lần thứ nhất dưới sự giúp đỡ của tổ chức Nông Nghiệp và Lương Thực Liên Hợp Quốc (FAO), lần đầu tiên trong lịch sử Viện ĐTQH rừng đã tiến hành điều tra, đánh giá tài nguyên rừng trên phạm vi toàn quốc với mục tiêu cung cấp số liệu, thông tin cho Nhà nước xây dựng chính sách và chiến lược lâm nghiệp và 9
phát triển kinh tế - xã hội giai đoạn 1983 - 1990. Trong chương trình này có sự kết hợp của ảnh vệ tinh do FAO hỗ trợ kết hợp với điều tra mặt đất. Loại ảnh vệ tinh sử dụng là ảnh Landsat MSS và thành quả đạt được là toàn bộ số liệu về diện tích, trữ lượng các loại rừng theo từng tỉnh và trên phạm vi toàn quốc [3]. Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm 1991 - 1995 thực hiện theo Quyết định số 575/TTg do Phó Thủ tướng Chính phủ Phan Văn Khải ký ngày 27/11/1993. Trong trương chình này bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng được xây dựng dựa trên những bản đồ hiện trạng rừng hiện có thời kỳ trước năm 1990, sau đó dùng ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM có độ phân giải là 30 x 30m để cập nhật những khu vực thay đổi sử dụng đất, những nơi mất rừng hoặc những nơi có rừng trồng mới hay mới tái sinh phục hồi. Ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM ở dạng in màu trên giấy (hardcopy), tỷ lệ 1:250.000 và được giải đoán khoanh vẽ trực tiếp trên ảnh bằng mắt thường. Kết quả giải đoán được chuyển họa lên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 và được kiểm tra tại hiện trường. Thành quả đạt được của chương trình là số liệu về tài nguyên rừng toàn quốc, các vùng và các tỉnh, bản đồ sinh thái thảm thực vật rừng các vùng tỷ lệ 1/250.000; bản đồ dạng đất đai các tỉnh tỷ lệ 1: 100.000 và các vùng tỷ lệ 1:250.000 [3]. Chương trình điều tra đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm giai đoạn 1996 - 2000, trong giai đoạn này thì bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng bằng phương pháp viễn thám. Ảnh vệ tinh đã sử dụng là SPOT3, có độ phân giải là 15m x 15m, phù hợp với việc xây dựng bản đồ tỷ lệ 1:100.000. Ảnh SPOT3 được xử lý và tổ hợp màu giả, in trên giấy (hardcopy). So với ảnh Landsat MSS và Landsat TM, ảnh SPOT3 có độ phân giải cao hơn, các đối tượng trên ảnh cũng được thể hiện chi tiết hơn. Ảnh SPOT3 vẫn được giải đoán bằng mắt thường nên kết quả giải đoán vẫn còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của chuyên gia giải đoán và chất lượng ảnh. Thành quả đạt được của chương trình này về mặt bản đồ là: báo cáo và số liệu tài nguyên rừng; báo cáo thuyết minh bản đồ phân vùng sinh thái thảm 10
thực vật cấp vùng và toàn quốc; báo cáo thuyết minh và bản đồ phân loại đất cấp tỉnh, vùng và toàn quốc; báo cáo thuyết minh và bản đồ hiện trạng rừng cấp tỉnh, vùng và toàn quốc; báo cáo tổng hợp diễn biến tài nguyên rừng thời kỳ 1996 - 2000 bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1:100.000; 1:250.000; 1:1000.000 [3]. Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm giai đoạn 2000 - 2005, trong chương trình này thì phương pháp xây dựng bản đồ trong chu kỳ III đã được phát triển lên một bước. Lần này, bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng từ ảnh số vệ tinh Landsat ETM+. Chất lượng của ảnh lần này vẫn tương tự như ảnh sử dụng trong chu kỳ I. Độ phân giải của nó vẫn là 30m x 30m. Ảnh không được in ra dưới dạng giấy in (hardcopy) mà để nguyên ở dạng số, lưu trữ trong đĩa CD. Viện ĐTQH rừng đã ứng dụng công nghệ giải đoán ảnh số với sự trợ giúp của phần mềm chuyên dụng Erdas imagine 8.5. Việc giải đoán ảnh được thực hiện trong phòng dựa trên những mẫu khóa ảnh đã được kiểm tra ngoài hiện trường. Ưu điểm của phương pháp giải đoán ảnh số là tiết kiệm được thời gian và có thể giải đoán thử nhiều lần trước khi lấy kết quả chính thức. Thành quả đạt được của chương trình này cũng tương tự như các chương trình trước [3]. Hiện nay, chúng ta đang thực hiện chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng giai đoạn 2006 - 2010 (chu kỳ IV). Trong chương trình này thì việc xây dựng hệ thống bản đồ và số liệu hiện trạng tài nguyên rừng sử dụng ảnh vệ tinh Spot-5 độ phân giải 2.5m trên phạm vi toàn quốc do Bộ Tài nguyên và Môi trường cung cấp làm cơ sở để biên tập và nắn chỉnh xây dựng các loại bản đồ: hiện trạng tài nguyên rừng, tỷ lệ 1/25.000 cho 1.000 xã trọng điểm lâm nghiệp; hiện trạng rừng, tỷ lệ 1/50.000 cho các huyện; hiện trạng rừng, các tỷ lệ 1/100.000; 1/250.000 và 1/1.000.000 cho cấp tỉnh, vùng và trên toàn quốc. Xây dựng bộ mẫu khóa ảnh phục vụ cho công tác đoán, đọc ảnh vệ tinh. Xây dựng hệ thống số liệu được cập nhật, công bố 5 năm/một lần, được kiểm tra, giám sát và đánh giá tại thời điểm cuối chu kỳ theo dõi 11
(2010). Xây dựng báo cáo phân tích, đánh giá biến động về diện tích rừng giữa 2 chu kỳ nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp cho công tác quản lý rừng [39]. Ngoài các chương trình điều tra, đánh giá theo dõi diễn biễn tài nguyên rừng toàn quốc thì còn rất nhiều chương trình, đề tài khác cũng ứng dụng viễn thám như: Luận án tiến sĩ chuyên ngành khoa học địa lý của Trần Văn Thuy (1996) với đề tài “Ứng dụng phương pháp viễn thám để thành lập bản đồ thảm thực vật tỉnh Thanh Hoá, tỷ lệ 1/200.000”. Tác giả sử dụng phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt trên ảnh tổ hợp màu của tư liệu vệ tinh Landsat TM, KFA-1000, Landsat MSS, KT-200 và ảnh máy bay đen trắng để thành lập bản đồ thảm thực vật tỉnh Thanh Hoá [40]. Luận án tiến sĩ chuyên ngành ảnh hàng không của Chu Thị Bình (2001) với đề tài “Ứng dụng công nghệ tin học để khai thác thông tin cơ bản trên tư liệu viễn thám, nhằm phục vụ việc nghiên cứu một số đặc trưng rừng Việt Nam. Đề tài đã sử dụng chỉ số thực vật NDVI và tổng năng lượng phản xạ TRRI với tư liệu viễn thám ADEOS và Landsat TM để phân loại các trạng thái rừng và giám sát sự biến động của rừng giai đoạn 1989 - 1998 cho hai khu vực rừng ở Quảng Nam và Đồng Nai. Phương pháp xử lý số được sử dụng trong đề tài là phương pháp phân loại đa phổ có kiểm định [6]. Đề tài cấp nhà nước KC.08.24 “Nghiên cứu giải pháp phòng chống và khắc phục hậu quả cháy rừng cho vùng U minh và Tây Nguyên” do Vương Văn Quỳnh - Trường Đại học Lâm nghiệp làm chủ nhiệm, thực hiện trong 2 năm 2004 - 2006. Đề tài đã xây dựng phần mềm tự động phát hiện cháy rừng từ ảnh vệ tinh Landsat ETM+ và MODIS. Phần mềm được xây dựng trên cơ sở tổ hợp các kênh đa phổ kết hợp với dữ liệu GIS để phát hiện các điểm cháy rừng trên toàn lãnh thổ Việt Nam [33]. Công trình nghiên cứu của Nguyễn Đình Dương và cộng sự (2004) “Sử dụng ảnh đa phổ MODIS để đánh giá sự thay đổi về lớp phủ thực vật của Việt Nam trong giai đoạn 2001 - 2003”, kết quả được trình bày trong Hội thảo lần 12
thứ 14 của các nước Đông Nam Á về nông nghiệp. Tác giả đã sử dụng phương pháp phân loại có kiểm định với ảnh vệ tinh MODIS đa thời gian có độ phân giải thấp để đánh giá được sự biến động của lớp phủ trên toàn lãnh thổ Việt Nam trong giai đoạn từ 2001 đến 2003 [11]. Đề tài “Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh và công nghệ GIS trong việc giám sát hiện trạng tài nguyên rừng, thử nghiệm tại 1 khu vực cụ thể” do Nguyễn Trường Sơn - Trung tâm Viễn Thám Quốc Gia làm chủ trì, thực hiện trong năm 2007. Đề tài đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat ETM (1999), SPOT5 (2003) và GIS để xây dựng quy trình báo cáo nhanh về biến động diện tích rừng tại khu vực Yên Thế, tỉnh Bắc Giang. Phương pháp xử lý số được sử dụng là phương pháp phân loại có kiểm định với thuận toán Maximum Likelihood [34]. Đề tài “Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động lớp phủ thực vật rừng đảo Phú Quốc, thời kỳ 1996 - 2001 - 2006” do Nguyễn Quốc Khánh, Nguyễn Thanh Nga thuộc Trung tâm giám sát tài nguyên và môi trường - Trung tâm Viễn Thám Quốc Gia thực hiện năm 2007. Trong đề tài tác giả sử dụng ảnh SPOT Panchromatic (1996, 1997), ảnh Landsat 7+ETM (2001), Landsat (1992, 2001), ảnh hàng không (2005), ảnh Aster (2001, 2003) để thành lập bản đồ biến động. Trong đề tài tác giả không sử dụng phương pháp xử lý số mà dùng phương pháp điều vẽ ngoại nghiệp và kết hợp với GIS để thành lập bản đồ biến động [25]. Lâm Đa ̣o Nguyên - Phòng Điạ tin ho ̣c Vật lý, phân viện Vật lý ta ̣i Tp Hồ Chí Minh có đề tài “Ứng du ̣ng tư liê ̣u viễn thám vê ̣ tinh để giám sát sự sinh trưởng của cây lúa”. Đề tài đã đề câ ̣p đế n sử dụng tư liê ̣u viễn thám vê ̣ tinh để theo dõi phát triển mùa vụ lúa, đă ̣c biê ̣t sử du ̣ng tư liê ̣u viễn thám radar ERS2-SAR của cơ quan không gian Châu Âu (ESA - European Space Agency) cho vùng lúa đồ ng bằ ng Sông Cửu Long, nơi có hê ̣ thống mùa vu ̣ vố n rấ t phức ta ̣p [29]. Đề tài Thạc sỹ của Nguyễn Đắc Triển chuyên ngành Lâm học (2009), với tên đề tài “Nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám để theo dõi mất rừng do làm nương rẫy tại huyên Kim Bôi, tỉnh Hòa Bình”. Trong đề tài tác giả đã sử 13
dụng ảnh Landsat+ETM năm 1999, 2003, 2007 và sử dụng phương pháp phân loại theo chỉ số thực vật để theo dõi mất rừng do làm nương rẫy [42]. Chuyên san Viễn thám và điạ tin ho ̣c số 5 - 2008 của Trung tâm Viễn thám quốc gia đã đề cập đế n mô ̣t số công trình nghiên cứu: Sử du ̣ng ảnh vê ̣ tinh radar để thành lập một số lớp thông tin về lớp phủ thực vâ ̣t [47], thành lâ ̣p bản đồ nhiêṭ đô ̣ mă ̣t nước biể n và hàm lươ ̣ng chlorophyll-A khu vực biể n đông từ ảnh MODIS [35]. Trần Thanh Tùng (2006) [48], sử dụng ảnh vê ̣ tinh có độ phân giải 15m để theo dõi diễn biế n hình thái cửa sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngaĩ từ 1995 đế n 2005. Pha ̣m Quang Sơn (2008) [36] thực hiện đề tài “Ứng du ̣ng thông tin viễn thám và GIS trong nghiên cứu, quản lý tổ ng hơ ̣p tài nguyên và môi trường vùng ven bờ và hải đảo”. Ngoài ra, tư liệu viễn thám đươ ̣c sử du ̣ng rộng raĩ trong các liñ h vực khác như: Phát hiện vết dầu loang trên biể n [52], khu vực cây xanh đô thị [17], giao thông [28], tính toán độ ẩm không khí [24] giám sát nhiệt đô ̣ bề mă ̣t, mố i liên hệ giữa nhiêṭ đô ̣ bề mă ̣t và chỉ số thực vâ ̣t [18], xác đinh ̣ chỉ số xói mòn đấ t [49], tìm hiểu sự thay đổ i của lớp phủ thực vật [47], [12], nghiên cứu điạ ma ̣o [45], xác đinh ̣ năng suất mùa màng, … Nhìn chung, những nghiên cứu, ứng dụng công nghệ viễn thám trong phân loại và điều tra rừng ở Việt Nam đã được thực hiện từ rất sớm. Tuy nhiên, từ trước đến nay thành lập bản đồ rừng vẫn chủ yếu áp dụng phương pháp truyền thống là giải đoán bằng mắt, điều tra ngoại nghiệp, các dạng tư liệu viễn thám chủ yếu chủ yếu vẫn sử dụng ảnh có độ phân giải thấp hoặc trung bình nên chỉ có thể thành lập được bản đồ tỷ lệ thấp, không đáp ứng đuợc yêu cầu về độ chính xác và tính cập nhật của bản đồ hiện trạng rừng. Hiện nay, công nghệ viễn thám đang phát triển mạnh, nhiều ảnh vệ tinh có độ phân giải cao cho phép thành lập được các bản đồ có tỷ lệ lớn. Tuy nhiên, các nghiên cứu về phương pháp phân loại để thành lập bản đồ rừng; các dạng chỉ số thực vật có thể sử dụng để phân loại rừng; cách thành lập các dạng bản đồ tài nguyên rừng 14
như bản đồ phân bố trữ lượng, sinh khối; nghiên cứu về phương pháp đánh giá biến động rừng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải cao vẫn còn thiếu nhiều và hầu như chưa có các nghiên cứu như vậy. Chính vì vậy, tôi mạnh dạn thực hiện đề tài này nhằm đưa ra quy trình thành lập bản đồ tài nguyên rừng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải cao, tìm ra được một số dạng chỉ số thực vật dùng để phân loại rừng cho ảnh vệ tinh có độ phân giải cao, đưa ra được quy trình đánh giá biến động rừng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải cao từ đó góp phần vào việc ứng dụng vào thực tiễn sản xuất để thay thế các phương pháp truyền thống đặc biệt cho công tác điều tra, kiểm kê rừng trong giai đoạn mới hiện nay. 15
Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỄN THÁM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI RỪNG 2.1. Cơ sở khoa học của phương pháp viễn thám 2.1.1. Cơ sở vật lý Bức xạ điện từ là quá trình truyền năng lượng điện từ trên cơ sở các dao động của điện trường và từ trường trong không gian [43]. Hình 2.1 Bức xạ sóng điện từ Các bức xạ điện từ này vừa có tính chất sóng lại vừa có tính chất hạt, tính chất sóng của bức xạ điện từ này được thể hiện bằng biểu thức sau: C  (2.1) (C=299,793 km/s trong môi trường chân không). v Trong viễn thám, các sóng điện từ được sử dụng với các dải bước sóng của quang phổ điện từ. Quang phổ điện từ là dải liên tục của các tia sáng ứng với các bước sóng khác nhau, sự phân chia thành các dải phổ có liên quan đến tính chất bức xạ khác nhau [43]. Hình 2.2 Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ 16
Quang phổ điện từ có các dải sóng chính như sau [37]: - Các tia vũ trụ: là các tia từ vũ trụ có bước sóng vô cùng ngắn với λ 30cm. Còn tính chất hạt được mô tả theo tính chất của photon hay quang lượng tử được thể hiện bằng biểu thức sau [43]: E  hv (2.2) (h là hằng số plank) 2.1.2. Tương tác giữa các đối tượng và đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên  Sự tương tác năng lượng với các đối tượng ở trên mặt đất. Sóng điện từ lan truyền tới bề mặt của vật thể, năng lượng sóng điện từ sẽ tương tác với vật thể đưới dạng hấp thụ (A), phản xạ (R), truyền qua vật thể (T), phần trăm năng lượng phản xạ phụ thuộc vào chất liệu và điều kiện tương tác với vật thể đó [43], [37]. EI(λ) = ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) (2.3) Trong đó: EI: là năng lượng tới mặt đất. ER: năng lượng phản xạ. EA: năng lượng hấp thụ. 17
ET: năng lượng truyền qua. Tỷ lệ giữa các hợp phần năng lượng phản xạ, hấp thụ, truyền qua là rất khác nhau, tuỳ thuộc vào các đặc điểm của đối tượng trên bề mặt, cụ thể là phần vật chất và tình trạng của đối tượng. Ngoài ra, tỷ lệ giữa các hợp phần đó còn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới. Trong viễn thám, thành phần năng lượng phổ phản xạ rất quan trọng và viễn thám nghiên cứu sự khác nhau đó để phân biệt các đối tượng. Vì vậy, năng lượng phản xạ phổ thường được sử dụng để tính sự cân bằng năng lượng. ER(λ) = EI(λ) – [EA(λ) + ET(λ)] (2.4) Công thức (2.4) nói nên rằng năng lượng phản xạ bằng năng lượng rơi xuống một đối tượng sau khi đã bị suy giảm bởi việc truyền qua hoặc hấp thụ bởi đối tượng. Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất là thông số quan trọng nhất trong viễn thám. Độ phản xạ phổ được đo theo công thức: ER( )   100 (2.5) Trong đó:  là độ phản xạ phổ (tính bằng %). EI ( ) Như vậy, phổ phản xạ là tỷ lệ phần trăm của năng lượng rơi xuống đối tượng và được phản xạ trở lại. Với cùng một đối tượng độ phản xạ phổ khác nhau ở các bước sóng khác nhau [37].  Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính Đồ thị phổ phản xạ được xây dựng với chức năng là một hàm số của giá trị phổ phản xạ và bước sóng, được gọi là đường cong phổ phản xạ. Hình dáng của đường cong phổ phản xạ cho biết một cách tương đối rõ ràng tính chất phổ của một đối tượng và hình dạng đường cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận được các tín hiệu phổ [37]. 18