Luận án Tiến sĩ Lâm nghiệp: Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh SPOT-5 trong phân loại các trạng thái rừng tỉnh Bắc Kạn

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:211

Thêm vào BST

Báo xấu

141
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được tiến hành với mục tiêu cơ bản là góp phần hoàn thiện cơ sở lý luận, thực tiễn xây dựng bản đồ hiện trạng rừng, đất lâm nghiệp dựa trên ảnh vệ tinh phân giải cao trong điều kiện địa hình đồi núi và khí hậu nhiệt đới ẩm vùng miền núi phía bắc Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Lâm nghiệp: Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh SPOT-5 trong phân loại các trạng thái rừng tỉnh Bắc Kạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT NGÔ VĂN TÚ TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGÔ VĂN TÚ LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH SPOT-5 TRONG PHÂN LOẠI CÁC TRẠNG THÁI RỪNG TỈNH BẮC KẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP Hà Nội, 2015 HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGÔ VĂN TÚ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH SPOT-5 TRONG PHÂN LOẠI CÁC TRẠNG THÁI RỪNG TỈNH BẮC KẠN Chuyên ngành: Điều tra và Quy hoạch rừng Mã số: 62.62.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TSKH. NGUYỄN DUY CHUYÊN HÀ NỘI - 2015
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình Nghiên cứu sử dụng số liệu từ Dự án thí điểm điều tra, kiểm kê rừng tỉnh Bắc Kạn thực hiện trong giai đoạn 2011-2012 và Dự án Hỗ trợ theo dõi và đánh giá lâu dài tài nguyên rừng và cây phân tán toàn quốc tại Việt Nam. Bản thân tác giả luận án là ngƣời tham gia thực hiện hai Dự án về nội dung: - Đặt mua ảnh, tiếp nhận và đánh giá chất lƣợng ảnh vệ tinh SPOT-5; - Hƣớng dẫn kỹ thuật xử lý, phân loại ảnh vệ tinh xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp; - Thiết kế bố trí ô tiêu chuẩn các trạng thái rừng; - Giám sát quá trình thu thập số liệu ngoài hiện trƣờng; - Trực tiếp tham gia đo đếm ô tiêu chuẩn. Toàn bộ dữ liệu đã đƣợc Viện Điều tra, Quy hoạch rừng (cơ quan thực hiện hai Dự án) đồng ý cho phép sử dụng trong luận án. Nếu có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận án Ngô Văn Tú
ii LỜI CẢM ƠN Luận án này đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam theo chƣơng trình đào tạo nghiên cứu sinh hệ tập trung, khóa 2011 - 2014, chuyên ngành Điều tra và Quy hoạch rừng, mã số 62.62.02.08. Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm, giúp đỡ của Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Lâm học, Viện Điều tra, Quy hoạch rừng, Dự án Hỗ trợ theo dõi và đánh giá lâu dài tài nguyên rừng và cây phân tán toàn quốc tại Việt Nam,… Qua đây cho phép tác giả gửi lời cảm ơn về sự giúp đỡ quý báu và hiệu quả đó. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TSKH. Nguyễn Duy Chuyên với tƣ cách là ngƣời hƣớng dẫn khoa học đã định hƣớng quan điểm khoa học, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Điều tra, Quy hoạch rừng, Lãnh đạo Phòng Khoa học, Công nghệ và Môi trƣờng, đặc biệt là TS. Nguyễn Nghĩa Biên - Viện trƣởng, TS. Đinh Văn Đề - Trƣởng phòng đã tạo mọi điều kiện cho tác giả học tập và hoàn thành luận án. Tác giả xin cảm ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến quý báu của các nhà khoa học: GS.TS. Vũ Tiến Hinh, GS.TS. Vƣơng Văn Quỳnh, PGS.TS. Trần Quang Bảo, TS. Nguyễn Trọng Bình, TS. Vũ Thế Hồng, TS. Đỗ Xuân Lân, TS. Phạm Mạnh Cƣờng,… Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn ngƣời thân trong gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án Ngô Văn Tú
iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan ..................................................................................................... 1 Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................. iii Danh mục các ký hiệu, từ viết tắt và thuật ngữ................................................ vi Danh mục các bảng ......................................................................................... vii Danh mục các hình ........................................................................................... ix ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 6 1.1. Sự phát triển công nghệ viễn thám............................................................. 6 1.2. Ảnh vệ tinh SPOT-5 ................................................................................. 11 1.3. Phƣơng pháp chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám ............................... 14 1.4. Sử dụng ảnh viễn thám trong điều tra rừng Việt Nam ............................. 24 1.5. Hệ thống phân loại rừng Dự án Tổng điều tra, kiểm kê rừng toàn quốc giai đoạn 2013-2016 ........................................................................................ 26 1.6. Nhận xét ................................................................................................... 31 Chƣơng 2 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 33 2.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 33 2.1.1. Hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5..................... 33 2.1.2. Ƣớc lƣợng trữ lƣợng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 ......................... 33 2.1.3. Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 ........................ 33 2.1.4. Đề xuất quy trình giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 xây dựng bản đồ hiện trạng rừng ........................................................................................................ 34 2.2. Dữ liệu sử dụng và đặc điểm vùng nghiên cứu ........................................ 34 2.2.1. Dữ liệu sử dụng ..................................................................................... 34
iv 2.2.2. Đặc điểm vùng nghiên cứu ................................................................... 38 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................... 42 2.3.1. Hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5..................... 45 2.3.2. Ƣớc lƣợng trữ lƣợng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 ......................... 49 2.3.3. Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 ........................ 61 2.3.4. Đề xuất quy trình giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 xây dựng bản đồ hiện trạng rừng ........................................................................................................ 71 2.3.5. Thiết bị và phần mềm sử dụng .............................................................. 71 Chƣơng 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 73 3.1. Hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5........................ 73 3.1.1. Kết quả hiệu chỉnh theo phƣơng pháp thực nghiệm ............................. 73 3.1.2. Kết quả hiệu chỉnh theo phƣơng pháp bán thực nghiệm hệ số c ......... 78 3.1.3. Đánh giá kết quả hiệu chỉnh theo hai phƣơng pháp .............................. 80 3.1.4. Thảo luận về hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh .............. 83 3.2. Ƣớc lƣợng trữ lƣợng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 ............................ 85 3.2.1. Kết quả xử lý số liệu ô tiêu chuẩn ......................................................... 85 3.2.2. Kết quả xử lý ảnh vệ tinh ..................................................................... 87 3.2.3. Khảo sát mối quan hệ giữa cấp xám độ ảnh và trữ lƣợng gỗ .............. 92 3.2.4. Kết quả bản đồ trữ lƣợng gỗ cho từng điểm ảnh .................................. 94 3.2.5. Thảo luận ƣớc lƣợng trữ lƣợng gỗ từ ảnh vệ tinh ................................. 96 3.3. Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 ......................... 100 3.3.1. Kết quả chuẩn hóa bản đồ kiểm kê rừng ............................................. 100 3.3.2. Kết quả khảo sát cấp xám độ ảnh vệ tinh và trạng thái rừng .............. 104 3.3.3. Kết quả phân tách trạng thái rừng từ ảnh vệ tinh ................................ 117 3.3.4. Vai trò các đặc trƣng ảnh trong phân tách trạng thái rừng ................. 127 3.3.5. Kết quả phân tách trạng thái rừng có bản đồ trữ lƣợng gỗ ................. 132 3.3.6. Bộ quy tắc phân loại trạng thái rừng và đất lâm nghiệp ..................... 134
v 3.3.7. Thảo luận phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 ..... 137 3.4. Đề xuất quy trình giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 xây dựng bản đồ hiện trạng rừng ...................................................................................................... 139 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ..................................................... 147 1. Kết luận ..................................................................................................... 147 2. Tồn tại ....................................................................................................... 148 3. Kiến nghị ................................................................................................... 148 DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ STT Nghĩa đầy đủ Để lƣu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính dạng Raster, tùy thuộc vào số bit dùng để lƣu thông tin, Cấp xám độ mỗi điểm ảnh sẽ có giá trị hữu hạn ứng với từng cấp độ xám (giá trị độ sáng của điểm ảnh). Ví dụ, 8 bits thể hiện 256 cấp (0 – 255), 0 tƣơng ứng đen và 255 là trắng. D1.3 Đƣờng kính cây tại vị trí cách mặt đất 1,3m Dissimilarity Chỉ tiêu mức độ khác biệt cấp xám độ trong lô đối tƣợng DVI Tỷ số khác biệt thực vật trên ảnh vệ tinh Chỉ tiêu mức độ phân bố ngẫu nhiên cấp xám độ trong lô Entropy đối tƣợng Chỉ tiêu mức độ đồng nhất cấp xám độ trong lô đối Homogeneity tƣợng Hvn Chiều cao vút ngọn cây Thuật toán ƣớc lƣợng giá trị dựa vào số điểm quan sát k-nn gần giá trị nhất LRTX Lá rộng thƣờng xanh M Trữ lƣợng gỗ của lô, lâm phần hoặc thể tích cây cá lẻ N Mật độ cây NDVI Chỉ số thực vật trên ảnh vệ tinh RMSE Sai trung phƣơng RVI Tỷ số thực vật trên ảnh vệ tinh TRRI Cấp xám độ trung bình trên ảnh vệ tinh
vii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Tóm tắt sự phát triển viễn thám qua các sự kiện 8 1.2 Vệ tinh chụp ảnh độ phân giải cao đang hoạt động 9 1.3 Đặc trƣng ảnh SPOT-5 12 1.4 Số lƣợng ảnh vệ tinh SPOT-5 chụp lãnh thổ Việt Nam 14 Hệ thống phân loại đất, loại rừng áp dụng cho điều tra kiểm kê 1.5 27 rừng 2.1 Thông tin ảnh SPOT-5 vùng nghiên cứu 35 2.2 Phân cấp độ dốc 46 2.3 Phân cấp hƣớng dốc 47 2.4 Số ô tiêu chuẩn phân theo đối tƣợng 52 2.5 Hệ thống phân loại cơ sở 64 2.6 Ví dụ chia tổ và tổ hợp các đặc trƣng ảnh 69 2.7 Quyết định trạng thái rừng dựa vào trữ lƣợng gỗ 71 3.1 Hệ số hiệu chỉnh theo phƣơng pháp thống kê thực nghiệm 74 3.2 Hệ số c cho các kênh ảnh 79 3.3 Đánh giá theo hệ số tƣơng quan với hƣớng dốc 81 3.4 Đánh giá độ lệch chuẩn cấp xám độ theo hƣớng dốc 82 3.5 Tổng hợp số liệu ô tiêu chuẩn 87 3.6 Hệ số c hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh 90 Hệ số cần bằng cấp xám độ giữa các cảnh đã hiệu chỉnh ảnh 3.7 91 hƣởng địa hình Khảo sát tƣơng quan (r) giữa trữ lƣợng gỗ và cấp xám độ ảnh 3.8 93 SPOT-5 3.9 Sai trung phƣơng bản đồ trữ lƣợng gỗ theo các phƣơng án 94
viii 3.10 Chuẩn hóa trạng thái rừng về thời điểm chụp ảnh vệ tinh 101 3.11 Diện tích rừng và đất lâm nghiệp vùng nghiên cứu 102 3.12 Số lô rừng và đất lâm nghiệp vùng nghiên cứu 103 3.13 Khả năng tách biệt trạng thái theo các phƣơng pháp chia tổ 118 3.14 Tỷ lệ tách biệt trạng thái theo các phƣơng pháp chia tổ 119 3.15 Khoảng giá trị phân tổ đặc trƣng ảnh 124 3.16 Phân biệt các đối tƣợng rừng tự nhiên hỗn giao 126 3.17 Phân biệt loài cây rừng trồng 126 3.18 Vai trò của đặc trƣng ảnh 127 3.19 Tỷ lệ diện tích đƣợc phân biệt khi loại bỏ đặc trƣng ảnh 128 3.20 Khả năng tách biệt có sự tham gia của bản đồ trữ lƣợng gỗ 133 Số lƣợng tổ hợp đặc trƣng ảnh để nhận biết từng đối tƣợng, độ 3.21 136 chính xác
ix DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ bảng chắp cảnh ảnh SPOT-5 lãnh thổ Việt Nam 13 1.2 Ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5 15 1.3 Tính góc mặt trời đến tại điểm chụp 16 2.1 Ảnh đa phổ SPOT-5 tỉnh Bắc Kạn 36 2.2 Phân bố rừng tỉnh Bắc Kạn năm 2012 37 2.3 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 44 2.4 Hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh 45 2.5 Ƣớc lƣợng trữ lƣợng gỗ từ ảnh vệ tinh 50 2.6 Phân bố 649 ô tiêu chuẩn 52 2.7 Hình dạng và kích thƣớc ô tiêu chuẩn 53 2.8 Phân bố ô tiêu chuẩn xây dựng bản đồ và kiểm chứng kết quả 56 Sơ đồ nghiên cứu khả năng phân biệt trạng thái rừng và đất 2.9 62 lâm nghiệp dựa vào ảnh SPOT-5 3.1 Hệ số hiệu chỉnh kênh 1 75 3.2 Hệ số hiệu chỉnh kênh 2 75 3.3 Hệ số hiệu chỉnh kênh 3 76 3.4 Hệ số hiệu chỉnh kênh 4 76 3.5 Ảnh vệ tinh SPOT 5 đã hiệu chỉnh theo phƣơng pháp thực nghiệm 77 Ảnh vệ tinh SPOT 5 đã hiệu chỉnh theo phƣơng pháp thực 3.6 78 nghiệm (phóng to) Ảnh vệ tinh SPOT 5 đã hiệu chỉnh theo phƣơng pháp bán thực 3.7 79 nghiệm hệ số c Ảnh vệ tinh SPOT 5 đã hiệu chỉnh theo phƣơng pháp bán thực 3.8 80 nghiệm hệ số c (phóng to) 3.9 Hệ số tƣơng quan cấp xám độ ảnh và hƣớng dốc 81 3.10 Đánh giá độ lệch chuẩn cấp xám độ theo hƣớng dốc 83 3.11 Logarit đƣờng kính và chiều cao cây gỗ rừng tự nhiên núi đất 85 3.12 Logarit đƣờng kính và chiều cao cây gỗ rừng tự nhiên núi đá 86 3.13 Cose của góc mặt trời so với mặt phẳng lý thuyết (Cose z) 88
x 3.14 Cose của góc mặt trời so với mặt phẳng thực tế (Cose i) 89 Ghép bốn cảnh vệ tinh đã đƣợc hiệu chỉnh địa hình và cân 3.15 91 bằng cấp xám độ 3.16 Hệ số tƣơng quan (r) giữa trữ lƣợng gỗ và cấp xám độ ảnh vệ tinh 93 3.17 Độ chính xác bản đồ trữ lƣợng gỗ theo các phƣơng án 95 3.18 Trữ lƣợng gỗ cho từng điểm 10m * 10m 96 3.19 Hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp vùng nghiên cứu 104 3.20 Cấp xám độ trung bình lô và trạng thái rừng, đất lâm nghiệp 106 3.21 Giá trị độ lệch chuẩn cấp xám độ lô và trạng thái rừng, đất lâm nghiệp 108 3.22 Chỉ số Homogeneity của lô và trạng thái rừng, đất lâm nghiệp 109 3.23 Chỉ số Dissimilarity của lô và trạng thái rừng, đất lâm nghiệp 110 3.24 Chỉ số Entropy của lô và trạng thái rừng, đất lâm nghiệp 111 Chỉ số thực vật, cấp xám độ trung bình, tỷ số các kênh và trạng 3.25 113 thái rừng, đất lâm nghiệp 3.26 Giá trị trung vị cấp xám độ của các trạng thái 114 3.27 Giá trị trung vị độ lệch chuẩn cấp xám độ của các trạng thái 115 3.28 Giá trị trung vị chỉ số Homogeneity của các trạng thái 116 3.29 Giá trị trung vị chỉ số Dissimilarity của các trạng thái 116 3.30 Giá trị trung vị chỉ số Entropy của các trạng thái 117 3.31 Khả năng nhận biết đối tƣợng theo phƣơng án chia tổ khác nhau 119 3.32 Nhận biết đối tƣợng khi sử dụng 20 đặc trƣng, chia 2 tổ 120 3.33 Nhận biết đối tƣợng khi sử dụng 20 đặc trƣng, chia 3 tổ 121 3.34 Nhận biết đối tƣợng khi sử dụng 20 đặc trƣng, chia 4 tổ 122 3.35 Nhận biết đối tƣợng khi sử dụng 20 đặc trƣng, chia 5 tổ 123 3.36 Vai trò đặc trƣng ảnh 128 3.37 Nhận biết đối tƣợng không có chỉ số Homogeneity 129 3.38 Nhận biết đối tƣợng không có chỉ số Dissimilarity 130 3.39 Nhận biết đối tƣợng không có giá trị độ lệch chuẩn 131 3.40 Nhận biết đối tƣợng không có chỉ số Entropy 132 3.41 Nhận biết đối tƣợng có sự tham gia bản đồ trữ lƣợng gỗ 134 Sơ đồ giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 xây dựng bản đồ hiện 3.42 140 trạng rừng
1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Sự cần thiết Giá trị của tài nguyên rừng ngày càng đƣợc đánh giá đầy đủ trên mọi khía cạnh. Ngoài giá trị kinh tế, rừng còn có tác dụng cung cấp các loại dƣợc liệu cho y học để phục vụ sức khỏe con ngƣời. Đặc biệt, rừng còn có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trƣờng sinh thái, hạn chế lũ lụt, giảm phát thải khí nhà kính. Rừng đang đƣợc xem là một nhân tố quan trọng đóng góp vào tiến trình giảm phát thải khí nhà kính do mất rừng và suy thoái rừng [61]. Giá trị tài nguyên rừng đƣợc nâng lên đòi hỏi nhu cầu cung cấp thông tin về nguồn tài nguyên ngày càng đa dạng, chính xác và kịp thời phục vụ quản lý các cấp. Hiện nay, công nghệ viễn thám đang phát triển mạnh trên phạm vi toàn cầu cũng nhƣ ở Việt Nam. Điều này đƣợc thể hiện rõ với sự phát triển không ngừng của các loại vệ tinh quan sát trái đất. Độ phân giải không gian ảnh vệ tinh không ngừng cải thiện từ km (ảnh NOAA, 1km) đến đơn vị cm (WorldView-3,31cm). Nhờ vậy, khả năng sử dụng ảnh viễn thám trong công tác điều tra rừng ngày càng đƣợc nghiên cứu và áp dụng phổ biến hơn. Từ năm 2005 trở lại đây, ngành Lâm nghiệp Việt Nam sử dụng chủ yếu ảnh vệ tinh độ phân giải cao SPOT-5 phục vụ điều tra xây dựng bản đồ hiện trạng rừng, theo dõi diễn biến tài nguyên rừng, đánh giá cảnh quan phục vụ quản lý, thiết kế, quy hoạch trên nhiều phạm vi. Tại Việt Nam, trạm thu ảnh vệ tinh SPOT-5 chính thức vận hành vào tháng 7 năm 2009. Từ năm 2002 đến nay đã có 5.112 cảnh ảnh SPOT-5 (tỷ lệ mây dƣới 20%) [65] chụp lãnh thổ Việt Nam tƣơng đƣơng gần 24 lần lãnh thổ đƣợc lƣu trữ tại Công ty SPOT và Cục Viễn thám Quốc gia. Đây là nguồn ảnh vệ tinh chất lƣợng tốt nhất phủ kín cả nƣớc từ năm 2002 đến năm 2015, có khả năng sử dụng để giải đoán xây dựng
2 bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1/10.000 tại nhiều thời điểm trong quá khứ và hiện tại. Tuy nhiên, kỹ thuật và khả năng sử dụng ảnh SPOT-5 để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng tại Việt Nam còn hạn chế. Cho đến nay mới có ba nghiên cứu điển hình ứng dụng ảnh SPOT-5 trong xây dựng bản đồ rừng tại Việt Nam gồm: - Lê Anh Hùng và cộng sự [9] nghiên cứu tại huyện Đình Lập và Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn; - Nguyễn Thanh Hƣơng [51] nghiên cứu tại huyện Đăk RLấp, tỉnh Đăk Nông; - Vũ Tiến Điển và cộng sự [5] nghiên cứu tại huyện Cƣ Jút, tỉnh Đăk Nông, huyện Con Cuông tỉnh Nghệ An và huyện Mai Sơn, tỉnh Sơn La. Trong đó, hai nghiên cứu đầu sử dụng phƣơng pháp phân loại ảnh truyền thống theo điểm ảnh (pixel based). Nhiều nghiên cứu cho thấy phƣơng pháp phân loại điểm ảnh đối với ảnh phân giải cao đƣa ra độ chính xác thấp hơn phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng (object based) [5, 44, 63]. Nghiên cứu thứ ba có ƣu điểm đã sử dụng phƣơng pháp phân loại hƣớng đối tƣợng và thực hiện trên những vùng sinh thái khác nhau nhƣng bị hạn chế vì phân loại trên ảnh đã tổ hợp màu tự nhiên (chỉ có 3 kênh đƣợc trộn từ 4 kênh ảnh đa phổ) do không có dữ liệu ảnh đa phổ SPOT-5. Hiện nay, Dự án Tổng điều tra, kiểm kê rừng toàn quốc giai đoạn 2013- 2016 đang sử dụng ảnh SPOT-5 làm tƣ liệu ảnh vệ tinh chính để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng với hệ thống phân loại hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp phức tạp lên tới 93 loại khác nhau [16]. Hơn nữa, hầu hết các chƣơng trình, dự án trong thời gian gần đây luôn chọn ảnh vệ tinh SPOT-5 để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng.
3 Trƣớc thực trạng nêu trên, luận án “Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh SPOT-5 trong phân loại các trạng thái rừng tỉnh Bắc Kạn” đƣợc tiến hành với mục tiêu cơ bản là: góp phần hoàn thiện cơ sở lý luận, thực tiễn xây dựng bản đồ hiện trạng rừng, đất lâm nghiệp dựa trên ảnh vệ tinh phân giải cao trong điều kiện địa hình đồi núi và khí hậu nhiệt đới ẩm vùng miền núi phía bắc Việt Nam. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Phƣơng pháp phân loại hƣớng đối tƣợng (object-based) đã đƣợc Luận án nghiên cứu đối với ảnh vệ tinh độ phân giải không gian cao. Ngoài cấp xám độ ảnh mà phƣơng pháp điểm ảnh (pixel-based) sử dụng, nhiều chỉ tiêu thống kê về cấu trúc không gian cấp xám độ ảnh trong lô rừng và đất rừng đƣợc nghiên cứu nhằm nâng cao khả năng phân loại các trạng thái nhƣ độ lệch chuẩn, mức độ đồng nhất (Homogeneity), mức độ khác biệt (Dissimilarity), mức độ ngẫu nhiên (Entropy) phân bố cấp xám độ ảnh. Kết quả nghiên cứu đóng góp cho thực tiễn giải đoán ảnh vệ tinh về hệ thống trạng thái rừng và đất lâm nghiệp có thể phân biệt đƣợc trên ảnh SPOT- 5, mức độ tách biệt các trạng thái để từ đó định hƣớng kiểm tra, chỉnh lý bản đồ kết quả giải đoán ở ngoài thực địa giúp giảm chi phí, nhân công hiện trƣờng. Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp hoàn thiện biện pháp kỹ thuật, định mức kinh tế kỹ thuật giải đoán ảnh vệ tinh xây dựng bản đồ hiện trạng rừng. Hơn nữa, nghiên cứu đã chỉ ra có thể dùng những ngƣỡng cấp xám độ, đặc trƣng cấp xám độ ảnh vệ tinh để giải đoán trên nhiều cảnh ảnh thay vì giải đoán từng cảnh ảnh độc lập trƣớc đây. Các đặc trƣng ảnh vệ tinh tính theo phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng trong luận án là tiền đề nghiên cứu phân loại hiện trạng rừng đối với những ảnh vệ tinh độ phân giải cao đang và sẽ đƣợc ứng dụng tại Việt Nam nhƣ ảnh SPOT-6, SPOT-7, VNREDSat-1,...
4 3. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung: Đánh giá đƣợc khả năng phân loại các trạng thái rừng và đất lâm nghiệp tỉnh Bắc Kạn dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 góp phần xây dựng cơ sở lý luận và thực tiễn ứng dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao trong điều tra tài nguyên rừng Việt Nam. Mục tiêu cụ thể: - Đề xuất đƣợc phƣơng pháp phù hợp hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5 tỉnh Bắc Kạn. - Xây dựng đƣợc bản đồ trữ lƣợng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 theo phƣơng pháp nhóm điểm quan sát gần cấp xám độ nhất (k-nn). - Phân loại đƣợc các trạng thái rừng và đất rừng tỉnh Bắc Kạn dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5. - Xây dựng đƣợc quy trình giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 thiết lập bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp. 4. Những đóng góp mới Hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5 theo phƣơng pháp thống kê bán thực nghiệm hệ số c cho kết quả phù hợp hơn thống kê thực nghiệm trong điều kiện tỉnh Bắc Kạn. Trong trƣờng hợp quan hệ giữa cấp xám độ ảnh vệ tinh SPOT-5 và trữ lƣợng gỗ yếu hoặc không có tƣơng quan, bản đồ trữ lƣợng gỗ cho từng điểm ảnh xây dựng theo phƣơng pháp nhóm điểm quan sát gần cấp xám độ nhất (k- nn) có độ chính xác không cao. Theo phƣơng pháp phân loại ảnh vệ tinh SPOT-5 hƣớng đối tƣợng, ngoài cấp xám độ, chỉ số cấu trúc không gian cấp xám độ cho đối tƣợng nhƣ Homogeneity, Dissimilarity và Entropy đóng góp quan trọng để phân loại trạng thái rừng và đất lâm nghiệp.
5 Xây dựng đƣợc 60.827 tổ hợp cáp xám độ và chỉ số cấu trúc không gian cấp xám độ ảnh SPOT-5 làm khóa để giải đoán ảnh vệ tinh xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp. 5. Đối tƣợng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: các nội dung nghiên cứu đƣợc thực hiện trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn. Đây là tỉnh điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội, đặc điểm lâm nghiệp tƣơng đối đại diện cho các tỉnh miền núi vùng Đông bắc của Việt Nam. Hơn nữa, tỉnh Bắc Kạn là một trong hai tỉnh thực hiện thí điểm điều tra, kiểm kê rừng toàn quốc giai đoạn 2011-2016 vì vậy Luận án có thể kế thừa khối lƣợng lớn các dữ liệu điều tra hiện trƣờng cũng nhƣ thành quả của Dự án. Đối tƣợng nghiên cứu là tất cả các trạng thái rừng và đất lâm nghiệp. Giới hạn nghiên cứu: - Phạm vi: nghiên cứu thực hiện trên 278.941 ha rừng và đất lâm nghiệp trong vùng ảnh vệ tinh không bị ảnh hƣởng mây, bóng mây, bóng núi, trên tổng diện tích tự nhiên 485.944 ha tỉnh Bắc Kạn. - Hệ thống phân loại rừng: nghiên cứu áp dụng hệ thống phân loại rừng và đất lâm nghiệp của Dự án Tổng điều tra, kiểm kê rừng toàn quốc giai đoạn 2013-2016 nhƣng loại bỏ tiêu chí lập địa (rừng núi đất, núi đá), nguồn gốc hình thành (rừng nguyên sinh, thứ sinh) vì ảnh vệ tinh quang học khó có thể nhận biết. 6. Cấu trúc luận án Ngoài phần tài liệu tham khảo và các phụ lục luận án gồm các phần sau đây: Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận Kết luận, tồn tại và kiến nghị.
6 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Sự phát triển công nghệ viễn thám Viễn thám là một ngành khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn năm thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu đƣợc thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Bức ảnh đầu tiên, chụp trái đất từ vũ trụ, đƣợc cung cấp từ tàu Explorer-6 vào năm 1959. Tiếp theo là chƣơng trình vũ trụ Mercury năm 1960, cho ra các sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lƣợng cao, ảnh màu có kích thƣớc 70mm, đƣợc chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí tƣợng đầu tiên (TIR0S-1), đƣợc phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tƣợng. Vệ tinh khí tƣợng NOAA, đã hoạt động từ sau năm 1972, cho ra dữ liệu ảnh có độ phân giải thời gian cao nhất, đánh dấu cho việc nghiên cứu khí tƣợng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật từng ngày. 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 và các hành tinh và khí quyển. Các ảnh chụp nổi, thực hiện theo phƣơng đứng và xiên, cung cấp từ vệ tinh Gemini năm 1965, đã thể hiện ƣu thế của công việc nghiên cứu trái đất. Tiếp theo, tầu Apolo cho ra sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ, có kích thƣớc 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 từ vũ trụ. Việc nghiên cứu trái đất đã đƣợc thực hiện trên các con tàu vũ trụ có ngƣời nhƣ Soyuz, các tàu Meteor và Cosmos (từ năm 1961), hoặc trên các trạm chào mừng Salyut. Sản phẩm thu đƣợc là các ảnh chụp trên các thiết bị
7 quét đa phổ phân giải cao, nhƣ MSU-E (trên Meteor - priroda). Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thƣớc ảnh 18cm 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 0,89µm. Độ phân giải mặt đất tại tâm ảnh đạt 20m x 20m. Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS (sau đổi tên là Landsat-1), là các vệ tinh thế hệ mới hơn nhƣ 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 năm 1973 và HCMM năm 1978. Từ 1982, các ảnh chuyên đề đƣợc 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 ƣu 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 đã đƣợc phổ biến, cho phép ngƣời sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phƣơng pháp nghiên cứu môi trƣờng qua các dữ liệu vệ tinh. Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp khởi đầu từ năm 1986, trải qua các thế hệ SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4, SPOT-5, SPOT-6 và SPOT-7 đã đƣa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, kênh toàn sắc (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10m x 10m đến 1,5m x 1,5m, và đa kênh SPOT-XS (hai kênh thuộc dải phổ nhìn thấy, một kênh thuộc dải phổ hồng ngoại) với độ phân giải không gian 20m x 20m, 10m x 10m đến 6m x 6m. Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tƣợng nổi trong không gian ba chiều. Điều này giúp cho việc nghiên cứu bề mặt trái đất đạt kết quả cao, nhất là trong việc phân tích các yếu tố địa hình.
8 Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu trái đất bằng viễn thám đƣợc 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 lƣợng mặt trời. Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar đƣợc 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, đƣợc chùm tia radar phát tới, vì vậy nó đƣợc ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vực nào đó. Bảng 1.1: Tóm tắt sự phát triển viễn thám qua các sự kiện Năm Sự kiện 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện cả dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ kinh khí cầu 1873 Xây dựng học thuyết về phổ điện từ 1909 Chụp ảnh từ máy bay 1910-1920 Giải đoán từ không trung 1920-1930 Phát triển ngành chụp và đo ảnh hàng không 1930-1940 Phát triển kỹ thuật radar (Đức, Mỹ, Anh) 1940 Phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay 1950 Xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy 1950-1960 Nghiên cứu sâu về ảnh cho mục đích quân sự 1961 Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có ngƣời lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ 1960-1970 Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám 1972 Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 1970-1980 Phát triển mạnh mẽ phƣơng pháp xử lý ảnh số 1980-1990 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat 1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo 1990 đến Phát triển bộ cảm thu đo phổ, tăng dải phổ và số lƣợng kênh phổ, tăng nay độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới. (Nguồn: [3])