Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu sử dụng ảnh máy bay (UAV) độ phân giải cao để thành lập bản đồ rừng và đề xuất các giải pháp quản lý rừng bền vững tại Vườn quốc gia Xuân Thủy tỉnh Nam Định

Chia sẻ: Tri Lộ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm 2 mục tiêu: Xây dựng được bản đồ tài nguyên rừng có độ chính xác cao tại VQG Xuân Thủy; đề xuất giải pháp quản lý rừng bền vững tại VQG Xuân Thủy. 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 sử dụng ảnh máy bay (UAV) độ phân giải cao để thành lập bản đồ rừng và đề xuất các giải pháp quản lý rừng bền vững tại Vườn quốc gia Xuân Thủy tỉnh Nam Định

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận văn Nguyễn Mạnh Hùng
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn đã được hoàn thành theo chương trình đào tạo cao học khóa 21A QLBVTNR tại trường Đại học Lâm nghiệp. Hoàn thành luận văn Thạc sĩ này tôi đã được sự quan tâm giúp đỡ của Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Lâm nghiệp. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đỗ Xuân Lân thuộc Vụ Khoa học Công nghệ Môi trường – Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thiện luận văn này. Luận văn có sự tham gia đóng góp ý kiến của Thạc sỹ Vũ Tiến Điển – Trung tâm Tài nguyên và Môi trường Lâm nghiệp (Viện Điều tra Quy hoạch rừng), tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu đó. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của các cán bộ công nhân viên Vườn quốc gia Xuân Thủy, Hạt Kiểm lâm, phòng Nông nghiệp, phòng Tài nguyên và Môi trường, phòng Thống Kê, Trung tâm Khí tượng thủy văn huyện Xuân Thủy đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập các tài liệu phục vụ luận văn. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Trong suốt thời gian gần 1 năm theo đuổi ý tưởng và nghiên cứu, tác giả đã luôn suy nghĩ và cố gắng hết sức mình, nhưng chắc chắn những thiếu sót và hạn chế là điều không thể tránh khỏi, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học và các đọc giả để bản luận này hoàn thiện và có giá trị khoa học hơn. Tôi xin cam đoan những số liệu trích dẫn, kế thừa trong luận văn đều có nguồn gốc thực tế rõ ràng. Hà Nội, ngày …….tháng ……năm 2015 Tác giả Nguyễn Mạnh Hùng
iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. viii ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 4 1.1. Trên thế giới ............................................................................................... 4 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................... 8 1.3. Nghiên cứu sử dụng ảnh UAV ................................................................. 14 Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................................................................................19 2.1. Mục tiêu.................................................................................................... 19 2.2. Đối tượng nghiên cứu............................................................................... 19 2.3. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 19 2.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 19 2.4.1. Nghiên cứu xây dựng bản đồ rừng và sử dụng đất VQG Xuân Thủy bằng ảnh UAV ................................................................................................. 19 2.4.2. Thu thập và hiệu chỉnh bản đồ rừng và sử dụng đất VQG Xuân Thủy các giai đoạn trước đây (dự kiến 2000, 2005 và 2010); Đánh giá biến động diện tích rừng và sử dụng đất .......................................................................... 20 2.4.3. Thực trạng quản lý rừng VQG Xuân Thủy ........................................... 20 2.4.4. Đề xuất các giải pháp quản lý rừng bền vững VQG Xuân Thủy.......... 20
iv 2.5. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 20 2.5.1. Nghiên cứu xây dựng bản đồ rừng và sử dụng đất VQG Xuân Thủy bằng ảnh UAV ................................................................................................. 20 2.5.2. Thu thập và hiệu chỉnh bản đồ rừng và sử dụng đất VQG Xuân Thủy các giai đoạn trước đây (dự kiến 2000, 2005 và 2010); Đánh giá biến động diện tích rừng và sử dụng đất; ......................................................................... 25 2.5.3. Thực trạng quản lý rừng VQG Xuân thủy ............................................ 26 2.5.4. Đề xuất các biện pháp quản lý rừng bền vững VQG Xuân Thủy. ........ 26 Chương 3 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ - XÃ HỘI ............................ 27 3.1. Đặc điểm tự nhiên .................................................................................... 27 3.1.1. Vị trí địa lý, địa hình ............................................................................. 27 3.1.2. Đặc điểm khí hậu và thuỷ văn ............................................................... 29 3.1.3. Thổ nhưỡng, đất đai .............................................................................. 30 3.1.4. Khí hậu, thủy triều................................................................................. 31 3.2. Điều kiện kinh tế - xã hội khu vực ........................................................... 31 3.2.1. Dân tộc, dân số và lao động: ................................................................. 31 3.2.2. Đặc điểm kinh tế của các xã vùng đệm: ............................................... 33 3.2.3. Tình hình đời sống của người dân: ....................................................... 33 3.2.4. Tình hình phát triển các lĩnh vực xã hội: .............................................. 34 3.2.5. Thực trạng hệ thống cơ sở hạ tầng: ....................................................... 35 3.3. Đánh giá các sinh kế của người dân vùng đệm VQG Xuân Thủy........... 35 Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................ 37 4.1. Đánh giá chất lượng ảnh máy bay UAV, ảnh vệ tinh Landsat ................ 37 4.2. Kết quả xây dựng mẫu khóa ảnh năm 2015 ............................................. 39 4.3. Kết quả phân loại xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất VQG Xuân Thủy ....................................................................................................... 44 4.3.1. Kết quả phân loại trên phần mềm Ecognition ....................................... 44
v 4.3.2. Diện tích các loại đất loại rừng VQG Xuân Thủy ................................ 49 4.4. Đánh giá độ chính xác kết quả phân loại ................................................. 51 4.5. Đánh giá ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của ảnh bay chụp bằng thiết bị không người lái UAV ......................................................................... 53 4.6. Diễn biến rừng và sử dụng đất VQG Xuân Thủy 2000-2015. ................. 56 4.6.1. Hiện trạng loại đất loại rừng các năm 2000, 2005, 2010 VQG Xuân Thủy................................................................................................................. 56 4.6.2. Biến động rừng và sử dụng đất VQG Xuân Thủy các giai đoạn từ 2000 - 2015 ................................................................................................................. 57 4.7. Thực trạng công tác quản lý:.................................................................... 64 4.7.1. Công tác Quy hoạch lâm nghiệp ........................................................... 64 4.7.2. Kết quả các hoạt động sản xuất lâm nghiệp.......................................... 64 4.7.3. Thực trạng quản lý tài nguyên môi trường chung ở khu vực: ............. 67 4.7.4. Thực trạng quản lý và khai thác nguồn lợi thuỷ sản ở VQG Xuân Thuỷ. ..................................................................................................... 67 4.7.5. Thực trạng về đa dạng sinh học ............................................................ 69 4.8. Đề xuất các biện pháp quản lý rừng bền vững tại Vườn quốc gia Xuân Thủy ...................................................................................................... 74 KẾT LUẬN, TỒN TẠI, KIẾN NGHỊ ............................................................ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa đầy đủ DNN Đất ngập nước DVHD Động vật hoang dã FIPI Viện Điều tra Quy hoạch Rừng FPD Cục Kiểm lâm FRA Đánh giá tài nguyên rừng FSSP Chương trình hỗ trợ ngành lâm nghiệp GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu HST Hệ sinh thái IUCN Hiệp hội bảo bảo tồn thiên nhiên quốc tế KBTTN Khu Bảo tồn thiên nhiên LDLR Loại đất loại rừng NLTS Nguồn lợi thủy sản NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn RAMSAR Công ước quốc tế về Đất ngập nước RNM Rừng ngập mặn RS Viễn thám UAS Hệ thống bay không người lái UBND Ủy ban nhân dân UNESCO Tổ chức Giáo dục, văn hóa, khoa học liên hợp quốc UAV Máy bay không người lái VAC Vườn ao chuồng VQG Vườn quốc gia GDP Tổng sản phẩm nội địa
vii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 So sánh một số đặc điểm của hai phương pháp bay 18 3.1 Diện tích, dân số và mật độ dân số các xã vùng đệm 32 3.2 Cơ cấu dân số và lao động của các xã vùng đệm 32 4.1 So sánh đặc điểm ảnh UAV với một số loại ảnh khác 37 4.2 Kết quả điều tra thu thập mẫu khóa tại VQG Xuân Thủy 39 4.3 Hệ thống tuyến điều tra thu thập mẫu khóa ảnh 40 4.4 Hiện trạng loại đất loại rừng vũng lõi VQG Xuân Thủy 50 4.5 Ma trận đánh giá độ chính xác kết quả phân loại 52 Diện tích các loại đất loại rừng năm 2000 – 2010 Vùng lõi VQG 4.6 56 Xuân Thủy 4.7 Biến động diện tích loại đất, loại rừng các giai đoạn 57 Ma trận biến động diện tích LDLR VQG Xuân Thủy giai đoạn 4.8 58 2000 -2005 4.9 Ma trận biến động diện tích LDLR VQG Xuân Thủy 60 4.10 Ma trận biến động diện tích LDLR VQG Xuân Thủy 62
viii DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang 2.1 chuẩn bị bay chụp 21 2.2 Lịnh trình bay của thiết bị UAV 22 2.3 Ảnh Landsat ETM các năm 2000, 2005, 2010, 25 3.1 Ảnh chụp khu vực VQG Xuân Thủy 28 3.2 Các hoạt động sinh kế phụ thuộc vào đất ngập nước 35 4.1 Ảnh máy bay khu vực VQG Xuân Thủy 38 4.2 Bản đồ phân bố điểm mẫu khóa ảnh tại VQG Xuân Thủy 41 4.3 Kết quả phân vùng ảnh 45 4.4 Cây phân loại ảnh UAV VQG Xuân Thủy 46 4.5 Bộ quy tắc phân loại ảnh máy bay UAV VQG Xuân Thủy 47 4.6 kết quả chạy phân loại tự động dựa trên các điểm mẫu 48 4.7 Bản đồ hiện trạng rừng VQG Xuân Thủy năm 2015 49 Bản đồ vị trí điểm kiểm chứng kết quả VQG Xuân Thủy năm 4.8 51 2015 4.9 So sánh ảnh UAV với ảnh spot5 53 4.10 Phân ô định vị nghiên cứu sinh thái 54 4.11 Rừng trồng mới 55 4.12 Biểu đồ diện tích đất có rừng theo các năm 2000 – 2015 56 4.13 Biểu đồ diện tích các loại rừng theo các năm 2000 – 2015 57 Bản đồ biến động VQG Xuân Thủy năm 2000 – 2005 Giai 4.14 59 đoạn 2005 – 2010 Bản đồ biến động VQG Xuân Thủy năm 2005 – 2010 Giai 4.15 61 đoạn 2010 – 2015 4.16 Bản đồ biến động VQG Xuân Thủy năm 2010 – 2015 63
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Năm 1943, diện tích rừng của Việt nam được ước tính khoảng 14,3 triệu ha, tương đương với 43% tổng diện tích đất. Do chiến tranh kéo dài, du canh, phát quang đất và khai thác quá mức nên độ che phủ rừng đã giảm với tốc độ khoảng 100.000 ha mỗi năm xuống còn 27,1% vào năm 1980 và 26,2% năm 1985 (Bộ Lâm nghiệp 1991). Hiện nay, tổng diện tích đất lâm nghiệp là khoảng 16 triệu ha, chiếm 48,3% tổng diện tích đất của cả nước. Đến cuối năm 2010, tổng diện tích đất rừng chỉ còn 13.388.075 ha (độ che phủ rừng: 39,5%) (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn 2011). Tài nguyên rừng ở Việt Nam đang chịu áp lực ngày càng tăng từ việc mở rộng nông nghiệp, khai thác và thu hoạch gỗ bừa bãi. Do nhu cầu ngày càng tăng của người dân địa phương cùng với việc khai thác không bền vững vào nguồn tài nguyên rừng vốn đã cạn kiệt dẫn đến phá hủy chức năng rừng sản xuất và rừng phòng hộ. Nhờ những nỗ lực đáng kể, độ che phủ rừng của Việt Nam đã tăng đáng kể trong 20 năm qua. Tuy nhiên, chất lượng của rừng tự nhiên tiếp tục suy giảm. Rừng giàu và độ tàn che kín chỉ chiếm 4,6% tổng số và diện tích rừng tự nhiên giảm 10,2% từ năm 1999 đến năm 2005. Rừng tự nhiên vùng núi thấp tính đa dạng sinh học đã gần như biến mất, đặc biệt là rừng ngập mặn. Kết quả là việc tái sinh phục hồi rừng của Việt Nam vẫn còn rất nhiều vấn đề nổi cộm. Việt Nam đã thực hiện kiểm kê rừng quốc gia, đánh giá và giám sát (FRA) của Chương trình thay đổi tài nguyên rừng từ năm 1991. Chương trình này nhằm mục đích thiết lập bản đồ tài nguyên rừng dựa trên ảnh vệ tinh, ảnh SPOT, kiểm tra thực địa và dữ liệu từ ô mẫu cố định ban đầu. Chương trình này được xem xét định kỳ 5 năm. Kết quả của chương trình sẽ được sử dụng cho Chiến lược Quốc gia và Kế hoạch Phát triển rừng cũng như chính sách Phát triển lâm nghiệp quốc gia. Tuy nhiên, dữ liệu của chương trình này không bao gồm tất cả các thông tin cần thiết cho FRA. Vì vậy, bổ sung thêm các tổ chức để thu thập dữ liệu cho FRA 2010 như: Viện Quy hoạch và điều tra rừng (FIPI), Cục Lâm nghiệp (Sở Tài chính), Cục Kiểm lâm (FPD), Chương trình Hỗ trợ ngành Lâm nghiệp (FSSP) và các tổ chức khác.
2 Các công nghệ hiện đại như hệ thống thông tin địa lý (GIS), viễn thám (RS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã được áp dụng để thu thập và quản lý thông tin về sử dụng đất và tài nguyên thiên nhiên ở Việt Nam. Tuy nhiên, việc quản lý thông tin tài nguyên vẫn chưa được cải thiện một cách hiệu quả tới quy mô cộng đồng địa phương. Ngoài ra, các công cụ và kỹ thuật đã được sử dụng dường như không được rà soát và cập nhật thường xuyên để tận dụng tốt nhất các lựa chọn công nghệ có sẵn và phát triển sáng tạo mới. Chương trình kiểm kê tài nguyên rừng, đánh giá và giám sát trong giai đoạn 2010-2015 đã được thực hiện cho cả nước với diện tích được ứng dụng 19.000.000 ha. Do đó, GIS và viễn thám sẽ được sử dụng như những công cụ quan trọng. Các ảnh vệ tinh SPOT5,6 được đề xuất để sử dụng cho việc lập bản đồ rừng và sử dụng đất cho chương trình này. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS vào việc thu thập và quản lý thông tin về tài nguyên rừng, đặc biệt trong hoạt động đánh giá và giám sát diễn biến rừng trở nên mạnh mẽ hơn bao giờ hết, kết quả đã phần nào góp phần quan trọng trong hoạt động quản lý và bảo vệ tài nguyên rừng. Tuy nhiên, việc sử dụng các loại ảnh viễn thám có độ phân giải thấp (Landsat, Modis…) ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác phân loại tài nguyên rừng ở Việt Nam, trong khi chi phí mua ảnh có độ phân giải cao rất lớn. Do vậy, việc nghiên cứu áp dụng thử nghiệm ảnh máy bay không người lái có độ phân giải siêu cao trong đánh gái và giám sát tài nguyên rừng là một sự lựa chọn thay thế, bổ sung kịp thời. Ảnh máy bay không người lái (UAV) là một trong những ảnh có độ phân giải siêu cao đang trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm để áp dụng cho việc đánh giá và giám sát tài nguyên rừng tuy nhiên chưa có một công trình, kết quả nào được công bố. Vườn quốc gia (VQG) Xuân Thuỷ đã được thành lập theo Quyết định số 01/2003/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 02/01/2003. Theo quyết định này, vùng đệm của VQG Xuân Thuỷ gồm 5 xã là Giao Thiện, Giao An, Giao Lạc, Giao Xuân và Giao Hải. Đây là những xã ven biển, dân số đông, điều kiện kinh tế còn nhiều khó khăn, cơ sở hạ tầng còn thiếu, đời sống của người dân địa phương còn phụ thuộc rất nhiều vào tài nguyên biển. Hiện nay, các hoạt động khai thác và sử
3 dụng tài nguyên bất hợp pháp như khoanh vây nuôi Vạng, đánh bắt thuỷ hải sản đang làm mất đi sinh cảnh sống của các loài chim di cư, cũng như phá vỡ cấu trúc và làm giảm chức năng phòng hộ của rừng ngập mặn đối với vùng ven biển. Nhằm xác định được thực trạng tài nguyên rừng góp phần cho việc quản lý và sử dụng đất tại VQG Xuân Thủy, tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng ảnh máy bay (UAV) độ phân giải cao để thành lập bản đồ rừng và đề xuất các giải pháp quản lý rừng bền vững tại Vườn quốc gia Xuân Thủy tỉnh Nam Định”.
4 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Trên thế giới Công nghệ viễn thám Viễn thám là khoa học và công nghệ mà theo đó các đặc tính của đối tượng quan tâm được nhận diện, đo đạc hoặc phân tích các tính chất mà không có sự tiếp xúc trực tiếp. Nhờ nguyên lý đó bức xạ trong các giải sóng thị tần, cận hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt của các bộ cảm đặt trên vệ tinh mà các đặc trưng vật lý, sinh học của lớp phủ rừng có thể được ghi nhận dưới dạng số để gửi về các trạm thu ảnh vệ tinh dưới mặt đất. Đó là lý do mà người ta đã ứng dụng viễn thám trong lâm nghiệp từ rất sớm. Việc điều tra tài nguyên rừng đòi hỏi tính chu kỳ của các dữ liệu và cũng vì lý do đó mà công nghệ viễn thám được thế giới xem như công cụ chủ đạo trong công việc này. Viễn thám đơn giản đầu tiên sử dụng máy ảnh ghi lại thông tin trong dải sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại. Vào cuối thế kỷ 18, máy ảnh được gắn trên kinh khí cầu thu được những hình ảnh bề mặt trái đất. Vào những năm thế chiến thứ 1, nhiều tấm ảnh quân sự được thu nhận từ máy bay. Sau đó, ảnh máy bay được sử dụng cho mục đích dân sự ở một vùng rộng lớn của Canada, Mỹ và Châu Âu. Nhiều tấm ảnh viễn thấm đầu tiên này được sử dụng để xây dựng bản đồ địa hình hoặc bản đồ về các hoạt động của con người trên bề mặt trái đất. Năm 1858, G.F. Toumachoon người Pháp đã sử dụng khinh khí cầu bay ở độ cao 80m từ trên không, từ sự việc này mà năm 1858 được coi như là năm khai sinh về ngành kỹ thuật viễn thám. Năm 1887, thử nghiệm đoán đọc cây rừng đầu tiên trên ảnh hàng không. Trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất từ 1914 -1918 đánh dấu khởi đầu công nghệ chụp ảnh bằng máy bay cho mục đích quân sự. Năm 1903, xuất hiện máy bay đầu tiên. Đến năm 2909 máy bay được đưa vào chụp ảnh lần đầu tiên ở vùng Contocelli (Italia). Và sau đó máy bay được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu địa chất vào năm 1929-1930 ở Pháp, Mỹ, Nga, Italia...
5 Năm 1930 đã chụp được bức ảnh màu đầu tiên. Trong chiến tranh thế giới thứ 2 (1939-1945) không ảnh đã sử dụng cho mục đích quân sự, kỹ thuật RADAR phát triển mạnh mẽ đồng thời đánh dấu sự phát triển của phổ hồng ngoại. Năm 1956 đã thử nghiệm ảnh máy bay trong việc phân loại và phát hiện kiểu thực vật. Năm 1959 bức ảnh đầu tiên chụp trái đất từ vũ trụ được tàu explorer 6 cung cấp Vào đầu thập kỷ 70, cuộc cách mạng về ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực dân sự được bắt đầu bằng việc phóng vệ tinh Landsat của Mỹ. Từ năm 1972 đến nay nhiều quốc gia như Liên Xô cũ, Pháp, Canađa, Ấn Độ, Nhật Bản đã đưa lên quỹ đạo các họ vệ tinh quan sát Trái Đất với nhiều mục đích ứng dụng khác nhau, nhưng luôn có các ứng dụng cho nghiên cứu, thành lập bản đồ rừng và theo dõi sinh khối rừng. Đặc điểm nổi bật của các nghiên cứu trong giai đoạn từ những năm 70 đến cuối thế kỷ trước là sự kết hợp các độ phân giải khác nhau để theo dõi tài nguyên rừng ở quy mô khu vực, quy mô toàn cầu; các dữ liệu ảnh NOAA và sau này là ảnh MODIS được sử dụng để theo dõi nhiều thông số quan trọng của lớp phủ rừng toàn cầu, đặc biệt là ở vùng nhiệt đới. Ở nước Pháp, chương trình vệ tinh SPOT đã phóng 5 vệ tinh từ năm 1986. Từ đó đến nay, vệ tinh SPOT đã cung cấp trên 10 triệu bước ảnh. Vệ tinh SPOT5 - thế hệ mới nhất của SPOT, được trang bị một cặp đầu thu HRG (High Resolution Geometric) là loại đầu thu ưu việt hơn các loại trước đó. Mỗi một đầu thu HRG có thể thu được ảnh với độ phân giải 5m đen - trắng và 10m mầu. Với kỹ thuật xử lý ảnh đặc biệt, có thể đạt được ảnh độ phân giải 2.5m, trong khi đó dải chụp phủ mặt đất của ảnh vẫn đạt 60km đến 80km. Đây chính là ưu điểm của ảnh SPOT5, điều mà các loại ảnh vệ tinh cùng thời khác ở độ phân giải này đều không đạt được. Bên cạnh hệ thống viễn thám thụ động thu nhận bức xạ phản xạ năng lượng sóng mặt trời kể trên, Vệ tinh Radarsat-1 được cơ quan vũ trụ Canada phóng lên quỹ đạo tháng 11 năm 1995. Đây là loại vệ tinh viễn thám chủ động có độ phân giải không gian từ 8 đến 100m, phát và thu nhận bức xạ sóng ngắn. Ngoài ra còn có Vệ
6 tinh ENVISAT cung cấp nhiều loại dữ liệu viễn thám, trong đó quan trọng nhất là 2 đầu thu ASAR (Radar) và MERIS (ảnh quang học) có độ phân giải từ 10 - 1000m với diện tích phủ trùm lớn, tần suất chụp lặp cao, cung cấp thông tin trên nhiều kênh phổ sẽ cho phép thường xuyên cập nhật thông tin về tài nguyên và môi trường trên diện rộng bao gồm cả trên đất liền và trên biển. Hiện nay, công nghệ viễn thám đã phát triển rất mạnh mẽ. Căn cứ vào độ phân giải không gian, có thể phân theo các nhóm có độ phân giải thấp như NOAA – 1km, Vệ tinh TERRA-MODIS từ 0,25 – 1km... độ phân giải trung bình như vệ tinh Landsat, ASTER - 15m, IRS của Ấn Độ - 5,8m... các nhóm vệ tinh độ phân giải cao như SPOT 5 của Pháp, ALOS của Nhật Bản với độ phân giải 2,5m và nhóm có độ phân giải không gian siêu cao như Ikonos – 1m, Quickbird - 0,64m và Geoeye có độ phân giải lên đến 0,41m. Với ảnh viễn thám có độ phân giải cao và siêu cao này có thể làm được nhiều việc mà trước đây chỉ có thể thực hiện với ảnh chụp từ máy bay. Ứng dụng của chúng tập trung chủ yếu vào nhiệm vụ quan sát hiện trạng, theo dõi biến động chi tiết các sự vật và hiện tượng trên bề mặt trái đất ở các khu vực có quy mô diện tích nhỏ với bản đồ tỷ lệ lớn lên đến 1:2.000. Các ứng dụng chính của Viễn thám Nhờ sự tiến bộ và sự phát triển vượt bậc của viễn thám đã cho phép mở rộng ra những hướng ứng dụng mới của khoa học công nghệ này, đặc biệt trong hướng địa lý ứng dụng và càng ngày càng thể hiện tính hiệu quả khi vận dụng trong thực tiễn của nhiều lĩnh vực khác nhau như: nghiên cứu, đánh giá các loại tài nguyên, nghiên cứu môi trường và biến động môi trường, nghiên cứu hệ sinh thái, tổ chức lãnh thổ và quản lý môi trường. Các ứng dụng chính của Viễn thám có thể kể đến như sau: + Trong nghiên cứu về tài nguyên môi trường: (1) Nghiên cứu động đất; (2) Nghiên cứu trượt lở đất; (3) Nghiên cứu sự sụt lún đất; (4) Nghiên cứu các tai biến khác như: sa mạc hóa, núi lửa, ngập lụt… + Trong nghiên cứu địa chất: (1) Đoán đọc ảnh nghiên cứu kiến tạo; (2) Giải đoán các yếu tố cấu tạo và cấu trúc địa chất; (3) Nhận biết các loại đá trên ảnh,
7 thành lập bản đồ thạch học; (4) Đoán đọc để dự đoán tìm kiếm khoáng sản; (5) Đoán đọc để nghiên cứu địa chất thủy văn.; (6) Viễn thám trong tổng thể nghiên cứu địa chất. + Viễn thám trong nghiên cứu thủy văn: (1) Nghiên cứu tổng hợp lưu vực sông (2) Nghiên cứu dòng chảy sông; (3) Nghiên cứu cân bằng nước của lưu vực; (4)Tính toán lượng dòng chảy rắn. + Viễn thám trong nghiên cứu cảnh quan và cảnh quan ứng dụng. + Viễn thám trong nghiên cứu lâm nghiệp, diễn biến của rừng bao gồm : (1) Điều tra phân loại rừng và diễn biến rừng (2) Nghiên cứu cháy rừng. (3) Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng... Các tiến bộ khoa học kỹ thuật giải đoán ảnh vệ tinh ở trong nước và trên thế giới Trên thế giới, việc sử dụng công nghệ Viễn thám cho các mục đích khác nhau đã trở nên rất phổ biến trong khoảng 30 năm trở lại đây và đã được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực. Việc sử dụng ảnh viễn thám, ảnh hàng không để phân tích, đánh giá sự thay đổi sử dụng đất, độ che phủ rừng về diện tích, vị trí, phân bố trên một khu vực trong những thời điểm khác nhau là một giải pháp rất hữu hiệu. GIS bắt đầu được xây dựng ở Canada từ những năm sáu mươi của thế kỷ 20 và đã được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới. Đặc biệt, công nghệ này được sử dụng khá phổ biến để xây dựng mô hình sử dụng đất và quan trắc, dự báo các thay đổi các thảm che phủ và địa hình (Elena và cộng sự, 2001; Kok và cộng sự, 2001; McDonalda và cộng sự 2002; Stephenne và Lambin, 2001), so sánh các hệ sinh thái nông nghiệp (Stein và Ettema, 2003), quan sát các sự thay đổi về hệ thống canh tác theo địa hình (Nelson, 2001; Schoorl và Veldkamp, 2001). Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám trong nghiên cứu chiến lược của người nông dân trong sự thay đổi đa dạng của hệ canh tác nương rẫy dưới các tác động của điều kiện dân số, đất đai, chính sách và các nhu cầu về kinh tế xã hội của người dân (Rambo, 2002; Jean- Christophe Castella, 2002; Brabant P., Darracq S. (biên tập). 1999, Leisz và các cộng tác viên, 2003). Hiện nay, ảnh viễn thám, ảnh hàng không đã trở thành những
8 tư liệu quý để phân tích, đánh giá sự thay đổi sử dụng đất, độ che phủ đất về số lượng, vị trí phân bố trên một khu vực trong những thời điểm khác nhau, hay so sánh giữa 2 khu vực. Đối với ngành lâm nghiệp, vấn đề sử dụng ảnh vệ tinh để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng phục vụ công tác quản lý, theo dõi rừng đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng như: Mỹ, Canađa, Pháp, Nga, Nhật Bản và các nước châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan, In Đô Nê Xia..v.v. Tư liệu viễn thám được sử dụng trong công tác này bao gồm nhiều loại ảnh vệ tinh của các nước khác nhau với độ phân giải không gian khác nhau như: Landsat, Ikonos, Quickbird ... của Mỹ, SPOT của Pháp, Aster, JRS, ALOS của Nhật bản, Radasat của Canađa.v.v. Việc sử dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong quản lý, theo dõi biến động rừng và sử dụng đất cũng đã được thực hiện theo nhiều mức độ khác nhau như cho toàn cầu, vùng lãnh thổ, quốc gia, khu vực. Tại nhiều hội nghị Viễn thám Châu Á đã tổng kết những ứng dụng của Kỹ thuật Viễn thám trong Lâm nghiệp với những báo cáo nghiên cứu quản lý, theo dõi phát hiện biến động rừng và sử dụng đất tại các nước như: Nhật Bản, Malaysia, Indonesia, Thái Lan, Philipin.v.v. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Viễn thám được đưa sớm vào Việt Nam từ những năm 70 của thế kỷ trước, mở đầu là việc các ảnh chụp các phần lãnh thổ Việt Nam từ vệ tinh được sử dụng trong ngành Lâm nghiệp và địa chất, sau đó đã mở rộng dần việc ứng dụng trong các lĩnh vực khác như nông nghiệp, giám sát môi trường và thiên tai, quy hoạch lãnh thổ, nghiên cứu khoa học v.v…Việc ứng dụng Viễn thám được mở rộng cả về quy mô lẫn chất lượng thông qua Chương trình nghiên cứu cấp nhà nước giai đoạn 1981 - 1985 ''Ứng dụng thành tựu nghiên cứu và sử dụng khoảng không vũ trụ'', mã số 48- 07. Gần đây, với sự ra đời của công nghệ vệ tinh độ phân giải cao các vệ tinh SPOT5, ALOS, IKONOS, Quickbird, Geoeye đã cung cấp nguồn dữ liệu phong phú cho phép nâng độ chi tiết của giải đoán ảnh bằng mắt thường áp dụng cho theo dõi tài nguyên rừng. Với độ phân giải không gian cao (từ 2.5 đến 0.4m), các dữ liệu liệu
9 này rất tốt cho nhận biết đối tượng rừng bằng mắt nhưng lại gây nhiều khó khăn cho việc tự động hóa công tác thành lập bản đồ bằng phân loại số (numeric classification). Trong điều kiện Việt Nam các phương pháp phân loại ảnh quang học bằng phương pháp sô đang càng gặp nhiều khăn hơn nữa do sự biến động nhanh chóng và do tính chất đa dạng của lớp phủ. Hiện nay, số lượng các cơ quan chuyên về Viễn thám tại các Bộ, Ngành, địa phương và tại các Viện nghiên cứu, các trường đại học đã lên tới vài chục đơn vị với hàng trăm cán bộ được đào tạo chính quy trong và ngoài nước. Trong đó phải kể đến Viện Điều tra Quy hoạch rừng FIPI – Bộ Nông NN&PTNT, Trung tâm Viễn Thám – Bộ TNMT, Trung tâm nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Viễn thám và Hệ thống Thông tin địa lý CARGIS - trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Viện Địa lý, Cục Bản đồ... Nhờ đó, Viễn thám đã trở thành một công cụ được sử dụng tương đối phổ biến ở nước ta trong nghiên cứu khoa học, trong một số lĩnh vực quản lý và sản xuất thuộc các ngành Lâm nghiệp, Nông nghiệp, Thuỷ sản, Tài nguyên và Môi trường, Đo đạc bản đồ... Đối với ngành Lâm nghiệp, công nghệ viễn thám đã được sớm đưa vào sử dụng trong sản xuất đặc biệt trong công tác điều tra, xây dựng bản đồ Hiện trạng rừng phục vụ công tác quy hoạch phát triển cũng như theo dõi đánh giá Diễn biến nguồn tài nguyên thiên nhiên này trong phạm vi cả nước. Trung tâm Tài nguyên và Môi trường Lâm nghiệp - Viện Điều tra Quy hoạch Rừng là đơn vị chính sử dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong công tác theo dõi diễn biến tài nguyên rừng. Từ đầu năm 1970 đến năm 1984, ảnh máy bay và ảnh vệ tinh Landsat MSS đã được sử dụng trong công tác điều tra, quy hoạch rừng thuộc khuôn khổ dự án FAO/UNDP-VIE 79/014. Tiếp theo đó, từ năm 1985 đến 1990 ảnh vệ tinh Landsat TM được sử dụng cho việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng vùng Tây Nguyên. Trong những năm 90 Chương trình Trees của Cộng đồng châu Âu đã hợp tác với Viện điều tra quy hoạch rừng (FIPI) dùng ảnh Landsat để kiểm chứng kết quả thành lập bản đồ rừng nhiệt đới bằng ảnh vệ tinh NOAA và kiểm chứng thực địa tại Tây Nguyên và Tây Bắc Việt Nam. Năm 1990 – 1991, ảnh máy bay đã
10 được sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng rừng vùng Trung Tâm, phục vụ công tác quy hoạch vùng nguyên liệu giấy cho nhà máy giấy Bãi Bằng. Đặc biệt, từ năm 1991 đến năm 1995, ảnh vệ tinh Landsat TM đã được áp dụng để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng cấp vùng, tỷ lệ 1: 250.000 trong chương trình theo dõi, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc chu kì I. Ở chu kỳ II của chương trình này (giai đoạn 1996 – 2000), bản đồ hiện trạng rừng toàn quốc được xây dựng trên cơ sở ảnh vệ tinh SPOT4 và Landsat TM. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu này, do có nhiều hạn chế về trang thiết bị máy tính và các phần mềm chuyên dùng nên phương pháp giải đoán bằng mắt chủ yếu được sử dụng, do đó khá tốn thời gian, công lao động và kết quả phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của các chuyên gia đoán đọc ảnh. Các bản đồ kết quả của hai chu kỳ đầu này chủ yếu được xây dựng, biên tập bằng tay và lưu trên bản đồ giấy do đó việc khai thác, sử dụng thông tin gặp nhiều khó khăn. Đến chương trình theo dõi, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc chu kì III (Giai đoạn 2001 – 2005), ảnh Landsat7-ETM+ đã được sử dụng để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng. Trong chu kỳ này, phương pháp giải đoán ảnh số đã được áp dụng. Đây là một bước tiến mới trong việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong công tác theo dõi, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng. Toàn bộ bản đồ kết quả đã được xây dựng, biên tập và lưu trữ dưới dạng số do vậy rất thuận tiện cho việc sử dụng, khai thác, xử lý và cập nhật thông tin về tài nguyên rừng. Bên cạnh đó, công nghệ GIS với phương pháp chồng xếp các lớp thông tin cũng được sử dụng trong việc phát hiện, đánh giá biến động rừng. Tuy nhiên, do ảnh Landsat7-ETM+ có độ phân giải không gian thấp (15m), nên chỉ phù hợp với việc xây dựng bản đồ tỷ lệ 1:100.000, đáp ứng công tác theo dõi đánh giá diễn biến rừng cấp tỉnh. Hiện tại, chương trình theo dõi, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng chu kỳ 4 giai đoạn 2006 - 2010 đang được triển khai. Đây là một chương trình lớn được thực hiện trên phạm vi cả nước nhằm cung cấp thông tin, số liệu về hiện trạng tài nguyên rừng cũng như tình hình diễn biến tài nguyên rừng cho các cấp hành chính từ xã, huyện, tỉnh, vùng và tập hợp lên toàn quốc. Trong chu kỳ này, để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo độ chính xác và mức độ chi tiết xây dựng bản đồ Hiện trạng rừng
11 phục vụ công tác theo dõi đánh giá diễn biến tài nguyên rừng, ảnh vệ tinh SPOT5 được đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp giải đoán ảnh SPOT5 xây dựng bản đồ hiện trạng rừng được sử dụng hiện nay là giải đoán bằng mắt trực tiếp trên màn hình. Đây là một phương pháp đòi hỏi rất nhiều công lao động, chi phí cao và rất mất thời gian. Tuy vậy, độ chính xác bản đồ thành quả không đồng nhất và phụ thuộc rất nhiều vào năng lực, trình độ và kinh nghiệm của cán bộ giải đoán ảnh. Song song với các chương trình lớn này, công nghệ Viễn thám cũng được các tổ chức, cá nhân áp dụng trong các công trình, dự án, đề tài nghiên cứu trên phạm vị cả nước thông qua việc sử dụng các loại ảnh vệ tinh có độ phân giải và phương pháp phân loại khác nhau để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng. Ở địa phương, một số tỉnh như Lào Cai, Lạng Sơn, Quảng Ninh, Bình Định, Đồng Nai, Vĩnh Phúc cũng đã áp dụng công nghệ viễn thám và GIS để cập nhật bản đồ hiện trạng rừng cấp xã tỷ lệ 1: 25.000 theo chỉ thị số 32/2000/CT-BNN-KL về việc tổ chức theo dõi diễn biến rừng và đất lâm nghiệp trên cả nước. Tuy nhiên, do sử dụng ảnh Landsat7-ETM+ có độ phân giải thấp, 15m để giải đoán, mặc dù có kết hợp kiểm tra, bổ sung thực địa nhưng kết quả còn nhiều hạn chế. Chu Thị Bình và cộng sự (2005) đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM tiến hành đánh giá biến động của lớp phủ thực vật tại Lương Sơn - Hoà Bình giai đoạn 1984 - 1992 - 2001. Phương pháp sử dụng là phân loại có giám định để giải đoán ảnh xây dựng bản đồ hiện trạng rừng cho từng năm sau đó chồng xếp bản đồ ba thời kỳ để đánh giá biến động của 6 loại hiện trạng chủ yếu ở vùng nghiên cứu. Độ chính xác của bản đồ hiện trạng rừng sau phân loại ảnh đạt 90%. Võ Văn Hồng và cộng sự (2006) đã xây dựng tiêu chuẩn ngành về quy phạm giải đoán ảnh vệ tinh Landsat bằng kỹ thuật số để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng. Bộ tiêu chuẩn đã đưa ra được trình tự các bước tiến hành bao gồm tiền xử lý ảnh, xây dựng mẫu khoá ảnh, phân loại ảnh, kiểm tra chỉnh lý, bổ sung kết quả sau phân loại. Tuy nhiên phương pháp giải đoán ảnh số ở đây dựa theo cách tiếp cận là Pixel Based do đó chỉ áp dụng tốt cho những ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian trung bình – dưới 10m như Landsat, Aster, SPOT4. Nếu áp dụng cho loại ảnh có độ
12 phân giải cao như SPOT5 chắc chắn sẽ đưa ra kết quả có độ chính xác mong muốn. Dương Tiến Đức và cộng sự (2008) đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Viễn thám và Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) trong việc đánh giá và quản lý hiện trạng tài nguyên rừng thuộc vùng phòng hộ sông Đà”. Tư liệu sử dụng là hai loại ảnh vệ tinh Landsat7-ETM+ và SPOT5. Kết quả của đề tài đã đưa ra được bộ mẫu khoá ảnh Logic cho từng trạng thái bằng việc kết hợp giữa điều tra thực địa và đo phản xạ phổ trực tiếp của các trạng thái đó. Tuy nhiên, do các trạng thái được phân tách còn rất thô (chỉ có 8 loại lớn là Rừng tự nhiên lá rộng thường xanh, rừng hỗn giao gỗ tre nứa, rừng trên núi đá, rừng trồng, trảng cỏ cây bụi, nương rẫy, đất nông nghiệp và đất khác) và như vậy không phân loại được chi tiết các trạng thái rừng tự nhiên theo hệ phân loại mới của Bộ NN&PTNT. Ngoài ra, kết quả xác định giá trị phổ của các trạng thái lớn này còn có nhiều sự trùng lặp dễ bị lẫn giữa các lớp và sử dụng phương pháp phân loại có giám định Pixel Based để giải đoán nên kết quả đưa ra bản đồ hiện trạng rừng và sử dụng đất chỉ phù hợp với cấp tỉnh, do đó chưa thể đáp ứng được yêu cầu của công tác kiểm kê và thống kê rừng trong thời gian tới và cũng không khai thác được tính ưu việt của loại ảnh có độ phân giải không gian cao như SPOT5. Lê Anh Hùng và cộng sự (2008) – Viện Điều tra Quy hoạch Rừng đã thực hiện đề tài nghiên cứu ứng dụng ảnh Viễn thám chất lượng cao - SPOT5 và công nghệ thông tin để đánh giá, quản lý theo dõi diện tích rừng, đặc biệt là rừng trồng trong chương trình ”Điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc”. Tuy nhiên, đề tài này mới chỉ đưa ra quy trình xây dựng bản đồ hiện trạng rừng bằng phương pháp giải đoán trực tiếp trên màn hình, chưa có những đánh giá chi tiết về độ chính xác của bản đồ cũng như các ứng dụng cụ thể trong công tác điều tra, quy hoạch, quản lý rừng. Nguyễn Thị Thanh Hương (2010) – Trường Đại học Tây Nguyên đã xây dựng luận văn Tiến sỹ trên cơ sở nghiên cứu sử dụng 4 kênh ảnh SPOT5 và NDVI để tính toán trữ lượng rừng vùng Tây nguyên. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra được một số phương trình tính toán trữ lượng rừng thông qua một số chỉ số tính toán từ