Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám để theo dõi mất rừng do làm nương rẫy tại huyện Kim Bôi, tỉnh Hòa Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này nghiên cứu nhằm lựa chọn được tư liệu ảnh viễn thám phù hợp cho việc phát hiện mất rừng do làm nương rẫy. Xây dựng được bộ khóa ảnh để phân loại các đối tượng và xác định biến động diện tích rừng do hoạt động nương rẫy. Bước đầu xây dựng quy trình giải đoán tự động ảnh viễn thám nhằm phát hiện mất rừng do nương rẫy. Mời các bạn cùng tham khảo!

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 tư liệu viễn thám để theo dõi mất rừng do làm nương rẫy tại huyện Kim Bôi, tỉnh Hòa Bình

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN ĐẮC TRIỂN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM ĐỂ THEO DÕI MẤT RỪNG DO LÀM NƯƠNG RẪY TẠI HUYỆN KIM BÔI, TỈNH HÒA BÌNH Chuyên ngành: Lâm học Mã số: 60 62 60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VƯƠNG VĂN QUỲNH HÀ NỘI - 2009
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Lớp phủ thảm thực vật rừng giữ vai trò quan trọng trong điều tiết nguồn nước, hạn chế lũ lụt, hạn hán, xói mòn đất,... và nó càng có vai trò to lớn trong các khu rừng đặc dụng là bảo tồn hệ sinh thái và các loài động thực vật quí hiếm. Sự thay đổi lớp phủ thảm thực rừng do hoạt động của con người hay do các hiện tượng tự nhiên gây nên có thể làm suy thoái các hệ sinh thái cũng như loài động thực vật quí hiếm (Đặng Quốc Hưng, 2008)[14]. Trong thời đại ngày nay với sự gia tăng dân số nhanh chóng và sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm môi trường sống của con người bị biến đổi, sự nóng lên của trái đất, lũ lụt, hạn hán, dịch bệnh gia tăng…là những minh chứng cho sự biến đổi môi trường sống. Rừng với chức năng phòng hộ: điều hòa khí hậu, làm sạch môi trường, nuôi dưỡng nguồn nước, duy trì chế độ thủy văn, chống xói mòn, bảo vệ cải tạo đất,…sẽ bảo vệ, duy trì và phục hồi môi trường sống cho con người. Hiện nay trên thế giới diện tích và chất lượng rừng đang bị suy giảm nhanh chóng, đặc biệt là vùng nhiệt đới. Ở các nước phát triển, quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa đã làm môi trường bị ô nhiễm đã hủy diệt nhiều diện tích rừng. Ở các nước đang phát triển, với phương thức du canh, khai thác rừng quá mức đã hủy diệt nhiều diện tích rừng có giá trị cả về mặt kinh tế và sinh thái. Thế kỷ 21 là thế kỷ của khoa học công nghệ, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật giúp con người quản lý tốt hơn các nguồn tài nguyên, trong đó có khoa học kỹ thuật viễn thám. Kỹ thuật viễn thám đã được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực nghiên cứu của Việt Nam đã mang lại nhiều ứng dụng to lớn trong quản lý tài nguyên. Trong lĩnh vực lâm nghiệp, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng để thành lập các loại bản đồ hiện trạng rừng, phân loại trạng thái rừng, phân vùng trọng điểm cháy rừng, theo dõi diễn biến tài nguyên
2 rừng,...Tuy nhiên, sử dụng các bức ảnh viễn thám có độ phân giải thấp và phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt hoặc xác định vùng mẫu thường mang lại kết quả có độ chính xác không cao. Ở Việt Nam, hoạt động phá rừng làm nương rẫy còn diễn ra ở nhiều địa phương, hoạt động này diễn ra theo mùa vụ và thường diễn ra với nhiều diện tích nhỏ nên rất khó kiểm soát. Đây là một trong những nguyên nhân quan trọng của mất rừng và suy thoái rừng ở Việt Nam. Để góp phần xây dựng cơ sở cho những phương pháp theo dõi giám sát hoạt động nương rẫy chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám để theo dõi mất rừng do làm nương rẫy tại huyện Kim Bôi, tỉnh Hòa Bình”. Đây là một huyện vùng sâu, vùng xa, nơi cư trú của các đồng bào dân tộc Mường, Thái, Dao,.. đời sống của nhân dân còn nhiều khó khăn, hiện tượng đốt nương làm rẫy còn xẩy ra, gây mất rừng và các vấn đề xã hội khác. Nội dung chủ yếu của đề tài là nghiên cứu lựa chọn tư liệu ảnh, xây dựng bộ khoá và phương pháp phân loại ảnh thích hợp để xác định nhanh diện tích nương rẫy và sự biến động của chúng theo thời gian.
3 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Lịch sử nghiên cứu trên thế giới 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, được đặt trên vệ tinh thuộc quỹ đạo trái đất (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]. Viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như: quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, thủy lợi, lâm nghiệp và nhiều ngành khoa học khác. Các dữ liệu viễn thám, trong đó có ảnh vệ tinh đa phổ, siêu phổ và ảnh nhiệt được dùng trong các nghiên cứu khác nhau như: sử dụng đất, lớp phủ mặt đất, rừng, thực vật, khí hậu khí tượng, nhiệt độ trên mặt đất và mặt biển, đặc điểm quyển khí và tầng ozon, tai biến môi trường... Dữ liệu ảnh radar được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như nghiên cứu các mục tiêu quân sự, đo vận tốc gió, đo độ cao bay và độ cao của sóng biển, nghiên cứu cấu trúc địa chất, sụt lún đất, theo dõi lũ lụt... ngoài ra, còn ứng dụng trong nghiên cứu bề mặt của các hành tinh khác. Viễn thám (Remote sensing - tiếng Anh) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc với hiện tượng được nghiên cứu. Thực hiện được những công việc
4 đó chính là thực hiện viễn thám hay hiểu đơn giản: Viễn thám là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện tượng đó. Mặc dù có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất"(Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]. Phương pháp viễn thám là phương pháp sử dụng năng lượng điện từ như ánh sáng, nhiệt, sóng cực ngắn như một phương tiện để điều tra và đo đạc những đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin 1987). Định nghĩa này loại trừ những quan trắc về điện từ và trọng lực vì những quan trắc đó thuộc lĩnh vực địa vật lý, sử dụng để đo những trường lực nhiều hơn là đo bức xạ điện từ (Hà Văn Hải, 2002)[10]. Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỷ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quĩ đạo của trái đất vào năm 1960. Tuy nhiên, viễn thám có lịch sử phát triển lâu đời, bắt đầu bằng việc chụp ảnh sử dụng phim và giấy ảnh. Từ thế kỷ XIX, vào năm 1839, Louis Daguerre (1789 - 1881) đã đưa ra báo cáo công trình nghiên cứu về hóa ảnh, khởi đầu cho ngành chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên, chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu, được thực hiện vào năm 1858 do Gaspard Felix Tournachon - nhà nhiếp ảnh người Pháp. Tác giả đã sử dụng khinh khí cầu để đạt tới độ cao 80m, chụp ảnh vùng Bievre, Pháp. Một trong những bức ảnh tiếp theo chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu là ảnh vùng Bostom của tác giả James Wallace Black, 1860 (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]. Việc ra đời của ngành hàng không đã thúc đẩy nhanh sự phát triển mạnh mẽ ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh, là các nguyên liệu nhạy cảm với ánh sáng. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay tạo điều kiện cho nghiên cứu mặt đất bằng các ảnh chụp chồng phủ kế tiếp
5 nhau và cho khả năng nhìn ảnh nổi (stereo). Khả năng đó giúp cho việc chỉnh lý, đo đạc ảnh, tách lọc thông tin từ ảnh có hiệu quả cao. Một ngành chụp ảnh, được thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn hoặc một phương tiện trên không khác, gọi là ngành chụp ảnh hàng không. Các ảnh thu được từ ngành chụp ảnh hàng không gọi là không ảnh. Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay, được thực hiện vào năm 1910, do Wilbur Wright, một nhà nhiếp ảnh người Ý, bằng việc thu nhận ảnh di động trên vùng gần Centoceli thuộc nước ý. Sự phát triển của viễn thám được tóm tắt qua các thời kỳ và sự kiện sau (Nguyễn Xuân Đài, 2002)[5]: Thời gian (Năm) Sự kiện 1800 Phát hiện ra tia hồng ngoại 1839 Bắt đầu phát minh kỹ thuật chụp ảnh đen trắng 1847 Phát hiện các dải phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy 1850-1860 Chụp ảnh từ khinh 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 12-4-1961 Liên xô phóng thành công tàu vũ trụ có người 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 phương pháp xử lý ảnh số
6 1980-1990 Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat 1986 Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo 1990 đến nay Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và số lượng kênh phổ, tăng độ phân giải của bộ cảm. Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới. Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 - 1918) đánh dấu giai đoạn khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay cho mục đích quân sự. Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã kéo theo nhiều người hoạt động trong lĩnh vực này, đặc biệt trong việc làm ảnh và đo đạc ảnh. Những năm sau đó, các thiết kế khác nhau về các loại máy chụp ảnh được phát triển mạnh mẽ. Đồng thời, nghệ thuật giải đoán không ảnh và đo đạc từ ảnh đã phát triển mạnh, là cơ sở hình thành một ngành khoa học mới là đo đạc ảnh (photogrametry). Đây là ngành ứng dụng thực tế trong việc đo đạc chính xác các đối tượng từ dữ liệu ảnh chụp. Yêu cầu trên đòi hỏi việc phát triển các thiết bị chính xác cao, đáp ứng cho việc phân tích không ảnh (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]. Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939 - 1945) không ảnh đã dùng chủ yếu cho mục đích quân sự. Trong thời kỳ này, ngoài việc phát triển công nghệ radar, còn đánh dấu bởi sự phát triển ảnh chụp sử dụng phổ hồng ngoại. Các bức ảnh thu được từ nguồn năng lượng nhân tạo là radar, đã được sử dụng rộng rãi trong quân sự (Nguyễn Xuân Đài, 2002)[5]. Các ảnh chụp với kênh phổ hồng ngoại cho ra khả năng chiết lọc thông tin nhiều hơn, ảnh mầu, chụp bằng máy ảnh, đã được dùng trong chiến tranh thế giới thứ hai. Việc chạy đua 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 sensing Agency), Chương trình Vũ trụ NASA (Nationmal Aeromautics and Space Administration) Mỹ.
7 Ngoài các thống kê ở trên, có thể kể đến các chương trình nghiên cứu trái đất bằng viễn thám tại các nước như Canada, Nhật, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc. 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 sản phẩm ảnh chụp từ quỹ đạo trái đất có chất lượng cao, ảnh màu có kích thước 70mm, được chụp từ một máy tự động. Vệ tinh khí tượng đầu tiên (TIR0S-1), được phóng lên quĩ đạo trái đất vào tháng 4 năm 1960, mở đầu cho việc quan sát và dự báo khí tượng. Vệ tinh khí tượng 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 tượng trái đất từ vũ trụ một cách tổng thể và cập nhật từng ngày (Nguyễn Xuân Đài, 2002)[5]. 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 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. Tiếp theo vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS (sau đổi tên là Landsat-1), là các vệ tinh thế
8 hệ mới hơn như Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5. Ngay từ đầu, ERTS-1 mang theo bộ cảm quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, và bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) với ba kênh phổ khác nhau. Ngoài các vệ tinh Landsat-2, Landsat-3, còn có các vệ tinh khác là SKYLAB (1973) và HCMM (1978). Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh Landsat TM-4 và Landsat TM-5 với 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt. Điều này tạo nên một ưu thế mới trong nghiên cứu trái đất từ nhiều dải phổ khác nhau (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]. Ngày nay, ảnh vệ tinh chuyên đề từ Landsat-7 đã được phổ biến với giá rẻ hơn các ảnh vệ tinh Landsat TM-5, cho phép người sử dụng ngày càng có điều kiện để tiếp cận với phương pháp nghiên cứu môi trường 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 và SPOT-5, đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh (panchoromatic) với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, 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 20 x 20m. Đặc tính của ảnh vệ tinh SPOT là cho ra các cặp ảnh phủ chồng cho phép nhìn đối tượng nổi (stereo) 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. Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine Observation Satellite). Công nghệ thu ảnh vệ tinh cũng được thực hiện trên các vệ tinh của Ấn độ IRS-1A, tạo ra các ảnh vệ tinh như LISS thuộc nhiều hệ khác nhau. Trong nghiên cứu môi trường và khí hậu trái đất, các ảnh vệ tinh NOAA có độ phủ lớn và có sự lặp lại hàng ngày, đã cho phép nghiên cứu các hiện tượng khí hậu xảy ra trong quyển khí như nhiệt độ, áp suất nhiệt đới hoặc dự báo bão (Hà Văn Hải, 2002)[10].
9 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. Thời đại bùng nổ của Internet, công nghệ tin học với kỹ thuật xử lý ảnh số, kết hợp với Hệ thông tin Địa lý (GIS), cho khả năng nghiên cứu trái đất bằng viễn thám ngày càng thuận lợi và đạt hiệu quả cao hơn (Nguyễn Ngọc Thạch, 2005)[24]. Mặc dù bức ảnh đầu tiên được chụp năm 1858 nhưng mãi đến tháng 9 năm 1887 mới có một kỹ sư Lâm nghiệp người Đức thử nghiệm đoán đọc cây rừng trên ảnh hàng không. Theo GS. Vũ Tiến Hinh, TS. Phạm Ngọc Giao[11] thì Spurr đã chia lịch sử viễn thám trong lâm nghiệp thế giới thành ba giai đoạn chính như sau: 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 ban đầu về ứng dụng chúng trong lâm nghiệp như thí nghiệm của Rudolf Kobsa và Ferdinand Wang (Áo, 1882), Hugershoff.R (Đức-1911), Hand Dock (Áo.1913).
10 Giai đoạn thứ hai: Từ chiến tranh thế giới lần thứ nhất đến cuối chiến tranh thế giới lần thứ hai. Giai đoạn này 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 không của Mỹ (1940). Thí nghiệm các phương pháp đo tán, đo chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff,…Tuy nhiên, giai đoạn này chưa xây dựng được hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đọc đoán ảnh hàng không. Giai đoạn thứ ba: Từ chiến tranh thế giới thứ hai đến nay. Cùng với sự phát triển 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 quốc gia trên thế giới như Canada, Brazin, Ấn Độ, Thái Lan, Trung Quốc,.. Gần đây hệ thống vệ tinh ảnh SPOT, ảnh ADEOS, ảnh TERRA, đã nâng cao hơn nữa khả năng ứng dụng của kỹ thuật viễn thám trong Lâm nghiệp. Phương pháp xử lý ảnh được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến từ những năm 1970 ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới như: Mỹ, Canada, Thụy Điển, Pháp, Nhật Bản. Sau đó phổ cập nhanh chóng tại các nước trong khu vực Châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan, Indonexia, Philipin, Malaixia. Xử lý ảnh số đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: lâm nghiệp, nông nghiệp, địa chất,…. 1.2. Lịch sử nghiên cứu ở Việt Nam Trong suốt thời gian dài trước năm 1945, Việt Nam không có khả năng thực hiện việc điều tra rừng. Thời kỳ này chỉ có số liệu về tài nguyên rừng được công bố trong công trình "Lâm nghiệp Đông Dương" của P. Maurand và
11 số liệu đó thường được xem là tài liệu gốc để so sánh diễn biến rừng ở Việt Nam từ năm 1945 trở về sau. Theo tài liệu và bản đồ của Maurand thì đến năm 1943, rừng Việt nam vẫn còn khoảng 14.352.000 ha, độ che phủ 43,7%. Trong giai đoạn 1945-1954 không có tài liệu nào đề cập đến việc điều tra rừng mà chỉ đi sâu phân tích các hoạt động bảo vệ rừng, khai thác tài nguyên rừng, trồng cây gây rừng và đào tạo cán bộ lâm nghiệp (Nguyễn Ngọc Bình, 2006)[2] 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 (Chu Thị Bình, 2001)[4]. 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. Ở Miền Nam ảnh máy bay được sử dụng từ năm 1959, đã xác định tổng diện tích rừng miền Nam là 8 triệu ha. 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 (Vũ Tiến Hinh, Phạm Ngọc Giao, 1997)[11] Từ năm 1981 đến năm 1983, lần đầu tiên ngành Lâm nghiệp tiến hành điều tra, đánh giá tài nguyên rừng trên phạm vi toàn quốc. Trong đó đã kết hợp giữa điều tra mặt đất và giải đoán ảnh vệ tinh do FAO hỗ trợ. Do vào đầu những năm 1980, ảnh vệ tinh và ảnh hàng không còn rất hạn chế, chỉ đáp ứng
12 yêu cầu điều tra rừng ở một số vùng nhất định, mà chưa có đủ cho toàn quốc. Ảnh vệ tinh được sử dụng thời kỳ đó là Landsat MSS. Từ năm 1991 – 1995 đã tiến hành theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc và xây dựng bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng trên cơ sở kế thừa 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 30x30m 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 (Nguyễn Đình Dương và nnk, 2000)[9]. Ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM tỷ lệ 1:250.000, được giải đoán khoanh vẽ trực tiếp trên ảnh bằng mắt thường. Kết quả giải đoán được chuyển hoạ lên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100.000 và được kiểm tra tại hiện trường. Thành quả đã thành lập được: 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. Từ năm 1996 – 2000, 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 15m x 15m, phù hợp với việc xây dựng bản đồ tỷ lệ 1:100.000. 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. Kết quả về mặt thành lập bản đồ đã xây dựng được: bản đồ phân vùng sinh thái thảm thực vật cấp vùng và toàn quốc; bản đồ phân loại đất cấp tỉnh, vùng và toàn quốc; bản đồ hiện trạng rừng cấp tỉnh, vùng và toàn quốc và bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1:100.000; 1:250.000; 1:1000.000 (Nguyễn Ngọc Thạch, 1999)[23],(Trần Minh Ý và nnk,1999)[33]. Từ năm 2000 – 2005, phương pháp xây dựng bản đồ trong lâm nghiệp đã
13 được phát triển lên một bước. Bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng từ ảnh số vệ tinh Landsat ETM+. Độ phân giải ảnh là 30m x 30m. 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 (Nguyễn Ngọc Bình, 2006)[2]. Như vậy, tuy khoa học điều tra rừng của ra đời muộn hơn so với nhiều môn khoa học khác nhưng đã đạt được những thành quả nhất định. Song song với điều tra mặt đất, đã nghiên cứu thử nghiệm và từng bước ứng dụng có hiệu quả phương pháp viễn thám trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng. Tuy nhiên, hệ thống các bản đồ tài nguyên rừng Việt Nam hiện nay, do được xây dựng tại các thời điểm khác nhau và đã sử dụng nhiều nguồn thông tin tư liệu, nhiều nguồn ảnh, từ ảnh vệ tinh Landsat MSS, TM, SPOT, Aster, Radar, ảnh máy bay và hệ thống phân loại rừng rất khác nhau qua các thời kỳ, nên đã tạo ra nhiều loại số liệu không đồng bộ, gây khó khăn cho người sử dụng, đặc biệt trong việc theo dõi biến động về diện tích của rừng qua các thời kỳ. Trong thời gian gần đây ảnh viễn thám được sử dụng phổ biến ở Việt Nam, với công nghệ xử lý hiện đại hơn, dưới đây trích dẫn một số đề tài về sử dụng tư liệu viễn thám: Trần Thanh Tùng, 2006[28], sử dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải 15m để theo dõi diễn biến hình thái cửa sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi từ 1995 đến 2005. Phạm Quang Sơn, 2008[22] thực hiện đề tài “Ứng dụng thông tin viễn thám và GIS trong nghiên cứu, quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường vùng ven bờ và hải đảo”.
14 Lương Văn Việt, 2007[32] - Phân viện khí tượng thủy văn và môi trường phía Nam, đã sử dụng kênh nhiệt của ảnh Landsat -5 và Landsat-7 để đánh giá xu thế biến đổi khí hậu tại thành phố Hồ Chí Minh do sự gia tăng dân số. Nguyễn Trường Sơn, 2008. Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh và công nghệ GIS trong việc giám sát hiện trạng tài nguyên rừng. Báo cáo khoa học, Trung tâm viễn thám quốc gia, Bộ TN&MT Chuyên san Viễn thám và địa tin học số 5-2008 của Trung tâm Viễn thám quốc gia đã đề cập đến một số công trình nghiên cứu: sử dụng ảnh vệ tinh radar để thành lập một số lớp thông tin về lớp phủ thực vật (Chu Hải Tùng và nnk, 2008)[27], thành lập bản đồ nhiệt độ mặt nước biển và hàm lượng chlorophyll-A khu vực biển đông từ ảnh MODIS (Lê Minh Sơn và nnk, 2008)[20], ứng dụng công nghệ viễn thám và thông tin địa lý trong quản lý tổng hợp lưu vực sông,… Tập thể tác giả: Võ Quang Minh, Nguyễn Thị Hồng Điệp, Huỳnh Thị Thu Hương, 2008[18] thực hiện đề tài: “Ứng dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao (ảnh nhìn nhanh Quicklook) theo dõi sự diễn biến hiện trạng rừng khu vực rừng đặc dụng Vồ Dơi, Cà Mau”. Các tác giả đã sử dụng ảnh viễn thám để theo dõi diễn biến hiện trạng rừng ở khu vực rừng đặc dụng Vồ Dơi, Cà Mau. Lâm Đạo Nguyên, 2006[19] – Phòng Địa tin học Vật lý, PV Vật lý tại Tp Hồ Chí Minh có đề tài “Ứng dụng tư liệu viễn thám vệ tinh để giám sát sự sinh trưởng của cây lúa”. Đề tài đã đề cập đến sử dụng tư liệu viễn thám vệ tinh để theo dõi phát triển mùa vụ lúa, đặc biệt sử dụng tư liệu viễn thám radar ERS2-SAR của cơ quan không gian Châu Âu (ESA - European Space Agency) cho vùng lúa đồng bằng Sông Cửu Long, nơi có hệ thống mùa vụ vốn rất phức tạp. Ngoài ra tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như: Phát hiện vết dầu loang trên biển (Viện Vật lý và Điện tử – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2007)[30], xác định khu vực cây xanh đô thị (Phạm
15 Quốc Hùng, Jeffrey, Greg Lindsey, 2006)[12]; (Nguyễn Thanh Minh, Phạm Bách Việt, 2007)[17], giao thông (Nguyễn Thanh Minh, 2006)[16], tính toán độ ẩm không khí (Dương Văn Khảm, Chu Minh Thu, 2007)[15], giám sát nhiệt độ bề mặt, mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật (Trần Hùng, 2005)[13], xác định chỉ số xói mòn đất (Phạm Hữu Tỵ, Hồ Kiệt, 2008)[29], tìm hiểu sự thay đổi của lớp phủ thực vật (Nguyễn Đình Dương, 2006)[8] (Nguyễn Trường Sơn, 2008)[21], nghiên cứu địa mạo (Trần Anh Tú, Hà Quang Hải, 2007)[25], quản lý tổng hợp lưu vực (Trần Tuấn Đạt 2008)[6],… 1.3. Đặc điểm một số loại ảnh viễn thám Bước sang thế kỷ 21, tư liệu viễn thám được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và đã mang lại những ưu việt vượt trội so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống. Sử dụng tư liệu viễn thám có thể xác định nhanh về đối tượng và có thể theo dõi sự biến động của chúng thông qua các bức ảnh đa phổ, đa thời gian và độ phân giải không gian cao. Các vệ tinh ngày nay ngày càng hoàn thiện sẽ là nguồn tư liệu quan trọng cho các nghiên cứu khoa học thuộc các lĩnh vực khác nhau, trong đó có theo dõi diến biến tài nguyên rừng. Ảnh hàng không bắt đầu được áp dụng từ đầu thế kỷ 20 để khoanh vẽ các trạng thái rừng. Ảnh hàng không thường được lưu trên giấy ảnh hoặc ảnh số. Từ những thử nghiệm lẻ tẻ về ứng dụng ảnh hàng không trong lâm nghiệp vào thời gian đầu, đã có nhiều tác giả sử dụng thành công ảnh hàng không để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng ở các nước như: Canada, Mỹ và Anh (Bickford, 1952). Ảnh hàng không thường được giải đoán bằng mắt thường với sự hỗ trợ của các thiết bị quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu để các định đối tượng. Các trạng thái rừng khác nhau trên ảnh được khoanh vẽ dựa trên một số tiêu chí sau (Olson,1960): cấp độ sáng (tone); kích
16 thước (size) và hình dáng (shape) của tán cây; biến đổi trong cấu trúc tán cây (texture); phân bố không gian của tán cây (pattern); bóng cây (shadow). Ưu điểm của việc sử dụng ảnh hàng không so với điều tra mặt đất là: cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố của rừng trên một diện tích rộng; lưu giữ được những biến đổi về động thái của rừng theo thời gian; ảnh hàng không có thể chụp với bước sóng từ tia cực tím đến hồng ngoại gần (0.3m – 0.9m), vì vậy có thể phản ánh những thông tin mà mắt thường không thấy được. Nhược điểm của ảnh hàng không là rất khó chụp, lưu giữ, hiệu chỉnh và giải đoán. Ngoài ra việc giải đoán bằng mắt là rất chủ quan phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm người giải đoán, kết quả không đồng nhất, khó triển khai trên diện rộng, thời gian thực hiện lâu và tốn kém nhiều nhân lực. Ở Việt Nam, công nghệ giải đoán bằng mắt cũng đã và đang được áp dụng đối với ảnh vệ tinh trong phân loại rừng và đã bộc lộ rất nhiều tồn tại. Trong vòng khoảng 35 năm trở lại đây, ảnh vệ tinh với phương pháp xử lý số đã được sử dụng rộng rãi và dần thay thế ảnh hàng không trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra và kiểm kê rừng (Lambin, 2001)[40]. Phương pháp xử lý số có ưu điểm nổi bật là thời gian xử lý ngắn, việc phân loại các đối tượng được tiến hành nhanh chóng trên phạm vi rộng mà không cần công đi thực địa, công việc được thực hiền hoàn toàn dựa vào cấp độ xám của các pixel, nên kết quả thu được khách quan không phụ thuộc vào chủ quan của nguời giải đoán. Tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng, ảnh vệ tinh sẽ cho phép xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng với quy mô và tỷ lệ khác nhau một cách nhanh chóng, hoặc đánh giá được biến động của hiện trạng rừng ở hiện tại so sánh với các thời điểm trong quá khứ. Với những ưu điểm như vậy, đã có rất nhiều chuyên gia và các nhà nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh để khoanh vẽ và theo dõi biến động của lớp phủ thực vật trên bề mặt trái đất từ quy mô nhỏ đến toàn cầu (Yichun et al.,
17 2008)[56]. Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều vệ tinh cung cấp ảnh có độ phân giải không gian, bước sóng, số lượng kênh phổ và chu kỳ bay chụp khác nhau, từ các ảnh đa phổ (multispectral sensors) tới ảnh siêu phổ (hyperspectral), bước sóng biến động từ nhìn thấy tới sóng siêu cao tần, độ phân giải không gian từ 30m, (ii) ảnh có độ phân giải trung bình 2m - 30m; (iii) ảnh có độ phân giải cao 0.5 – 2.0 m; (iv) ảnh có độ phân giải rất cao < 0.5m. Mỗi loại ảnh vệ tinh khác nhau lại có đặc điểm về độ phân giải không gian, bước sóng, chu kỳ bay chụp, giá thành khác nhau. Dưới đây đề tài tổng hợp đặc điểm kỹ thuật và khả năng ứng dụng của một số loại ảnh vệ tinh được sử dụng phổ biến trên thế giới cũng như Việt Nam, làm cơ sở lựa chọn ảnh viễn thám phù hợp với lĩnh vực nghiên cứu của đề tài: 1.3.1. Ảnh Landsat Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải khác nhau. Tuy nhiên, thế hệ ảnh Landsat TM được thu từ vệ tinh Landsat-4 và -5 và ảnh Landsat ETM+ được thu từ vệ tinh Landsat-7 được sử dụng phổ biến nhất. Ảnh Landsat TM gồm 6 kênh phổ nằm trên dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại với độ phân giải không gian 30mx30m và một giải phổ hồng ngoại nhiệt ở kênh 6, độ phân giải 120mx120m để đo nhiệt độ bề mặt. Ảnh Landsat ETM+ ghi phổ trên 8 kênh ở các bước sóng giống như của ảnh Landsat TM, điều khác biệt là ở Landsat ETM+, kênh hồng ngoại nhiệt (Thermal) có độ phân giải cao hơn (60mx60m) và có thêm kênh toàn sắc (Pan) với độ phân giải không gian là 15mx15m.
18 Bảng 1.1: Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat TM Độ phân giải Lưu trữ Kênh Bước sóng (µm) Tên gọi phổ không gian (m) (bit) TM1 0,45-0,52 Xanh lam 30 8 TM2 0,52-0,60 Xanh lục 30 8 TM3 0,63-0,69 Đỏ 30 8 TM4 0,76-0,90 Cận hồng ngoại 30 8 Hồng ngoại sóng TM5 1,55-1,75 30 8 ngắn Hồng ngoại TM6 10,4-12,5 120 8 nhiệt Hồng ngoại sóng TM7 2,08-2,35 30 8 ngắn Ảnh Landsat được ứng dụng trong nghiên cứu của nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu hiện trạng đến giám sát biến động và được sử dụng phổ biến nhất, với giá thành thấp, dưới đây đề tài thống kê những ứng dụng chính của ảnh Landsat trong nghiên cứu : - Kênh phổ xanh lam (0,45µm -0,52µm) được ứng dụng nghiên cứu đường bờ, phân biệt thực vật và đất, lập bản đồ về rừng và xác định các đối tượng khác. - Kênh phổ xanh lục (0,52µm -0,60µm), được dùng để đo phản xạ cực đại phổ lục của thực vật, xác định trạng thái thực vật, xác định các đối tượng khác. - Kênh phổ đỏ (0,63µm -0,69µm), dùng xác định vùng hấp thụ chlorophyl giúp phân loại thực vật, xác định các đối tượng khác. - Kênh phổ cận hồng ngoại (0,76µm -0,90µm), dùng xác định các kiểu thực vật, trạng thái và sinh khối, độ ẩm của đất.
19 - Kênh hồng ngoại sóng ngắn (1,55-1,75µm; 2,08-2,35µm), được sử dụng để xác định độ ẩm của thực vật và đất, nghiên cứu về đá khoáng, tách tuyết và mây. - Kênh hồng ngoại nhiệt (10,4µm -12,5µm), được dùng để xác định thời điểm thực vật bị sốc, độ ẩm của đất và thành lập bản đồ nhiệt. - Kênh toàn sắc 0,52-0,9: vói độ phân giải thấp và giải phổ liên tục, ảnh của kênh này được sử dụng để chồng ghép với các kênh ảnh khác, từ đó đo vẽ chính xác các đối tượng. Bảng 1.2: Một số thông số các kênh phổ ảnh Landsat ETM+, Landsat -7 Bước sóng Độ phân giải Lưu trữ Kênh Tên gọi phổ (µm) không gian (m) (bit) ETM+1 0,45-0,52 Xanh lam 30 8 ETM+2 0,52-0,6 Xanh lục 30 8 ETM+3 0,63-0,69 Đỏ 30 8 ETM+4 0,76-0,90 Cận hồng ngoại 30 8 ETM+5 1,55-1,75 Hồng ngoại sóng ngắn 30 8 ETM+6 10,4-12,5 Hồng ngoại nhiệt 60 8 ETM+7 2,08-2,35 Hồng ngoại sóng ngắn 30 8 ETM+8 0,52-0,9 Toàn sắc 15 8 1.3.2. Ảnh MODIS Ảnh MODIS được thu từ bộ cảm MODIS đặt trên vệ tinh Terra (2000) và vệ tinh Aqua (2002) có mục đích cung cấp dữ liệu về đất liền, biển và khí quyển một cách đồng thời. Ảnh MODIS cung cấp dữ liệu ảnh toàn cầu 2 ngày một lần với độ phân giải không gian là 250m, 500m và 1000m. Số kênh phổ của MODIS là 36 kênh và dữ liệu ở dạng 12 bit, MODIS có đặc tính chỉnh hình học và phổ. Phương pháp chỉnh phổ kênh đối với kênh được tham chiếu cho 36 kênh cho ra sai số ½ pixel hoặc cao hơn. Dữ liệu của ảnh MODIS bao gồm các loại sau: