Luận văn Thạc sĩ Quản lý tài nguyên rừng: Nghiên cứu kết hợp ảnh vệ tinh quang học sentinel-2 và dữ liệu radar sentinel-1 xác định trữ lượng rừng tại vườn quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk

Chia sẻ: Tomcangnuongphomai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

76
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là kết quả nghiên cứu cung cấp thêm cơ sở khoa học về việc ứng dụng tư liệu ảnh Radar để xác định được trữ lượng rừng, góp phần nâng cao chất lượng công tác xây dựng bản đồ hiện trạng rừng ở Việt Nam nói chung và Vườn Quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk nói riêng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Quản lý tài nguyên rừng: Nghiên cứu kết hợp ảnh vệ tinh quang học sentinel-2 và dữ liệu radar sentinel-1 xác định trữ lượng rừng tại vườn quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HÀ KHÁNH CHÂU NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ẢNH VỆ TINH QUANG HỌC SENTINEL-2 VÀ RADAR SENTINEL-1 TRONG XÁC ĐỊNH TRỮ LƢỢNG RỪNG TẠI VƢỜN QUỐC GIA YOK ĐÔN, TỈNH ĐẮK LẮK CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG MÃ SỐ: 8620211 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HẢI HOÀ Hà Nội, 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình do tôi thực hiện, những số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa có ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả Hà Khánh Châu
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu kết hợp ảnh vệ tinh quang học sentinel-2 và dữ liệu radar sentinel-1 xác định trữ lượng rừng tại vườn quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk” đƣợc hoàn thành theo chƣơng trình đào tạo Thạc sỹ, khóa 2017 - 2019 của trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam. Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi của Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Lâm nghiệp; Khoa đào tạo sau đại học; Các thầy giáo, cô giáo Trƣờng Đại học Lâm nghiệp; Các anh, chị, em, bạn bè đồng nghiệp. Nhân dịp này, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trƣớc sự quan tâm và giúp đỡ quý báu đó. Xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Hải Hòa đã tận tình hƣớng dẫn và chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Mặc dù đã hết sức cố gắng và nỗ lực, nhƣng kinh nghiệm nghiên cứu chƣa nhiều, đặc biệt là hạn chế về mặt thời gian trong quá trình nghiên cứu nên luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả rất mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để cho luận văn đƣợc hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, 24 tháng 05 năm 2019 Học viên Hà Khánh Châu
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... v DANH MỤC HÌNH, CÁC BIỂU ĐỒ ...............................................................vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................vii ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................... 3 1.1. Nghiên cứu về ảnh vệ tinh trong theo d i diễn biến tài nguyên rừng ...... 3 1.2. Tình hình nghiên cứu về khả năng kết hợp ảnh Quang học và ảnh Radar trong việc xác định trữ lƣợng rừng ................................................................... 9 1.2.1. Trên thế giới ................................................................................... 9 1.2.2. Ở Việt Nam ................................................................................... 12 Chƣơng 2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 19 2.1. Mục tiêu.................................................................................................. 19 2.1.1. Mục tiêu chung ............................................................................. 19 2.1.2. Mục tiêu cụ thể ............................................................................. 19 2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 19 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................19 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu...................................................................... 19 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................ 20 2.4.1. Phương pháp kế thừa tư liệu………………………………………20 2.4.2. Phương pháp nghiên cứu cụ thể ..........................................................21
iv Chƣơng 3 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VƢỜN QUỐC GIA YOK ĐÔN....... 29 3.1. Vị trí địa lý ............................................................................................. 29 3.2. Địa hình, địa thế ..................................................................................... 31 3.3. Khí hậu thuỷ văn .................................................................................... 31 3.3.1. Khí hậu ......................................................................................... 31 3.3.2. Thuỷ văn ....................................................................................... 32 3.4. Địa chất thổ nhƣỡng ............................................................................... 32 3.5. Đa dạng sinh học .................................................................................... 33 3.5.1. Hệ thực vật ................................................................................... 34 3.5.2. Hệ động vật .................................................................................. 35 Chƣơng 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................... 36 4.1. Đặc điểm hiện trạng rừng tại vƣờn quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk .. 36 4.2. Phƣơng pháp kết hợp ảnh quang học và tƣ liệu Radar .......................... 38 4.2.1. Mối quan hệ giữa giá trị NDVI; phân cực và tổ hợp phân cực VH, VV với trữ lượng rừng (MGO) ....................................................... 39 4.2.2. Mô hình xác định trữ lượng rừng bằng Sentinel-1 và Sentinel-2 42 4.2.3. Đánh giá độ chính xác c a các mô hình bằng ch số RMSE ....... 48 4.3. Thử nghiệm xác định trữ lƣợng rừng từ ảnh quang học và tƣ liệu radar cho vƣờn quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk .................................................. 49 4.4. Đề xuất phƣơng pháp kết hợp ảnh quang học và tƣ liệu radar để xác định trữ lƣợng rừng ....................................................................................... 52 KẾT LUẬN, TỒN TẠI, KHUYẾN NGHỊ ................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 58 PHỤ BIỂU
v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Đặc điểm và khả năng ứng dụng của một sô loại ảnh vệ tinh. .......... 5 Bảng 2.1. Phân loại NDVI theo chất lƣợng thực vật trong lớp phủ bề mặt đất24 Bảng 4.1. Diện tích các loại rừng và đất lâm nghiệp phân theo mục đích sử dụng của VQG Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk.......................................................... 37 Bảng 4.2. Mối quan hệ giữa giá trị điểm ảnh với trữ lƣợng rừng. ................... 41 Bảng 4.3: Mối quan hệ giữa tổ hợp giá trị điểm ảnh với trữ lƣợng rừng. ....... 47 Bảng 4.4. Kết quả đánh giá độ chính xác của các mô hình. ............................ 48 Bảng 4.5. Diện tích, trữ lƣợng rừng tại VQG Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk. .......... 49
vi DANH MUC CÁC HÌNH Hình 3.1. Vị trí khu vực nghiên cứu ................................................................ 30 Hình 4.1. Hệ thống điểm điều tra tại VQG Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk. .............. 38 Hình 4.3. Hiện trạng rừng vƣờn quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk. ................ 51 Hình 4.2. Phân bố trữ lƣợng gỗ vƣờn quốc gia Yok Đôn, ............................... 50 tỉnh Đắk Lắk. .................................................................................................... 50 DANH MUC CÁC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 4.1. Mối quan hệ giữa VH với MGO. ................................................ 39 Biều đồ 4.2. Mối quan hệ giữa phân cực VV với MGO. ................................. 40 Biều đồ 4.3. Mối quan hệ giữa giá trị trung bình phân cực VV, VH với MGO. . 40 Biều đồ 4.4. Mối quan hệ giữa NDVI với MGO. ........................................... 41 Biều đồ 4.5. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI-VHMN với MGO. ................... 42 Biều đồ 4.6. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI-VVMN với MGO. ................... 43 Biều đồ 4.7. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI-TBMN với MGO. .................... 43 Biều đồ 4.8. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI+VHMN với MGO. .................. 44 Biều đồ 4.9. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI+VVMN với MGO. .................. 44 Biều đồ 4.10. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI+TBMN với MGO. ................. 45 Biều đồ 4.11. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI*VHMN với MGO.................. 45 Biều đồ 4.12. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI*VVMN với MGO.................. 46 Biều đồ 4.13. Mối quan hệ giữa tổ hợp NDVI*TBMN với MGO. ................. 46
vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VQG Vƣờn quốc gia VH, VV Phân cực đứng-ngang, phân cực đứng – đứng (trong vệ tinh radar) MGO Trữ lƣợng gỗ NDVI Chỉ số khác biệt thực vật (Nomalize Different Vegetation Index) VHMN Giá trị tán xạ trung bình của phân cực đứng-ngang VVMN Giá trị tán xạ trung bình của phân cực đứng – đứng TBMN Giá trị tán xạ trung bình của phân cực đứng – ngang và đứng – đứng GIS Hệ thống thông tin địa lý FAO Tổ chức nông lƣơng liên hợp quốc GPS Hệ tống định vị toàn cầu NIR Kênh cận hồng ngoại RED Kênh đỏ dB Đề-xi-ben (Đơn vị đo cƣờng độ tán xạ của tia radar) OTC Ô tiêu chuẩn (dùng để đo đếm trữ lƣợng gỗ ngoài thực địa) RMSE Sai số trung phƣơng (Root Mean Square Error)
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trƣớc đây phần lớn đất nƣớc Việt Nam có rừng che phủ, nhƣng chỉ khoảng một thế kỷ qua, rừng bị suy thoái nặng nề. Tỷ lệ che phủ của rừng giảm từ 43% vào năm 1943 xuống còn 27,1% vào năm 1980 và 26,2% vào năm 1985 (Bộ Lâm nghiệp, 1991). Nhờ các chƣơng trình trồng rừng (chƣơng trình 327 giai đoạn 1992-1998 và dự án trồng mới 5 triệu ha rừng giai đoạn 1998-2010), tính đến năm 2005, cả nƣớc có trên 12,6 triệu ha rừng (trong đó: rừng tự nhiên có gần 10,3 triệu ha, rừng trồng hơn 2,3 triệu ha), nâng độ che phủ rừng đạt 37% (nguồn - Cục Kiểm lâm); năm 2009 độ che phủ của rừng của nƣớc ta là 39,1% [1]. Nguyên nhân mất rừng là do công tác quản lý rừng nƣớc ta chƣa bền vững vẫn còn bộc lộ nhiều yếu kém, cụ thể: công tác kiểm kê rừng hàng năm chƣa cập nhật kịp thời về diện tích, trữ lƣợng của các trạng thái rừng. Nhiều diện tích rừng bị mất do đốt nƣơng làm rẫy,chuyển đất có rừng sang đất sản xuất, khai thác quá mức vƣợt khả năng phục hồi tự nhiên của rừng… cũng nhƣ những diện tích rừng đƣợc tăng lên nhờ công tác trồng mới hoặc khoanh nuôi bảo vệ đã không đƣợc thống kê, cập nhật kịp thời vào bản đồ hiện trạng. Việc điều tra, đánh giá tài nguyên rừng là một công việc tốn rất nhiều nhân lực, vật lực. Thời gian một chu kỳ điều tra kéo dài trong 5 năm, trong khi đó tài nguyên rừng biến động nhanh hơn dẫn tới kết quả điều tra thiếu chính xác. Mặt khác, hiện trạng và biến động thảm thực vật rừng là căn cứ hết sức quan trọng phục vụ công tác quy hoạch bảo vệ, phát triển và khai thác sử dụng tài nguyên rừng một cách bền vững. Chính vì vậy, nhiệm vụ đặt ra đối với các cơ quan chức năng và các nhà quản lý lâm nghiệp là cần phải áp dụng các phƣơng pháp cập nhật nhanh, kịp thời, chính xác trong xây dựng bản đồ hiện trạng rừng. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học vũ trụ, công nghệ xử lý ảnh viễn thám cũng đã xuất hiện và ngày càng tỏ r tính ƣu việt trong
2 công tác điều tra, quản lý tài nguyên. Dữ liệu viễn thám với tính chất đa thời gian, đa phổ, phủ trùm diện tích rộng cho phép chúng ta cập nhật thông tin, tiến hành nghiên cứu một cách nhanh chóng, hiệu quả, tiết kiệm đƣợc thời gian và công sức. Trong nghiên cứu hiện trạng tài nguyên rừng, nghiên cứu ảnh viễn thám ngày càng tỏ ra ƣu thế bởi khả năng cập nhật thông tin và phân tích biến động một cách nhanh chóng. Nghiên cứu ảnh viễn thám đã ứng dụng vào thực tiễn từ rất lâu trên thế giới; những năm 1960 đã thành lập các bản đồ rừng và bản đồ lớp phủ bề mặt. Tuy nhiên, đến nay tại Việt Nam vẫn chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi, và việc tiến hành quy hoạch, lập bản đồ hiện trạng rừng ở các cấp chủ yếu vẫn theo phƣơng pháp thủ công, tức thống kê là dựa vào các số liệu kiểm kê ở từng địa phƣơng. Ảnh vệ tinh Radar với những ƣu thế cơ bản nhƣ khả năng chụp ảnh không phụ thuộc vào thời tiết, có thể chụp ảnh cả ban ngày lẫn ban đêm là một công cụ hết sức hữu hiệu để theo dõi, giám sát Tài nguyên và Môi trƣờng, nhất là ở những nƣớc thƣờng xuyên bị ảnh hƣởng của mây nhƣ Việt nam. Không những thế do đƣợc thu nhận ở vùng sóng dài hơn rất nhiều so với các sóng nhìn thấy thông thƣờng ảnh vệ tinh radar rất nhạy cảm với các đặc tính về cấu trúc, độ gồ ghề, tính đồng nhất và độ ẩm của bề mặt đất, những thông tin này hầu nhƣ không có đƣợc trên ảnh quang học truyền thống. Tuy nhiên, ảnh radar cũng có nhiều mặt hạn chế rất đáng kể nhƣ biến dạng lớn về hình học,nhiều nhiễu và hình ảnh các đối tƣợng có nhiều khác biệt so với cảm nhận của con ngƣời, do đó làm ảnh hƣởng rất nhiều đến việc triển khai các ứng dụng của ảnh radar. Nhƣ vậy có thể thấy rằng cả hai loại ảnh radar và ảnh quang học truyền thống đều có những thế mạnh và điểm yếu riêng [2]. Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn trên tôi tiến hành thực hiện luận văn “Nghiên cứu kết hợp ảnh vệ tinh quang học sentinel-2 và dữ liệu radar Sentinel-1 xác định trữ lượng rừng tại Vườn Quốc gia Yok Đôn, tỉnh Đắk Lắk”.
3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Nghi n cứu v ảnh vệ tinh trong th o i iễn i n t i ngu n rừng Phƣơng pháp viễn thám cho phép thu thập thông tin về đối tƣợng trên mặt đất thông qua hình ảnh của đối tƣợng mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp ngoài thực địa. Các loại tƣ liệu ảnh viễn thám có thể đƣợc chụp từ máy bay (ảnh hàng không) nhƣng thông dụng nhất là đƣợc chụp từ ảnh vệ tinh. Tƣ liệu viễn thám có hai loại chính là ảnh quang học và ảnh Radar. Ảnh quang học chụp bề mặt trái đất nhờ năng lƣợng mặt trời và các thiết bị chụp ảnh sử dụng thấu kính quang học, hệ thống chụp ảnh này đƣợc gọi là hệ thống thụ động. Loại thứ hai là ảnh radar đƣợc chụp nhờ các thiết bị thu, phát sóng radar đặt trên vệ tinh. Hệ thống này đƣợc gọi là hệ thống chụp ảnh chủ động hay tích cực. Ngày nay với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học công nghệ, tƣ liệu vệ tinh đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công tác theo dõi, giám sát tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trƣờng đặc biệt là trong việc theo dõi diễn biến tài nguyên rừng. Nguyên tắc cơ bản để phân biệt các đối tƣợng trên ảnh vệ tinh là dựa vào sự khác biệt về đặc tính phản xạ của chúng trên các kênh phổ vật trên ảnh vệ tinh. Những ƣu th cơ ản của ảnh vệ tinh có thể kể ra là: - Cung cấp thông tin khách quan, đồng nhất trên khu vực trùm phủ lớn (Landsat 180km x180km, SPOT, ASTER 60km x 60 km) cho phép tiến hành theo dõi giám sát trên những khu vực rộng lớn cùng một lúc. - Cung cấp thông tin đa dạng trên nhiều kênh phổ khác nhau cho phép nghiêncứu các đặc điểm của đối tƣợng từ nhiều góc độ phản xạ phổ khác nhau.
4 - Cung cấp các loại ảnh có độ phân giải khác nhau đo đó cho phép nghiên cứubề mặt ở những mức độ chi tiết hoặc khái quát khác nhau. Ví dụ nhƣ các loại ảnh độ phân giải siêu cao nhƣ SPOT 5, IKONOS, QuickBird để nghiên cứu chi tiết, hoặc các loại ảnh có độ phân giải thấp nhƣng tần suất chụp lặp cao, diện tích phủ trùm lớn nhƣ MODIS, MERIS cho phép cung cấp các thông tin khái quát ở mức vùng hay khu vực. - Khả năng chụp lặp lại hay còn gọi là độ phân giải thời gian. Do đặc điểm quĩđạo của vệ tinh nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định lại có thể chụp lặp lại đƣợc vị trí trên mặt đất. Sử dụng các ảnh vệ tinh chụp tại các thời điểm khác nhau sẽ cho phép theo dõi diễn biến của các sự vật hiện tƣợng diễn ra trên mặt đất, ví dụ nhƣ quá trình sinh trƣởng của cây trồng, lúa, màu. - Các dữ liệu đƣợc thu nhận ở dạng số nên tận dụng đƣợc sức mạnh xử lý củamáy tính và có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống thông tin nhƣ hệ thống thông tin địa lý (GIS). Do những đặc tính hết sức ƣu việt kể trên ảnh vệ tinh đã trở thành một công cụ không thể thiếu đƣợc trong công tác theo dõi giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng, nhất là ở những vùng khó tiếp cận nhƣ các vùng núi cao, biên giới, hải đảo… Phƣơng pháp Viễn thám cho phép thu thập phần lớn các thông tin ở trong phòng nhƣng kết quả giải đoán cần đƣợc kiểm chứng ở ngoài thực địa do đó công tác thực địa là một phần không thể thiếu trong công nghệ Viễn thám. Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ viễn thám, tại những nƣớc phát triển đã đƣợc thực hiện ngay từ khi có những tấm ảnh đầu tiên của vệ tinh quan sát trái đất. Cho đến nay ảnh vệ tinh đã đƣợc ứng dụng ở hầu khắp các nƣớc, kể cả những nƣớc đang phát triển. Ở Việt nam, mặc dù việc ứng dụng công nghệ Viễn thám có chậm hơn những nƣớc tiên tiến trong khu vực nhƣng
5 ảnh vệ tinh cũng đã đƣợc sử dụng ở rất nhiều các cơ quan, ngành và địa phƣơng khác nhau nhƣ nông nghiệp, lâm nghiệp, đo đạc và bản đồ, qui hoạch đất đai, địa chất – khoáng sản… Những ứng dụng tiêu biểu của ảnh vệ tinh liên quan đến việc chiết tách các lớp thông tin là: - Điều tra thành lập bản đồ hiện trạng và theo dõi biến động rừng - Thành lập bản đồ lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất - Theo dõi giám sát mùa màng .. - Thành lập bản đồ và theo dõi biến động các vùng đất ngập nƣớc - Thành lập bản đồ và theo dõi biến động rừng ngập mặn - Kiểm kê tài nguyên nƣớc mặt - Qui hoạch đô thị và theo d i quá trình đô thị hóa Ảnh vệ tinh quang học với nhiều ƣu điểm nhƣ hình ảnh quen thuộc với con ngƣời, dễ giải đoán, kỹ thuật tƣơng đối dễ phát triển trên nền các công nghệ chụp ảnh hiện hành nên đã nhanh chóng đƣợc chấp nhận và ứng dụng rộng rãi. Các loại ảnh quang học nhƣ Landsat, SPOT, Aster, IKONOS, QuickBird đã trở nên quen thuộc và phổ biến trên toàn thế giới. Trong xây dựng các bản đồ phân loại rừng bằng công nghệ Viễn thám sử dụng ảnh quang học đã đƣợc đƣa vào các qui trình qui phạm tƣơng đối hoàn chỉnh. Thông số kỹ thuật của một số loại ảnh vệ tinh quang học chính đƣợc tổng hợp ở Bảng 1.1. Bảng 1.1. Đặc điểm và khả năng ứng dụng của một sô loại ảnh vệ tinh. Loại ảnh Thông số kỹ thuật Ứng dụng trong phân loại rừng 1. Ảnh đa phổ có độ phân giải thấp (Multispectral Low Resolution Sensors Độ phân giải thấp (250m – 1000m); - Quy mô bản đồ: toàn cầu, lục MODI Trƣờng phủ 330km; Chu kỳ bay địa hoặc quốc gia chụp 1-2 ngày; Ảnh có từ 2000 (vệ - Phân loại lớp phủ (vd: rừng,
6 Loại ảnh Thông số kỹ thuật Ứng dụng trong phân loại rừng tinh Terra) hoặc 2002 (vệ tinh độ thị, mặt nƣớc...) Aqua) đến nay Độ phân giải thấp 1km từ các vệ AVHRR tinh NOAA; Trƣờng phủ 2400km x 6400km; Ảnh có từ 1980 đến nay. 2. Ảnh đa phổ có độ phân giải trung bình (Multispectral Moderate Resolution Sensors) Độ phân giải thấp đến trung bình - Quy mô bản đồ: khu vực Landsat (30m -120m); Trƣờng phủ 185km x - Phân loại rừng ở cấp độ quần TM 185km; Chu kỳ bay chụp 16 ngày; xã Ảnh từ năm 1998 đến nay; Landsat Độ phân giải thấp đến trung bình - Quy mô bản đồ: khu vực ETM+ (15m - 20m); Trƣờng phủ 185km x - Phân loại rừng ở cấp độ quần (Landsat 185km. Chu kỳ bay chụp 16 ngày; xã hoặc một số loài ƣu thế có 7) Ảnh có từ 1999 đến nay; nhận biệt rõ Độ phân giải trung bình (15-90m) với 14 kênh phổ từ bƣớc sóng nhìn ASTER thấy tới hồng ngoại gần; Ảnh có từ năm 2000 đến nay. 3. Ảnh đa phổ có độ phân giải cao (Multispectral High-spatial Resolution Sensors – Hyperspatial ) Độ phân giải cao đến trung bình, từ - Quy mô bản đồ: địa phƣơng, 2.5m đến 20m (với SPOT VGT là khu vực (hoặc lớn hơn đối với SPOT 1km); Trƣờng phủ 60km x 60km SPOT VGT) (với SPOT VGT là 1000 km x 1000 - Phân loại rừng ở cấp độ quần km); SPOT 1, 2, 3, 4 và 5 có ảnh xã hoặc các loại cụ thể
7 Loại ảnh Thông số kỹ thuật Ứng dụng trong phân loại rừng tƣơng ứng từ 1986, 1990, 1993, 1998 và 2002. Hiện nay SPOT 1 và 3 đã ngừng cung cấp ảnh. Độ phân giải rất cao (1m – 4m); - Quy mô bản đồ: khu vực, địa IKONOS Trƣờng phủ 11km x 11km; Chu kỳ phƣơng hoặc nhỏ hơn bay chụp 3-5 ngày - Phân loại rừng chi tiết ở cấp Độ phân giải rất cao (0.6m – 2.4m); độ quần xã hoặc các loài cụ Trƣờng phổ 16.5km x 16.5km. Chu thể; QuickBird kỳ bay chụp 1-3.5 ngày tuỳ thuộc - Thƣờng đƣợc sử dụng để vào vĩ độ. kiểm tra kết quả phân loại từ các nguồn khác. 4. Ảnh siêu phổ (Hyperspectral Sensors) Ảnh siêu phổ với 224 kênh từ bƣớc - Quy mô bản đồ: khu vực, địa sóng nhìn thấy tới sóng ngắn hồng phƣơng hoặc nhỏ hơn; ngoại; Tuỳ thuộc vào vĩ độ của vệ - Phân loại rừng chi tiết ở cấp AVIRIS tinh mà ảnh có độ phân giải > 1m, độ quần xã hoặc các loài cụ trƣờng phủ > 1km. thể; ảnh chỉ chụp theo yêu cầu 1 lần, vì vậy không thích hợp với theo dõi diễn biến rừng. Ảnh siêu phổ tới 220 kênh từ bƣớc - Quy mô bản đồ: khu vực sóng nhìn thấy tới sóng ngắn hồng - Phân loại rừng chi tiết ở cấp Hyperion ngoại; Độ phân giải không gian độ quần xã hoặc các loài có 30m; Ảnh có từ năm 2003. nhận biệt rõ. Nhƣợc điểm chính của ảnh quang học là chỉ có thể chụp vào ban ngày khi đƣợc mặt trời chiếu sáng và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết.
8 Trong trƣờng hợp thời tiết xấu nhƣ mƣa bão, mây, mù, sẽ rất khó chụp đƣợc ảnh. Trên ảnh quang học cũng thƣờng có nhiều mây, nhất là ở khu vực nhiệt đới trong đó có Việt nam. Những nhƣợc điểm này đã làm hạn chế rất nhiều khả năng ứng dụng của ảnh quang học. Đặc biệt là đối với những ứng dụng cần sử dụng ảnh chụp ở nhiều thời điểm. Những nhƣợc điểm của ảnh quang học cũng chính là ƣu điểm của ảnh radar. Do sử dụng nguồn năng lƣợng riêng của mình để chụp ảnh nên ảnh radar có thể đƣợc chụp vào cả ban ngày lẫn ban đêm. Các bƣớc sóng ở vùng sóng micro của hệ thống chụp ảnh radar có khả năng đâm xuyên qua mây nên không bị ảnh hƣởng của thời tiết do đó rất phù hợp với những khu vực thƣờng xuyên có nhiều mây phủ nhƣ Việt nam. Một ƣu điểm quan trọng khác của ảnh radar là cung cấp các thông tin mà ảnh quang học không thể có đƣợc nhƣ độ ghồ ghề, độ ẩm, cấu trúc của các đối tƣợng trên bề mặt. Chính vì những ƣu thế trên ảnh radar là loại tƣ liệu rất có tiềm năng ứng dụng ở nƣớc ta. Tuy nhiên ảnh radar cũng có những nhƣợc điểm rất cơ bản. Do đƣợc chụp ở vùng sóng micro khác xa với vùng sóng nhìn thấy nên hình ảnh không giống với cảm nhận thông thƣờng của mắt ngƣời. Mặt khác, do bản chất chụp nghiêng nên hình ảnh bị biến dạng nhiều nên khó nhận dạng các đối tƣợng và khó xử lý. Không những thế ảnh radar còn có nhiều nhiễu gây khó khăn cho ngƣời sử dụng. Do những đặc điểm nói trên ảnh radar còn ít đƣợc sử dụng hơn so với ảnh quang học. Mặc dù vậy, trên thế giới công nghệ Viễn thám radar đã và đang phát triển rất mạnh mẽ, và đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực bao gồm theo d i giám sát thiên tai nhƣ lũ lụt, trƣợt lở đất, cháy rừng, giám sát ô nhiễm (tràn dầu), nghiên cứu, thăm dò địa chất khoáng sản, đo đạc bản đồ, theo dõi diễn biến lớp phủ và hiện trạng sử dụng đất, kiểm kê đất rừng, theo dõi mùa
9 màng. Ở Việt nam, ứng dụng của ảnh radar còn chƣa nhiều, chủ yếu đƣợc sử dụng cho mục đích nghiên cứu. Các cơ quan đã có những tiếp cận ban đầu với công nghệ ảnh radar là Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trung tâm Viễn thám- Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng, Viện Quy hoạch rừng- Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn. Nhƣ vậy, có thể thấy cần phải đẩy mạnh hơn nữa. Thấy rõ vai trò quan trọng của công nghệ Viễn thám và nhu cầu sử dụng tƣ liệu ảnh vệ tinh của các cơ quan, ngành trong cả nƣớc, chính phủ đã cho phép Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng triển khai đề án” Hệ thống Giám sát Tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng tại Việt Nam” sử dụng vốn ODA của chính phủ Pháp. Thành phần quan trọng nhất của hệ thống này là Trạm thu ảnh vệ tinh có khả năng thu nhận, xử lý và cung cấp các loại ảnh vệ tinh bao gồm cả ảnh quang học (MERIS, SPOT 2, 4, 5) và radar (ASAR) cho ngƣời sử dụng trong nƣớc. Hệ thống giám sát Tài nguyên và Môi trƣờng tại Việt nam sẽ thúc đẩy các nghiên cứu ứng dụng của ảnh vệ tinh ở nƣớc ta. Khi hệ thống đi vào hoạt động, ngƣời sử dụng có khả năng tiếp xúc với nhiều loại tƣ liệu ảnh trên cùng một khu vực nghiên cứu, do đó cần đặc biệt quan tâm đến phƣơng pháp ứng dụng kết hợp nhiều loại ảnh vệ tinh, nhất là ảnh quang học và ảnh radar [2]. 1.2. Tình hình nghiên cứu v khả năng k t hợp ảnh Quang học và ảnh Radar trong việc xác định trữ lƣợng rừng 1.2.1. Trên thế giới Mỗi loại ảnh quang học và radar đều có những ƣu điểm và hạn chế riêng, do đó việc kết hợp ảnh radar và ảnh quang học đã đƣợc đặt ra nhằm tận dụng đƣợc thế mạnh của cả hai loại ảnh này.
10 Việc nghiên cứu kết hợp hai loại ảnh nói trên nhằm mục đích chiết tách thông tin về lớp phủ mặt đất đã đƣợc thực hiện tại nhiều nƣớc trên thế giới bao gồm cả những nƣớc có công nghệ tiên tiến nhƣ Mỹ, Canada, Anh, Pháp, Australia và cả những nƣớc trong khu vực nhƣ Trung quốc, Malaysia, Thái lan, Indonesia, Singapore. Mỗi nghiên cứu đều có những cách tiếp cận khác nhau liên quan đến nguồn tƣ liệu đƣợc sử dụng,đối tƣợng lớp phủ mặt đất đƣợc quan tâm khai thác và phƣơng pháp kết hợp các loạiảnh. Ví dụ nhƣ một số công trình nghiên cứu sử dụng kết hợp ảnh ERS với ảnh LandsatTM để tiến hành phân loại lớp phủ thực vật, trong khi đó có công trình nghiên cứu lạisử dụng ảnh SPOT kết hợp với ảnh RADARSAT để kiểm kê giám sát tài nguyên rừng. Một số tác giả chỉ sử dụng ảnh radar nhƣ một nguồn tƣ liệu bổ sung để giải đoán các yếu tố trên ảnh, trong khi có tác giả lại trộn lẫn các nguồn tƣ liệu để tiến hành phân tích và xử lý. Có thể nêu ra một số nghiên cứu tiêu biểu nhƣ sau: Tại Na uy, năm 1995, Weydahl và các đồng nghiệp đã kết hợp ảnh vệ tinh radar ERS -1 cùng với các loại ảnh quang học nhƣ SPOT và Landsat TM để nghiên cứu vùng đô thị [18]. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng ảnh radar đã cung cấp thêm rất nhiều các thông tin về hƣớng, mức độ phức tạp, chất liệu tạo thành của các đối tƣợng trong vùng đô thị mà trên ảnh quang học thƣờng ít khi thể hiện. Năm 1997, Z. A. Hasan và các đồng nghiệp tại Trung tâm Viễn thám Malaysia (MACRES) trong chƣơng trình hợp tác nghiên cứu giữa châu Âu và ASEAN để nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh ERS 1 đã nghiên cứu sự bổ sung lẫn nhau giữa ảnh radar ERS 1 và Landsat TM để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ/ sử dụng đất ở bang Johore, Malaysia. Hasan đã nhận thấy rằng nếu chỉ dùng ảnh ERS 1 sẽ rất khó chiết tách các thông tin về lớp phủ bề mặt do
11 sự khác biệt không lớn về đặc tính tán xạ ngƣợc của các đối tƣợng, tuy nhiên khi kết hợp với ảnh quang học, đặc biệt là tổ hợp ảnh IHS thì sẽ cho phép phân biệt tốt nhất các loại lớp phủ trong khu vực nghiên cứu [17]. Louis Demargne và các đồng nghiệp (2001) tại SPOT Image đã nghiên cứu ứng dụng kết hợp ảnh SPOT và radar để kiểm kê rừng tại Malaysia. Trong đó ảnh radar đƣợc sử dụng với hai mục đích vừa để thay thế cho ảnh SPOT tại những vùng có nhiều mây vừa để cung cấp thêm nguồn thông tin chuyên đề bổ sung cho ảnh SPOT để phân biệt các lớp phủ rừng [14]. Kết quả nghiên cứu cho thấy đây là một phƣơng pháp có hiệu quả để theo dõi giám sát và bảo vệ rừng. Ở Braxin, năm 2003, P.W.M. Souza Fillho tại trƣờng đại học Para và Paradela tại Viện nghiên cứu quốc gia về không gian đã tiến hành nghiên cứu kết hợp ảnh Radarsat à ảnh Landsat 5 TM để lập bản đồ khu vực rừng ngập mặn ven biển thuộc lƣu vực sông Amazon. Các tác giả đã nhận thấy rằng: kết hợp hai loại ảnh sẽ tăng cƣờng khả năng phân biệt giữa thực phủ có độ cao khác nhau và những vùng có độ ẩm cao [16]. Trong nghiên cứu của Sun - Hwa Kim và Kyu - Sung Lee tại khoa Địa Tin Học trƣờng đại học Inha, Incheon, Hàn Quốc, ảnh Radarsat và Landsat +ETM đã đƣợc ứng dụng để thành lập bản đồ lớp phủ ở khu vực bờ biển phía Tây bán đảo Triều Tiên [13]. Các tác giả đã đƣa ra đƣợc 11 đối tƣợng lớp phủ khác nhau từ các tập dữ liệu kết hợp và từ từng loại dữ liệu riêng lẻ. Theo các tác giả, việc kết hợp hai loại ảnh đã cải thiện rõ rệt khả năng chiết tách thông tin dù bằng phƣơng pháp giải đoán bằng mắt hay phân loại trên máy tính. Kết quả phân loại cho thấy độ chính xác tăng lên đến 74,6% khi kết hợp hai loại ảnh, so với 69,3% nếu chỉ sử dụng ảnh Landsat +ETM.
12 Tại Mỹ và Canada, việc kết hợp ảnh radar và quang học để nghiên cứu các đối tƣợng lớp phủ trên bề mặt cũng đã đƣợc thực hiện từ lâu với rất nhiều các công trình nghiên cứu đƣợc công bố nhƣ sau : - B. N. Haack (1984) tại trƣờng đại học George Mason bang Virginia đã kết hợp ảnh radar băng L và băng X với ảnh quang học Landsat MSS để nghiên cứu vùng đô thị thuộc thành phố LOS ANGELES [11]. - Floyd M. Henderson và nnk (1999), tại trƣờng đại học Albany, bang NewYork, đã sử dụng các loại ảnh radar Radarsat và ERS cùng với ảnh quang học Landsat TM để đánh giá vai trò của ảnh radar trong việc hỗ trợ làm giảm thiểu sự nhầm lẫn giữa các thành phần lớp phủ tại vùng đô thị [12]. - L. B. Chavez (2004), đƣợc sự tài trợ của tổ chức General Dynamics và ủy ban Các hồ lớn (Great Lake Commission) đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng đa vệ tinh, bao gồm Landsat +ETM, Radarsat và JERS để giám sát khu vực đất ngập nƣớc tại vùng ven các hồ lớn giữa Mỹ và Canada [15]. Ngoài ra còn rất nhiều các công trình nghiên cứu khác trên thế giới liên quan đến vấn đề kết hợp ảnh quang học và radar để nghiên cứu các đối tƣợng lớp phủ mặt đất đã và đang đƣợc thực hiện trên thế giới. Tuy có những khác biệt về phƣơng pháp nghiên cứu, tƣ liệu sử dụng và các khu vực thử nghiệm nhƣ đã nêu ở trên, nhƣng tất cả các nghiên cứu đều cho thấy rằng việc kết hợp ảnh radar và quang học làm tăng khả năng nhận biết các đối tƣợng trên bề mặt và là một phƣơng pháp có nhiều triển vọng. 1.2.2. Ở Việt Nam - Nghiên cứu công nghệ viễn thám trong theo d i diễn biến tài ngu ên rừng 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) [3]. Đó là một bƣớc tiến bộ kỹ thuật rất cơ bản, tạo điều kiện xây dựng các công cụ cần thiết để nâng cao chất lƣợng công tác điều tra rừng ở