Luận văn Thạc sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Sử dụng chỉ số viễn thám để giám sát và phát hiện mất rừng tại tỉnh Thừa Thiên Huế giai đoạn 2017- 2019

Chia sẻ: Diệp Nhất Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này nghiên cứu thực hiện nhằm cung cấp thêm cơ sở khoa học về ứng dụng tư liệu ảnh viễn thám và công nghệ GIS trong theo dõi, giám sát và phát hiện mất rừng tại Việt Nam. Đánh giá hiện trạng và thực trạng hoạt động quản lý tài nguyên rừng tại tỉnh Thừa Thiên Huế; Xác định và lựa một số chỉ số viễn thám trong theo dõi, giám sát mất rừng khu vực nghiên cứu. 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 Quản lý tài nguyên và môi trường: Sử dụng chỉ số viễn thám để giám sát và phát hiện mất rừng tại tỉnh Thừa Thiên Huế giai đoạn 2017- 2019

` GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VŨ VĂN THÁI SỬ DỤNG CHỈ SỐ VIỄN THÁM TRONG GIÁM SÁT VÀ PHÁT HIỆN MẤT RỪNG TẠI TỈNH THỪA THIÊN HUẾ GIAI ĐOẠN 2017 - 2020 CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG MÃ NGÀNH: 8850101 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HẢI HÒA Hà Nội - 2020
i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc 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. Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên cứu nào đã công bố, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và tuân thủ kết luận đánh giá luận văn của Hội đồng khoa học. Hà Nội, ngày 06 tháng 11 năm 2020 Người cam đoan Vũ Văn Thái
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình, sự đóng góp quý báu của nhiều cá nhân, tập thể giúp tôi hoàn thành tốt bài luận văn này. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo tại Trường Đại học Lâm nghiệp đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập của khóa Cao học 2018 - 2020; đặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hải Hòa đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành bản Luận văn này. Nhân dịp này, tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể lãnh đạo và các bộ các phòng chức năng, CCKL, các hạt Kiểm lâm trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập số liệu, mẫu khóa ảnh; nhóm nghiên cứu đề tài khoa học cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường “Nghiên cứu, xây dựng công cụ đánh giá chất lượng phổ của sản phẩm viễn thám quang học độ phân giải cao và siêu cao bằng mô hình toán học phục vụ công tác kiểm tra và nghiệm thu sản phẩm” mã số: TNMT.2017.08.03 đã hỗ trợ đánh giá chất lượng ảnh viễn thám đầu vào. Xin được cảm ơn lãnh đạo và đồng nghiệp thuộc Công ty TNHH Tư vấn và Phát triển Đồng Xanh đã tạo điều kiện về mặt thời gian và hỗ trợ phân tích, xử lý số liệu giúp tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Mặc dù bản thân đã rất nỗ lực nghiên cứu, nhưng do điều kiện tác nghiệp thực hiện đề tài trên địa bàn tương đối rộng, thời gian ngắn nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được ý kiến tham gia góp ý của các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp để bản Luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 06 tháng 11 năm 2020 Học viên Vũ Văn Thái
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................ii MỤC LỤC ....................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ SƠ ĐỒ ...............................................ix ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................ 3 1.1. Khái quát về vấn đề mất rừng........................................................................ 3 1.1.1. Khái niệm mất rừng ................................................................................. 3 1.1.2. Nguyên nhân mất rừng ............................................................................ 4 1.1.3. Tác hại của mất rừng .............................................................................. 6 1.1.4. Xu hướng khu vực mất rừng ................................................................... 8 1.2. Ứng dụng viễn thám trong phát hiện mất rừng ............................................ 9 1.2.1. Trên thế giới ............................................................................................. 9 1.2.2. Tại Việt Nam .......................................................................................... 13 1.2.3. Vấn đề nghiên cứu tại tỉnh Thừa Thiên Huế ........................................ 15 Chương 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU18 2.1. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 18 2.1.1. Mục tiêu tổng quát ................................................................................. 18 2.1.2. Mục tiêu cụ thể....................................................................................... 18 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................... 18 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................ 18 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 18 2.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 18 2.3.1. Đánh giá hiện trạng và thực trạng quản lý tài nguyên rừng tại tỉnh
iv Thừa Thiên Huế ............................................................................................... 19 2.3.2 Xác định và lựa chọn một số chỉ số viễn thám để theo dõi và giám sát mất rừng tại khu vực nghiên cứu .................................................................... 19 2.3.3. Đánh giá độ chính xác của các chỉ số viễn thám áp dụng trong theo dõi và giám sát mất rừng ................................................................................. 19 2.3.4. Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả theo dõi và giám sát mất rừng khu vực nghiên cứu .......................................................................................... 19 2.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 20 2.4.1. Phương pháp luận ................................................................................. 20 2.4.2. Phương pháp nghiên cứu cụ thể ........................................................... 21 Chương 3. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...........................................................................................................27 3.1. Điều kiện tự nhiên ........................................................................................ 27 3.1.1. Vị trí địa lý.............................................................................................. 27 3.1.2. Địa hình .................................................................................................. 29 3.1.3. Khí hậu ................................................................................................... 29 3.1.4. Thủy văn ................................................................................................. 32 3.1.5. Tài nguyên thiên nhiên .......................................................................... 33 3.2. Điều kiện kinh tế, xã hội .............................................................................. 39 3.2.1. Tăng trưởng kinh tế ............................................................................... 39 3.2.2. Tình hình phát triển các ngành, lĩnh vực ............................................. 39 3.2.3. Văn hóa, xã hội ...................................................................................... 41 Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................43 4.1. Thực trạng quản lý tài nguyên rừng tại tỉnh Thừa Thiên Huế................... 43 4.1.1. Tổ chức và hoạt động của lực lượng Kiểm lâm Thừa Thiên Huế ...... 43 4.1.2. Công tác ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS trong giám sát, phát hiện mất rừng ................................................................................................... 45 4.2. Lựa chọn chỉ số viễn thám để theo dõi và giám sát mất rừng ................... 46
v 4.2.1. Kết quả tiền xử lý ảnh viễn thám .......................................................... 46 4.2.2. Kết quả xác định ngưỡng giá trị có rừng và không có rừng của một số chỉ số viễn thám................................................................................................ 50 4.2.3. Xác định ngưỡng giá trị mất rừng dựa trên chỉ số viễn thám ............ 58 4.2.4. Kết quả xác định diện tích mất rừng và đánh giá độ chính xác của các chỉ số viễn thám áp dụng trong theo dõi và giám sát mất rừng.................... 60 4.3. Giải pháp nâng cao hiệu quả theo dõi và giám sát mất rừng khu vực nghiên cứu............................................................................................................ 67 4.3.1. Đề xuất các bước tính toán và sử dụng chỉ số viễn thám trong giám sát mất rừng...................................................................................................... 67 4.3.2. Đề xuất sử dụng chỉ số viễn thám trong theo dõi và giám sát mất rừng ........................................................................................................................... 69 4.3.3. Đề xuất việc xây dựng phần mềm phát hiện tự động mất rừng .......... 69 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................73 PHỤ LỤC
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Nghĩa đầy đủ 1 BQL Ban quản lý 2 BTTN Bảo tồn thiên nhiên 3 CCKL Chi cục Kiểm lâm 4 CHDCND Cộng hòa dân chủ nhân dân 5 COP Hội nghị các bên tham gia 6 CT Công ty 7 TSX Dự án Trường Sơn Xanh 8 ĐVHD Động vật hoang dã 9 FRMS Hệ thống theo dõi diễn biến rừng và đất lâm nghiệp 10 FRMS Phần mềm cập nhật dữ liệu diễn biến rừng và đất lâm mobile nghiệp trên thiết bị di động thông minh. 11 GEE Google Earth Engine 12 GIS Hệ thống thông tin địa lý 13 KBT Khu bảo tồn 14 KKR Kiểm kê rừng 15 PCCCR Phòng cháy, chữa cháy rừng 16 PTNT Phát triển nông thôn 17 Phần mềm mã nguồn mở sử dụng trong hệ thống thông QGIS tin địa lý 18 QLBVR Quản lý bảo vệ rừng 19 S2 Ảnh vệ tinh Sentinel-2 20 TNHH Trách nhiệm hữu hạn 21 TP Thành phố 22 TX Thị xã 23 UBND Uỷ ban nhân dân 24 Công ước khung của Liên hợp quốc về Biến đổi khí UNFCCC hậu 25 USAID Tổ chức phát triển Hoa Kỳ 26 VQG Vườn Quốc gia
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Bảng dữ liệu lượng mưa bình trong năm tại trạm quan trắc khí tượng đặt tại tỉnh Thừa Thiên Huế .................................................................. 31 Bảng 3.2. Diễn biến rừng hàng năm tỉnh Thừa Thiên Huế ............................. 38 Bảng 4.1. Số lượng biến chế Kiểm lâm Thừa Thiên Huế năm 2020 .............. 43 Bảng 4.2. Số lượng ảnh và tỷ lệ mây bình quân theo năm trong khoảng thời gian quan tâm của nghiên cứu ......................................................................... 47 Bảng 4.3. Thông tin về ảnh Sentinel-2 trong năm 2019 sử dụng trong nghiên cứu để tính các chỉ số NDVI, NBR, IRSI ....................................................... 48 Bảng 4.4. Giá trị NDVI trong 12 tháng của năm 2019 ................................... 51 Bảng 4.5. Bảng tính giá trị trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất và sai tiêu chuẩn của chỉ số NDVI của một số loại đất loại rừng ..................................................... 52 Bảng 4.6. Giá trị NBR trong 12 tháng của năm 2019 ..................................... 54 Bảng 4.7. Bảng tính giá trị trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất và sai tiêu chuẩn của chỉ số NBR của một số loại đất loại rừng ....................................................... 55 Bảng 4.8. Giá trị IRSI trong 12 tháng của năm 2019 ..................................... 56 Bảng 4.9. Bảng tính giá trị trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất và sai tiêu chuẩn của chỉ số IRSI của một số loại đất loại rừng ........................................................ 57 Bảng 4.10. Kết quả tính ngưỡng mất rừng đối với chỉ số NDVI .................... 59 Bảng 4.11. Kết quả tính ngưỡng mất rừng đối với chỉ số NBR ..................... 59 Bảng 4.12. Kết quả tính ngưỡng mất rừng đối với chỉ số IRSI ...................... 60 Bảng 4.13. Diện tích mất rừng được tính toán dựa trên các chỉ số viễn thám từ 2017 - 2020 tại tỉnh Thừa Thiên Huế .............................................................. 60 Bảng 4.14. Thống kê dữ liệu mất rừng từ 4/2017 – 5/2020 dựa trên các chỉ số viễn thám phân theo các loại rừng .................................................................. 63 Bảng 4.15. Thống kê số lượng mẫu và diện tích mẫu sử dụng trong nghiên cứu từ 2017 - 2019 .......................................................................................... 64
viii Bảng 4.16. Đánh giá độ chính xác về phát hiện điểm mất rừng ..................... 65 Bảng 4.17. Số điểm chỉ số lựa chọn phát hiện được điểm mất rừng mà hai chỉ số còn lại không phát hiện được...................................................................... 66 Bảng 4.18. Bảng so sánh diện tích chênh lệch giữa mẫu mất rừng và diện tích mất rừng từ ứng dụng các chỉ số tính ra.......................................................... 67
ix DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ VÀ SƠ ĐỒ Hình 3.1. Bản đồ hành chính tỉnh Thừa Thiên Huế ........................................ 28 Sơ đồ 4.1. Hoạt động bảo vệ rừng của Kiểm lâm Thừa Thiên Huế ............... 44 Sơ đồ 4.2. Sơ đồ cách tính toán để tìm ra lô mất rừng dựa vào ...................... 67 chỉ số NDVI .................................................................................................... 68 Sơ đồ 4.3. Sơ đồ cách tính toán để tìm ra lô mất rừng dựa vào chỉ số NBR .. 68 Sơ đồ 4.4. Sơ đồ cách tính toán để tìm ra lô mất rừng dựa vào chỉ số IRSI ... 69 Biểu đồ 4.1. Giá trị biến thiên của NDVI 12 tháng trong năm 2019………...51 Biểu đồ 4.2. Giá trị trung bình, giá trị tối đa, giá trị tối thiểu của chỉ số NDVI tính của một số loại đất loại rừng……………………………………………53 Biểu đồ 4.3. Giá trị biến thiên của NBR 12 tháng trong năm 2019………....54 Biểu đồ 4.4. Biểu đồ giá trị trung bình, giá trị tối đa, giá trị tối thiểu của chỉ số NBR tính của một số loại đất loại rừng………………………………..…….55 Biểu đồ 4.5. Giá trị biến thiên của IRSI 12 tháng trong năm 2019………….57 Biểu đồ 4.6. Biểu đồ giá trị trung bình, giá trị tối đa, giá trị tối thiểu của chỉ số IRSI tính của một số loại đất loại rừng…………………………..…………..58 Biểu đồ 4.7. Diện tích mất rừng của các huyện từ năm 2017 - 2020 ............. 62
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Rừng là tài nguyên quý giá và rất quan trọng trong việc cân bằng môi trường sinh thái. Rừng tự nhiên là nơi trú ẩn của các loài động vật, loài thực vật và là một yếu tố quan trọng để đánh giá mức độ phong phú của một hệ sinh thái trong một khu vực. Cũng như nhiều nước khác, Việt Nam là một trong những nước gánh chịu những hậu quả nặng nề của biến đổi khí hậu do quá trình phát triển kinh tế của con người và vấn nạn phá rừng. Theo kết quả công bố hiện trạng rừng năm 2019 của Bộ NN&PTNT, độ che phủ rừng toàn quốc là 41,89%. Thống kê của Tổng cục Lâm nghiệp, từ năm 2012 - 2017, diện tích rừng tự nhiên đã bị mất do chặt phá rừng trái phép chiếm 11%, 89% còn lại là do chuyển mục đích sử dụng rừng tại những dự án được duyệt. Năm 2019, riêng phá rừng phát hiện là 1.179 vụ (tăng 16% so với năm 2018) [4]. Đề có những giải pháp xử lý ngắn chặn đúng lúc thì cần phải có những biện pháp phát hiện kịp thời. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các vệ tinh của các quốc gia lớn đã được phóng lên để phục vụ theo dõi Trái đất nói chung, trong đó có việc ứng dụng để theo dõi và giám sát tài nguyên rừng nói riêng. Ảnh vệ tinh Sentinel-2 được cơ quan hàng không vũ trụ Châu Âu phát triển, bao gồm 2 vệ tinh tinh Sentinel 2A và Sentinel 2B lần lượt được phóng lên vào ngày 30/6/2015 và 07/3/2017. Ảnh vệ tinh Sentinel-2 với độ phân giải 10m, chu kỳ lặp lại khi cả 2 vệ tinh kết hợp là 5 ngày và được phép sử dụng miễn phí. Sự phát triển này có ý nghĩa quan trọng khi ứng dụng vào giám sát tài nguyên rừng, đặc biệt là việc phát hiện sớm mất rừng trong lĩnh vực Lâm nghiệp. Thừa Thiên Huế là một trong những tỉnh có diện tích đất có rừng rộng lớn với 228.334,37 ha, độ che phủ rừng 57,37% theo kết quả công bố hiện trạng rừng năm 2019 của UBND tỉnh Thừa Thiên Huế [23]. Với vị trí địa lý là tỉnh cuối cùng của khu vực Bắc Trung Bộ với địa hình đa dạng kéo dài từ dãy
2 núi trường sơn kéo đến tận biển, do đó công tác tuần tra bảo vệ rừng, giám sát tài nguyên rừng của lực lượng bảo vệ rừng tại địa phương đang gặp nhiều khó khăn. Cũng theo kết quả công bố hiện trạng rừng năm 2019 [23], tỉnh Thừa Thiên Huế có diễn biến tăng giảm diện tích rừng năm 2019 là 8.450,90 ha, trong đó khai thác rừng trồng năm 2019 là 5.409,33 ha, cháy rừng là 226,58 ha, phá rừng trái phép là 10,35 ha, sạt lở là 11,26 ha và nguyên nhân khác là 2.793,38 ha (rừng tự nhiên giảm 2.239,26 ha, rừng trồng giảm 554,12 ha). Với lực lượng Kiểm lâm và các lực lượng có liên quan tham gia quản lý, bảo vệ rừng còn thiếu và gặp nhiều khó khăn do địa bàn rộng lớn và địa hình hiểm trở. Do đó, việc ứng dụng tư liệu viễn thám để theo dõi và phát hiện mất rừng có ý nghĩa rất lớn cho tỉnh Thừa Thiên Huế. Trong phạm vi của luận văn, nghiên cứu được thực hiện với chủ đề “Sử dụng chỉ số viễn thám để giám sát và phát hiện mất rừng tại tỉnh Thừa Thiên Huế giai đoạn 2017- 2019”. Kết quả của nghiên cứu sẽ xác định các ngưỡng chỉ số viễn thám tin cậy giúp ích cho việc phát hiện mất rừng nhằm hỗ trợ các lực lượng chức năng có biện pháp ngăn chặn kịp thời, qua đó tiết kiệm sức lực của con người và góp phần tăng cường hiệu quả của công tác quản lý bảo vệ rừng và bảo tồn đa dạng sinh học của tỉnh thuộc Trung Trường Sơn Việt Nam.
3 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Khái quát về vấn đề mất rừng 1.1.1. Khái niệm mất rừng Phần lớn các định nghĩa mô tả mất rừng (Deforestation) như là việc chuyển đổi lâu dài hoặc vĩnh viễn từ đất có rừng sang không còn rừng. Trong một phụ lục của một quyết định của COP/UNFCCC, mất rừng được định nghĩa là ‘‘Sự chuyển đổi do tác động trực tiếp của con người từ đất rừng thành đất không có rừng”. Theo Quỹ Nông lương Liên hợp quốc (FAO) định nghĩa mất rừng là ‘‘Sự chuyển đổi rừng sang các trạng thái sử dụng khác nhau hoặc là sự giảm thiểu dài hạn độ che phủ của cây rừng xuống dưới mức ngưỡng tối thiểu 10%”. Những định nghĩa này chỉ quy định đối với các khu vực có diện tích tối thiểu (FAO: 0,5 ha) và chiều cao cây tối thiểu (FAO: 5 m tại chỗ), và hoạt động nông nghiệp không phải là hình sử dụng (đất) chủ yếu. Nhưng các định nghĩa về độ che phủ tối thiểu, chiều cao cây và diện tích giữa các quốc gia lại khác nhau [8, 21]. Mất rừng là nguồn phát thải khí nhà kính lớn thứ hai sau việc đốt nhiên liệu hóa thạch [39]. Mất rừng được định nghĩa là việc chặt phá rừng và sau đó chuyển sang sử dụng đất khác và xảy ra khi tất cả các cây che phủ của một khu vực bị loại bỏ. Việc chặt phá rừng gây ra sự thay đổi sử dụng đất đột ngột và thường gây ra lượng khí thải carbon lớn hơn trên mỗi ha rừng. Mất rừng là việc chặt bỏ cây cối vĩnh viễn để nhường chỗ cho một thứ ngoài rừng. Khái niệm này có thể bao gồm việc dọn sạch đất để làm nông nghiệp hoặc chăn thả gia súc hoặc sử dụng gỗ làm nhiên liệu, xây dựng hoặc sản xuất [32]. Mất rừng đề cập đến sự giảm sút diện tích rừng trên toàn thế giới bị mất cho các mục đích sử dụng khác như đất trồng trọt nông nghiệp, đô thị hóa
4 hoặc các hoạt động khai thác. Các hoạt động của con người được thúc đẩy nhanh chóng kể từ năm 1960, nạn phá rừng đã và đang ảnh hưởng tiêu cực đến các hệ sinh thái tự nhiên, đa dạng sinh học và khí hậu. Tổ chức Nông lương Liên hợp quốc ước tính tỷ lệ phá rừng hàng năm là khoảng 1,3 triệu km2 mỗi thập kỷ [40]. Tại Việt Nam, hiện chưa có văn bản thống nhất và định nghĩa về khái niệm mất rừng. Luật lâm nghiệp năm 2017 [17], chỉ có khái niệm về suy thoái rừng là sự suy giảm về hệ sinh thái rừng, làm giảm chức năng rừng tại điểm 31, điều 2, chương I. Tuy nhiên tại điểm 3 điều này có định nghĩa rừng: "Rừng là một hệ sinh thái bao gồm các loài thực vật rừng, động vật rừng, nấm, vi sinh vật, đất rừng và các yếu tố môi trường khác, trong đó thành phần chính là một hoặc một số loài cây thân gỗ, tre, nứa, cây họ cau có chiều cao được xác định theo hệ thực vật trên núi đất, núi đá, đất ngập nước, đất cát hoặc hệ thực vật đặc trưng khác; diện tích liên vùng từ 0,3 ha trở lên; độ tàn che từ 0,1 trở lên". Như vậy, có thể hiệu ngược lại, mất rừng sẽ là trạng thái ngược lại của rừng tức là không còn tồn tại của thực vật, diện tích liên vùng nhỏ hơn 0,3 ha và độ tàn che dưới 0,1 ha. Trong khuôn khổ của nghiên cứu này sử dụng khái niệm mất rừng là việc chuyển trạng thái đất có rừng (rừng trồng và rừng tự nhiên) từ trạng thái có rừng chuyển sang trạng thái đất trống. 1.1.2. Nguyên nhân mất rừng Mất rừng có thể do nhiều yếu tố gây ra, có thể do con người hoặc nguồn gốc tự nhiên, gây ra nạn phá rừng. Các yếu tố tự nhiên bao gồm cháy rừng tự nhiên hoặc các bệnh do ký sinh trùng gây ra có thể dẫn đến phá rừng. Tuy nhiên, các hoạt động của con người là một trong những nguyên nhân chính gây ra nạn phá rừng toàn cầu. Theo Tổ chức Nông lương (FAO), việc mở rộng nông nghiệp gây ra gần 80% nạn phá rừng trên toàn cầu, với việc xây dựng các cơ sở hạ tầng như đường sá hay đập nước, cùng với các hoạt động khai thác và đô thị hóa, là nguyên nhân còn lại của nạn phá rừng.
5 a. Nông nghiệp Có thể nói nông nghiệp là nguyên nhân chính dẫn đến việc mất rừng. Theo FAO, nông nghiệp gây ra khoảng 80% nạn phá rừng; thậm chí 33% nạn phá rừng do nông nghiệp gây ra là hậu quả của nông nghiệp tự cung tự cấp - chẳng hạn như nông nghiệp nông dân địa phương ở các nước đang phát triển [40]. Nông nghiệp thương mại hoặc công nghiệp (trồng trọt và chăn nuôi) gây ra khoảng 40% diện tích rừng bị mất - do tìm kiếm không gian để trồng thực phẩm, sợi hoặc nhiên liệu sinh học (như đậu nành, dầu cọ, thịt bò, gạo, ngô, bông và mía). Cũng đặc biệt thú vị khi lưu ý rằng vật nuôi được cho là nguyên nhân gây ra khoảng 14% nạn phá rừng toàn cầu. Những lý do chính khiến diện tích đất rộng lớn đòi hỏi phải vừa chăn nuôi vừa trồng thực phẩm. b. Xây dựng Việc xây dựng cơ sở hạ tầng của con người cũng là nguyên nhân dẫn đến nạn phá rừng. Cụ thể hơn, 10% vụ phá rừng có thể là do các cơ sở hạ tầng mới phục vụ lối sống hiện tại của con người theo 4 cách chính: giao thông vận tải, chuyển đổi và tạo ra năng lượng [40]. Một mặt, các con đường, đường ray, bến cảng hoặc sân bay đã được xây dựng để chuyển tất cả các loại hàng hóa - từ ngũ cốc và trái cây đến gia vị, khoáng chất hoặc nhiên liệu hóa thạch - trực tiếp đến các trung tâm thương mại hoặc đến các địa điểm chuyển đổi. Vì vậy, ban đầu chỉ có cây ăn quả, nhưng đã sớm có đường xá cho phép vận chuyển trái cây đi các vùng khác. Và trong khi một số hàng hóa đã được và được thu gom thủ công, những loại khác như than, dầu, khí đốt tự nhiên, sinh khối, nhưng cũng như thịt, sữa hoặc rượu mạnh, đòi hỏi phải xây dựng các cơ sở hạ tầng khai thác, vận chuyển. c. Đô thị hóa Sự chuyển dịch dân cư đang khiến người dân chuyển từ nông thôn ra thành thị cũng góp phần vào nạn phá rừng (5%, theo FAO). Sự tăng trưởng đô
6 thị này - trong đó 68% dân số thế giới dự kiến sẽ sống ở các thành phố vào năm 2050 - đang dẫn đến sự tăng trưởng theo cấp số nhân của các địa điểm tiêu dùng và nhà ở [40]. Và khi các thành phố trở nên lớn hơn để có thể chứa nhiều người hơn, chúng thách thức các ranh giới tự nhiên xung quanh chúng, thường dẫn đến nạn phá rừng. Đây là một trong những nguyên nhân khiến nạn phá rừng diễn ra. d. Cháy rừng Các đám cháy tự nhiên trong các khu rừng nhiệt đới có xu hướng hiếm nhưng dữ dội. Các đám cháy do con người đốt thường được sử dụng để giải phóng đất đai để sử dụng trong nông nghiệp. Đầu tiên, gỗ có giá trị được khai thác, sau đó phần thực vật còn lại bị đốt cháy để nhường chỗ cho các loại cây trồng như đậu nành hoặc chăn thả gia súc. Năm 2019, số vụ cháy do con người gây ra đã tăng vọt. Tính đến tháng 8 năm 2019, hơn 80.000 đám cháy đã bùng cháy ở Amazon, tăng gần 80% so với năm 2018 [39]. 1.1.3. Tác hại của mất rừng Mất rừng gây ra nhiều hậu quả cho các hệ sinh thái tự nhiên và nó đặt ra những vấn đề nghiêm trọng đối với khả năng phục hồi của không chỉ mỗi quốc gia mà còn của cả hành tinh chúng ta. a. Ảnh hưởng của mất rừng đến đa dạng sinh học Hậu quả được biết đến nhiều nhất của việc mất rừng là đe dọa đa dạng sinh học. Trên thực tế, rừng đại diện cho một số trung tâm đa dạng sinh học thực sự nhất. Từ động vật có vú đến chim, côn trùng, động vật lưỡng cư hay thực vật, rừng là nơi cư trú của nhiều loài quý hiếm và mong manh. Lưu ý rằng 80% động vật và thực vật trên cạn sống trong rừng [40]. Với việc phá hủy các khu rừng, các hoạt động của con người đang đặt toàn bộ hệ sinh thái vào tình trạng nguy hiểm, tạo ra sự mất cân bằng tự nhiên và khiến sự sống bị đe dọa. Thế giới tự nhiên rất phức tạp, liên kết với nhau và được tạo thành từ hàng nghìn yếu tố phụ thuộc lẫn nhau và trong số các
7 chức năng khác, cây cối cung cấp bóng râm và nhiệt độ lạnh hơn cho động vật và các cây nhỏ hơn hoặc thảm thực vật có thể không tồn tại được với sức nóng của ánh sáng mặt trời trực tiếp. Bên cạnh đó, cây cối cũng cho động vật ăn trái cây trong khi cung cấp thức ăn và nơi ở cần thiết để chúng tồn tại. b. Ảnh hưởng của mất rừng đến sinh kế Rừng khỏe mạnh hỗ trợ sinh kế của 1,6 tỷ người trên toàn cầu, một tỷ người trong số họ thuộc nhóm nghèo nhất thế giới. Điều này có nghĩa là có rất nhiều người phụ thuộc vào rừng để sinh tồn và sử dụng chúng để săn bắt và hái lượm các sản phẩm thô cho quá trình nông nghiệp quy mô nhỏ của họ. Nhưng ở các nước đang phát triển như Indonesia, Việt Nam, Brazil hoặc Mexico, hệ thống quản lý đất đai còn nhiều hạn chế đã vô tình cho phép các doanh nghiệp lớn có được những khu đất này và sử dụng chúng cho các mục đích khác, làm gián đoạn và ảnh hưởng không nhỏ cuộc sống của người dân địa phương. Điều này dẫn đến việc người dân địa phương sau đó phải thực hiện một trong hai lựa chọn. Họ có thể quyết định từ bỏ mảnh đất “của mình” và di cư đến một nơi khác, tránh xung đột và chấp nhận thách thức của một cuộc sống mới khác. Hoặc họ có thể ở lại và làm việc cho các công ty khai thác trong những đồn điền - thường bị trả lương không công bằng và làm việc trong những điều kiện vô nhân đạo. Ở một số quốc gia như Mexico, chủ sở hữu đồn điền thường bị buộc phải chia sẻ lợi nhuận của họ với các tập đoàn địa phương để giữ cho họ tồn tại và tránh bị đốt cháy hoa màu [40]. c. Ảnh hưởng của mất rừng đến an toàn lương thực Mất rừng làm lương thực có thể dẫn đến mất an ninh lương thực trong tương lai. Ngày nay, 52% diện tích đất được sử dụng để sản xuất lương thực bị tác động vừa phải hoặc nghiêm trọng bởi xói mòn đất [40]. Về lâu dài, đất thiếu dinh dưỡng, trong lành có thể dẫn đến năng suất thấp và mất an toàn vệ sinh thực phẩm.
8 d. Ảnh hưởng của mất rừng đến xói lở đất Mất rừng làm suy yếu và thoái hóa đất. Đất rừng thường không chỉ giàu chất hữu cơ hơn mà còn có khả năng chống xói mòn, thời tiết xấu và các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt hơn. Điều này xảy ra chủ yếu là do rễ cây giúp cố định cây trong đất và cây che nắng giúp đất khô từ từ. Do đó, việc mất rừng có thể đồng nghĩa với việc đất ngày càng trở nên mỏng manh, khiến khu vực này dễ bị ảnh hưởng bởi các thảm họa thiên nhiên như lở đất và lũ lụt. e. Ảnh hưởng của mất rừng đến biến đổi khí hậu Mất rừng cũng góp phần rất lớn vào biến đổi khí hậu. Cây cối hấp thụ và lưu trữ CO2 trong suốt cuộc đời của chúng, nếu nói về rừng nhiệt đới, chúng chứa hơn 210 gigatons carbon. Và điều đáng lo ngại là việc phá hủy những cây rừng có hai tác dụng phụ tiêu cực lớn. Thứ nhất, chặt cây có nghĩa là chúng sẽ thải CO2 trở lại bầu khí quyển mà chúng đang giữ. Thứ hai, ít cây hơn đồng nghĩa với việc giảm khả năng thu nhận và lưu trữ CO2 nói chung của hành tinh. Cả hai tác động này đều góp phần tiêu cực vào hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Trên thực tế, trong khi lương thực và nông nghiệp chiếm 24% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, mất rừng được ước tính là nguyên nhân gây ra 10-15% tổng lượng khí thải CO2 do con người gây ra [39]. 1.1.4. Xu hướng khu vực mất rừng Tổ chức Nông lương Liên hợp quốc (FAO) ước tính tỷ lệ mất rừng hàng năm là khoảng 1,3 triệu km vuông mỗi thập kỷ, mặc dù tốc độ này đã chậm lại ở một số nơi vào đầu thế kỷ 21 do các hoạt động quản lý rừng được tăng cường và thiết lập các khu vực bảo tồn thiên nhiên [38]. Trên khắp thế giới, mất rừng xảy ra hầu hết ở các vùng nhiệt đới, nơi có nhiều loại rừng khác nhau: từ rừng mưa ẩm ướt đến rừng nhiệt đới khác rụng lá vào mùa khô và trở thành rừng cây. Bởi vì ranh giới giữa các loại rừng này là tùy ý và không rõ ràng, các ước tính khác nhau về mức độ phá rừng đã xảy ra ở vùng nhiệt đới [38].
9 Một số nơi trên thế giới đã quản lý để bảo vệ rừng của họ khỏi nạn phá rừng trong khi những nơi khác thì diện tích rừng của họ bị suy giảm. Theo báo cáo của FAO, 6 triệu ha đất đã bị mất từ rừng sang nông nghiệp kể từ năm 1990 trong miền nhiệt đới. Những thay đổi này khác nhau đáng kể nhưng có 3 ví dụ quan trọng trên toàn thế giới về nạn phá rừng: rừng nhiệt đới Amazon, Indonesia và Borneo, và Châu Phi [40]. 1.2. Ứng dụng viễn thám trong phát hiện mất rừng 1.2.1. Trên thế giới Việc sử dụng các chỉ số viễn thám trong phát hiện mất rừng trên thế giới đã được tiến hành cách đây rất nhiều năm, có rất nhiều nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều phương pháp và ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực phát hiện sớm mất rừng và đưa ra cảnh báo đến giờ thế giới vẫn đang sử dụng. Tùy ở mỗi nước trong mỗi giai đoạn cụ thể có những phương pháp và hệ thống phát hiện sớm mất rừng, cảnh báo mất rừng cháy rừng khác nhau, song nhìn chung các phương pháp và hệ thống này đều dựa trên cơ sở mối quan hệ giữa sự thay đổi của các chỉ số viễn thám giữa hai thời kỳ để tìm ra sự thay đổi lớp phủ thực vật, từ đó phát hiện ra những khu vực rừng bị mất. Lu và các cộng sự (2016) [34], đã sử dụng ảnh MODIS đa thời gian để phát hiện mất rừng. Nghiên cứu này minh họa việc phát hiện các điểm ngắt trong chuỗi dữ liệu ảnh MODIS đa thời gian về sự thay đổi lớp phủ mặt đất ở vùng Amazon của Brazil bằng cách sử dụng khung phát hiện thay đổi BFAST (Breaks For Additive Season and Trend). BFAST bao gồm Quy trình biến động theo kinh nghiệm (EFP) để cảnh báo sự thay đổi và quy trình định vị thời gian điểm thay đổi. Kết quả thu được cho thấy BFAST là một cách tiếp cận mạnh mẽ chống lại mối tương quan không gian và thời gian nhẹ, sử dụng các mảng để dễ dàng quy trình mô hình hóa sự thay đổi không gian - thời gian và hướng tới phân tích có thể lan truyền và mở rộng. Và khả năng áp dụng phương pháp này trong phát hiện mất rừng là rất khả quan, đặc biệt là những vùng rừng rậm.
10 Watanabe và các cộng sự (2017) [33], đã phát triển thuật toán phát hiện sớm mất rừng với bằng việc sử dụng chuỗi dữ liệu PALSAR-2/ScanSAR và dữ liệu ảnh Landsat để kiểm tra sự khác biệt và tìm ra các khu vực rừng bị phá. Dựa trên cảm biến quang học (Landsat) thông tin về phá rừng được thực hiện khoảng 16 ngày một lần và dữ liệu SAR lấy khoảng 1,5 tháng một lần. Kết quả của nghiên cứu đã được phát hành trên hệ thống web và có thể truy cập miễn phí từ trình duyệt của các thiết bị máy tính, hoặc thiết bị di động thông minh. Hệ thống này dựa trên dữ liệu giám sát tình trạng mất rừng và sự thay đổi rừng ở các vùng nhiệt đới, bao gồm hơn 61 quốc gia. Saleh và các cộng sự (2019) [36], đã mô tả thuật toán phát hiện mất rừng, suy thoái rừng bằng cách sử dụng sử dụng chỉ số thực vật trên ảnh vệ tinh có độ phân giải cao đối với hệ sinh thái rừng ngập mặn và đầm lầy. Ảnh vệ tinh SPOT 4, 5 và 6 được sử dụng trong các năm 2007, 2012 và 2014 được chuyển đổi thành ba chỉ số thực vật là: i) Chỉ số khác biệt thực vật (NDVI: Normalised Difference Vegetation Index), ii) Chỉ số diệp lục trong khác biệt thực vật (GNDVI: Green-Normalized Difference Vegetation index) và Chỉ số khác biệt xanh và đỏ trong thực vật (NRGI:Normalized Green-Red Vegetation Index). Nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp tính toán ba chỉ số nêu trên dựa giá trị trên các pixel ảnh từ đó tìm ra ngưỡng để tách các vùng nước, đất trống, bóng mây và thảm thực vật. Nghiên cứu đã kết luận việc sử dụng chỉ số NDVI và GNDVI đã phát hiện tốt các điểm mất rừng, trong khi đó việc phát hiện suy thoái rừng sẽ phát hiện tốt hơn khi sử dụng chỉ số NRGI. Reinisch và các cộng sự (2020) [27], đã sử dụng kết hợp ảnh đa phổ với ảnh Radar để phát hiện khu vực bị mất rừng ở Valles Caldera thuộc dãy núi Jamez phía Bắc của New Mexico. Nhóm tác giả đã thử các tổ hợp Radar và đa phổ khác nhau và chỉ ra rằng ảnh giao thoa giữa Radar và NDVI làm nổi bật mối quan hệ bất thường trong vùng rừng bị mất. Sau đó nhóm tác giả thực hiện các phép so sánh giữa phản xạ phổ trên ảnh đa phổ và tán xạ ngược trên