Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh radar trong xác định sinh khối rừng tỉnh hòa bình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
********

Trần Tuấn Ngọc

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH RADAR
TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TỈNH HỊA BÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
********

Trần Tuấn Ngọc

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH RADAR
TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TỈNH HỊA BÌNH

Chun ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 62440214

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. Phạm Văn Cự

2. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận án

Trần Tuấn Ngọc


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đối với PGS. TS. Phạm Văn Cự,
người đã kiên trì và tận tâm giúp đỡ tơi từ việc hồn thiện đề cương tới thực
hiện các nội dung và viết báo cáo luận án. Tơi cũng bày tỏ lịng biết ơn sâu
sắc đối với PGS. TS. Nguyễn Ngọc Thạch, người đã nhiệt tình giúp đỡ tơi và
có những hướng dẫn q báu giúp tơi hồn thành luận án.
Xin cám ơn các thày, cô trong Bộ môn Bản đồ Viễn thám, Ban lãnh đạo
Khoa Địa lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong việc thực hiện Luận án.
Xin trân trọng cám ơn lãnh đạo Trung tâm Viễn thám quốc gia đã tạo
điều kiện để tơi có thể thực hiện Luận án.
Cám ơn các đồng nghiệp Ths. Nguyễn Thanh Nga, Ths. Nguyễn Viết
Lương, TS. Nguyễn Phú Hùng, trong việc chia sẻ dữ liệu, kiến thức về rừng
và xác định sinh khối rừng bằng ảnh RADAR.
Tôi đặc biệt cảm ơn TS. Lê Tồn Thủy về những giúp đỡ tận tình trong

ứng dụng dữ liệu viễn thám RADAR tính sinh khối rừng trên mặt đất.
Cuối cùng xin cám ơn vợ và hai con đã luôn đồng hành và chia sẻ cùng
tôi trong quá trình thực hiên Luận án.

Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả luận án

Trần Tuấn Ngọc

năm 2015



MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 10
1. Tính cấp thiết ...................................................................................... 10
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu...................................................... 12
3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 13
4. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 13
5. Điểm mới của Luận án ....................................................................... 14
6. Luận điểm bảo vệ ............................................................................... 14
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ....................... 15
CHƯƠNG I: SINH KHỐI RỪNG VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM
TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TRÊN MẶT ĐẤT ................ 16
1.1. Sinh khối thực vật............................................................................... 16

1.1.1. Khái niệm sinh khối thực vật.............................................................. 17
1.1.2. Lượng hóa sinh khối cá thể thực vật ................................................... 19
1.2. Rừng Việt Nam và công tác kiểm kê rừng tại Việt Nam .................. 21
1.2.1. Một số định nghĩa về rừng ................................................................. 21
1.2.2. Tổng quan rừng Việt Nam.................................................................. 22
1.2.3. Công tác kiểm kê rừng ở Việt Nam .................................................... 27
1.2.4. Một số nhận xét về đặc điểm rừng Việt Nam ..................................... 30
1.3. Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định
sinh khối rừng ..................................................................................... 31
1.3.1. Nghiên cứu, ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối rừng
trên thế giới ........................................................................................ 31
1.3.1.1. Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám quang
học ..................................................................................................... 31
1.3.1.2. Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám lidar ........... 34
1.3.1.3. Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám
RADAR ............................................................................................. 35
1


1.3.2. Một số nghiên cứu xác định sinh khối rừng ở Việt Nam và
Hịa Bình ............................................................................................. 44
1.3.2.1. Các cơng trình nghiên cứu liên quan đến sinh khối rừng ........................... 44
1.3.2.2. Ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu sinh khối rừng............................... 46

1.4. Phân tích lựa chọn phương pháp tính sinh khối trên mặt đất
của lớp phủ rừng ở Việt Nam ............................................................ 48
1.5. Tiểu kết chương .................................................................................. 51
CHƯƠNG II: CƠ CHẾ THU NHẬN THÔNG TIN RADAR VÀ
CÁC NHÂN TỐ TỰ NHIÊN ẢNH HƯỞNG TỚI THUỘC TÍNH
ẢNH RADAR Ở TỈNH HỒ BÌNH ......................................................... 53

2.1 Cơ sở vật lý sử dụng giá trị tán xạ ngược trên ảnh viễn thám
RADAR trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất ....................... 53
2.1.1. Viễn thám RADAR ............................................................................ 53
2.1.2. Cơ sở vật lý của ứng dụng viễn thám RADAR trong xác định
sinh khối rừng .................................................................................... 56
2.2. Đặc điểm và sự ảnh hưởng của địa hình tỉnh Hịa Bình tới thuộc
tính của ảnh RADAR ......................................................................... 57
2.2.1. Địa hình tỉnh Hịa Bình ...................................................................... 58
2.2.2. Ảnh hưởng của địa hình tới thuộc tính hình học ảnh RADAR............ 59
2.2.3. Ảnh hưởng của địa hình tới tán xạ RADAR ....................................... 60
2.3. Tương tác của RADAR với đặc điểm sinh thái rừng tỉnh
Hòa Bình ............................................................................................. 63
2.3.1. Đặc điểm sinh thái rừng tỉnh Hịa Bình .............................................. 63
2.3.1.1. Phân bố rừng tỉnh Hịa Bình theo vành đai độ cao..................................... 64
2.3.1.2. Phân loại rừng tỉnh Hòa Bình .................................................................... 69

2.3.2. Tương tác của RADAR với lớp phủ thực vật rừng tỉnh Hịa
Bình ................................................................................................... 72
2.3.2.1. Tương tác của RADAR với lớp phủ thực vật rừng. ................................... 72
2.3.2.2. Tương tác của RADAR với đặc trưng rừng tỉnh Hịa Bình ........................ 75

2.4. Tiểu kết chương ................................................................................... 80
CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM TÍNH SINH KHỐI RỪNG TRÊN
2


MẶT ĐẤT TỈNH HỊA BÌNH BẰNG DỮ LIỆU ENVISAT ASAR
VÀ ALOS PALSAR ................................................................................... 83
3.1. Dữ liệu sử dụng ................................................................................... 83
3.1.1. Dữ liệu ảnh ........................................................................................ 83

3.1.1.1. Dữ liệu ảnh ENVISAT ASAR .................................................................. 83
3.1.1.2. Dữ liệu ảnh ALOS PALSAR .................................................................... 86

3.1.2. Dữ liệu ô tiêu chuẩn ........................................................................... 88
3.1.3. Dữ liệu bản đồ hiện trạng rừng........................................................... 94
3.2. Các bước tính sinh khối rừng ............................................................ 96
3.2.1. Kiểm định ảnh (calibration) ............................................................... 97
3.2.1.1. Kiểm định ảnh ENVISAT ASAR APP ..................................................... 97
3.2.1.2. Kiểm định ảnh ALOS PALSAR ............................................................... 98

3.2.2. Xử lý hình học ảnh ........................................................................... 101
3.2.3. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình tới tán xạ trên ảnh RADAR ...... 102
3.2.4. Đo giá trị tán xạ trên ảnh tại vị trí các ơ tiêu chuẩn .......................... 104
3.2.4.1. Đo giá trị tán xạ ngược trên ảnh .............................................................. 104
3.2.4.2. Phân tích quan hệ giữa giá trị tán xạ ngược trên ảnh và sinh khối rừng
trên mặt đất ............................................................................................. 106

3.2.5. Thiết lập hàm tương quan ................................................................ 109
3.2.6. Tính sinh khối .................................................................................. 109
3.2.7. Đánh giá kết quả tính sinh khối ........................................................ 109
3.3. Tính tốn hồi quy giữa kết quả đo sinh khối ô tiêu chuẩn và giá
trị tán xạ ngược tại các vị trí tương ứng trên ảnh .......................... 110
3.3.1 Tính tốn hồi quy đối với sinh khối rừng tồn tỉnh Hịa Bình........... 110
3.3.1.1. Ơ tiêu chuẩn sử dụng để tính tốn hồi quy .............................................. 110

3.3.1.2. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ENVISAT ASAR ...................... 114
3.3.1.3. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ALOS PALSAR........................ 118
3.3.2 Hồi quy sinh khối rừng tự nhiên....................................................... 121
3.3.2.1. Ô tiêu chuẩn sử dụng .............................................................................. 121
3.3.2.2. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ENVISAT ASAR .................................. 124

3.3.2.3. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ALOS PALSAR .................................... 125

3.3.3 Hồi quy sinh khối rừng trồng ........................................................... 125
3.3.3.1. Ô tiêu chuẩn sử dụng .............................................................................. 125

3


3.3.3.2. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ENVISAT ASAR .................................. 128
3.3.3.3. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ALOS PALSAR .................................... 129

3.4. Đánh giá quan hệ giữa sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh
Hịa Bình và tán xạ ngược trên ảnh RADAR .................................. 130
3.5. Kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất bằng ảnh RADAR........ 133
3.6. Đánh giá kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh
Hịa Bình bằng dữ liệu viễn thám RADAR ..................................... 135
3.6.1. Đánh giá độ chính xác kết quả tính sinh khối ................................... 135
3.6.2. Đánh giá kết quả tính sinh khối theo bản đồ rừng............................. 143
3.7. Tiềm năng ứng dụng giá trị tán xạ ảnh RADAR trong xác định
sinh khối rừng trên mặt đất ở Việt Nam ......................................... 146
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 151
Kết luận..................................................................................................... 151
Kiến nghị................................................................................................... 152
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................ 154
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 155
PHỤ LỤC 1 : KẾT QUẢ ĐO TÁN XẠ NGƯỢC TẠI VỊ TRÍ Ơ
TIÊU CHUẨN TRÊN ẢNH ALOS PALSAR ......................................... 165
PHỤ LỤC 2 : KẾT QUẢ ĐO TÁN XẠ NGƯỢC TẠI VỊ TRÍ Ơ
TIÊU CHUẨN TRÊN ẢNH ENVISAT ASAR ....................................... 168

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Các thành phần sinh khối của thực vật ......................................... 18
Hình 2. 1: Dải phổ sóng điện từ .................................................................... 53
Hình 2. 2: Ngun lý chụp ảnh RADAR qt nghiêng ................................ 55
Hình 2. 3: Mơ hình số độ cao tỉnh Hịa Bình ............................................... 58
Hình 2. 4: Biến dạng ảnh RADAR do địa hình ............................................ 59
Hình 2. 5: Nắn chỉnh hình học ảnh RADAR................................................ 60
Hình 2. 6: Ảnh hưởng của địa hình đến tán xạ RADAR .............................. 61
Hình 2. 7: Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến tán xạ RADAR ............. 62
Hình 2. 8: Ảnh ASAR phia Tây Nam tỉnh Hịa Bình ................................... 63
Hình 2. 9: Bản đồ thổ nhưỡng tỉnh Hịa Bình .............................................. 64
Hình 2. 10: Rừng Tịng Đậu, Mai Châu, Hịa Bình ...................................... 65
Hình 2. 11: Rừng trồng tỉnh Hịa Bình.......................................................... 66
Hình 2. 12: Rừng trên núi đá vơi Đồng Chum, Đà Bắc, Hịa Bình ................ 68
Hình 2. 13: Thống kê rừng trồng trên địa bàn tỉnh Hịa Bình ........................ 71
Hình 2. 14: Tán xạ RADAR của lớp phủ thực vật rừng ................................ 72
Hình 2. 15: Tán xạ RADAR và thực vật ....................................................... 75
Hình 2. 16: Tương tác của RADAR với lớp phủ thực vật rừng tỉnh
Hịa Bình ...................................................................................... 77
Hình 2. 17: Ơ tiêu chuẩn số 53 (sinh khối 15 tấn/ha) .................................... 78
Hình 2. 18: Rừng tại ơ tiêu chuẩn 83 ............................................................ 79
Hình 2. 19: Ô tiêu chuẩn 63 sinh khối (26 tấn/ha) ........................................ 80
Hình 3. 1: Ảnh ASAR tỉnh Hịa Bình ........................................................... 84
Hình 3. 2: Sơ đồ ảnh ENVISAT-ASAR sử dụng trong thực nghiệm
tính sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hịa Bình ............................. 85
Hình 3. 3: Ảnh ALOS PALSAR khu vực tỉnh Hịa Bình .............................. 88

Hình 3. 4: Đo cao cây bằng sào gỗ và thước Blume-leiss ............................. 90
Hình 3. 5: Khảo sát thực địa rừng tỉnh Hịa Bình .......................................... 91
Hình 3. 6: Sơ đồ các ô tiêu chuẩn được đo tại tỉnh Hịa Bình........................ 92
Hình 3. 7: Bản đồ phân loại rừng tỉnh Hịa Bình........................................... 95
Hình 3. 8: Các bước tính sinh khối ............................................................... 96
5


Hình 3. 9: Ảnh ASAR ngày 30 tháng 3 năm 2009 sau kiểm định ................. 98
Hình 3. 10: Ảnh trực giao ASAR ngày 30 tháng 3 năm 2009 đập
thủy điện Hịa Bình ..................................................................... 101
Hình 3. 11: Ảnh ASAR sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình ........... 103
Hình 3. 12: Công cụ đo giá trị tán xạ ngược trên ảnh.................................. 104
Hình 3. 13: Minh họa đo giá trị tán xạ ngược trên ảnh tại vị trí ơ tiêu
chuẩn .......................................................................................... 105
Hình 3. 14: Quan hệ giữa tán xạ ảnh và sinh khối rừng tỉnh Hịa Bình ....... 107
Hình 3. 15: Quan hệ giữa tán xạ ảnh ALOS PALSAR và sinh khối
rừng tỉnh Hịa Bình .................................................................... 108
Hình 3. 16: Sơ đồ các điểm được lựa chọn để xây dựng hàm tương quan ... 113
Hình 3. 17: Hồi quy tuyến tính giá trị sinh khối và giá trị tán xạ của ảnh ... 114
Hình 3. 18: Hồi quy đa thức bậc hai giá trị sinh khối và giá trị tán xạ
của ảnh ....................................................................................... 115
Hình 3. 19: Hồi quy đa thức bậc 2 giá trị sinh khối tại các ơ tiêu chuẩn
có giá trị sinh khối nhỏ hơn 70 tấn và giá trị tán xạ của ảnh........ 116
Hình 3. 20: Quan hệ tuyến tính của tán xạ ngược và sinh khối mặt đất ....... 119
Hình 3. 21: Quan hệ phi tuyến giữa tán xạ ngược trên ảnh và sinh khối
rừng trên mặt đất ........................................................................ 120
Hình 3. 22: Sơ đồ vị trí ơ tiêu chuẩn sử dụng.............................................. 123
Hình 3. 23: Sơ đồ phân bố vị trí ơ tiêu chuẩn rừng trồng sử dụng để
tính tốn hồi quy ........................................................................ 128

Hình 3. 24: Bản đồ sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hịa Bình ................... 134
Hình 3. 25: So sánh giá trị sinh khối đo và sinh khối tính ........................... 139
Hình 3. 26: Tương quan giá trị sinh khối đo và sinh khối tính trên ảnh ...... 143
Hình 3. 27: Biểu đồ phân bố trữ lượng sinh khối theo từng loại rừng ......... 144
Hình 3. 28: Biểu đồ thống kê sinh khối tỉnh Hịa Bình ............................... 144
Hình 3. 29: Biểu đồ năng suất sinh khối từng loại rừng .............................. 145
Hình 3. 30:So sánh giá ảnh quang học và RADAR độ phân giải siêu cao ... 146
Hình 3. 31: So sánh đơn giá ảnh quang học và ảnh RADAR độ phân
giải cao ....................................................................................... 147

6


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1: Xu hướng biến động rừng Việt Nam giai đoạn 1943-2006 .......... 25
Bảng 1. 2: So sánh một số chỉ tiêu rừng Việt Nam và thế giới ...................... 26
Bảng 1. 3: So sánh ưu nhược điểm của các loại trị đo sử dụng trong xác định
sinh khối rừng trên mặt đất bằng ảnh RADAR ............................................. 49
Bảng 2. 1: Phân loại các dải băng tần trong viễn thám RADAR ................... 54
Bảng 2. 2: Tổng hợp các loại đất rừng tỉnh Hịa Bình ................................... 69
Bảng 2. 3: Mối tương quan của bước sóng và tán xạ của các thành
phần lớp phủ thực vật ................................................................................... 73
Bảng 3. 1: Ảnh ENVISAT ASAR sử dụng trong thực nghiệm ..................... 85
Bảng 3. 2: Các thông số cơ bản của ảnh ALOS PALSAR ............................ 87
Bảng 3. 3: Thông số kỹ thuật của ảnh ALOS PALSAR sử dụng .................. 88
Bảng 3. 4: Tỷ số B/A của rừng trồng ............................................................ 93
Bảng 3. 5: Hệ số định chuẩn đối với ảnh ALOS PALSAR ......................... 100
Bảng 3. 6: Các ơ tiêu chuẩn sử dụng để tính hồi quy .................................. 111
Bảng 3. 7: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ENVISAT ASAR .................... 117
Bảng 3. 8: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ALOS PALSAR ...................... 120

Bảng 3. 9: Ơ tiêu chuẩn sử dụng để tính toán hồi quy cho rừng tự nhiên .... 121
Bảng 3. 10: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ENVISAT ASAR .................. 124
Bảng 3. 11: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ALOS PALSAR .................... 125
Bảng 3. 12: Ô tiêu chuẩn sử dụng để tính tốn hồi quy cho rừng trồng....... 126
Bảng 3. 13: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ENVISAT ASAR .................. 129
Bảng 3. 14: Hồi quy đa biến đối với dữ liệu ALOS PALSAR .................... 130
Bảng 3. 15: So sánh sinh khối tính từ ảnh với sinh khối ô tiêu chuẩn ......... 135
Bảng 3. 16: So sánh kết quả sinh khối rừng tính từ ảnh với sinh khối đo
thực địa (đối với các ô tiêu chuẩn có sinh khối lớn hơn 15 tấn/ha) ............. 140

7


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AIRSAR

RADAR hàng không độ mở tổng hợp (Airborne
Synthetic Aperture RADAR).
ALOS PALSAR
RADAR độ mở thực kênh L kiểu mảng pha (The
Phased Array type L-band Synthetic Aperture
RADAR).
ASAR
RADAR độ mở tổng hợp tiên tiến (Advanced Synthetic
Aperture RADAR).
ASAR APP
Ảnh ASAR phân cực luân phiên (ASAR altenative
polarization).
ASTER
Thiết bị đo phổ phản xạ và bức xạ nhiệt tiên tiến

(Advanced Spaceborne Thermal Emission and
Reflection Radiometer).
COP 11
Hội nghị các bên về biến đổi khí hậu lần thứ 11 tại
Montreal, Canada (Conference of the Parties 11).
COP 13
Hội nghị các bên về biến đổi khí hậu lần thứ 13 tại Bali,
Indonesia (Conference of the Parties 13).
COP 15
Hội nghị các bên về biến đổi khí hậu lần thứ 15 tại
Copenhagen, Đan Mạch (Conference of the Parties 15).
DBH
Đường kính tại chiều cao ngang ngực của cây.
DEM
Mơ hình số độ cao.
DLR
Trung tâm hàng không vũ trụ Đức.
ENVISAT
Vệ tinh môi trường của Châu Âu ( ENVIronment
SATellite).
ERSDAC
Trung tâm phân tích dữ liệu viễn thám trái đất của Nhật
Bản (Earth Remote Sensing Data Analysis Center).
ERS
Vệ tinh viễn thám RADAR ERS của Cơ quan vũ trụ
Châu Âu (European Remote Sensing).
ESA
Cơ quan vũ trụ Châu Âu (European Space Agency).
FAO
Tổ chức Nông Lương của Liên hợp quốc.

FCCC (UNFCCC) Công ước Khung của Liên hợp quốc về Biến đổi
khí hậu.
FORMOSAT
Vệ tinh FORMOSAT của Đài Loan.
8


GDP
GPS
IKONOS
IPCC
IRS
JAXA
JERS-1
SPOT
LANDSAT
LIDAR
MODIS
NDVI
NOAA
QUICKBIRD
RADAR

RADARSAT-1
REED +
SAR
SRTM
TERRASAR-X
WORLDVIEW

Tổng sản phẩm quốc nội.
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Hoa Kỳ.
Vệ tinh độ phân giải siêu cao IKONOS của Hoa Kỳ.
Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu của
Liên hiệp quốc.
Viễn thám Ấn Độ (India Remote Sensing).
Cục khai thác hàng không vũ trụ Nhật Bản.
Vệ tinh tài nguyên của Nhật Bản (Japanese Earth
Resources Satellite 1 (JERS-1))
Vệ tinh độ phân giải cao của Pháp.
Chương trình quan trắc trái đất bằng vệ tinh của
Hoa Kỳ.
Cơng nghệ đo khoảng cách bằng Laze (LIght Detection
And Ranging)
Hệ thống chụp ảnh viễn thám độ phân giải trung bình
(Moderate Resolution Imaging Spectroradiomete).
Chỉ số thực vật.
Cục khí tượng và đại dương Hoa Kỳ (National Oceanic
and Atmospheric Administration - NOAA).
Vệ tinh độ phân giải siêu cao của Hoa Kỳ.
Viễn thám siêu cao tần hay hệ thống chụp ảnh sử dụng
sóng điện từ trường siêu cao tần (Radio Detection and
Ranging).
Vệ tinh RADARSAT-1 của Canada.
Chương trình giảm khí thải do mất rừng và
suy thối rừng.
RADAR độ mở tổng hợp.
Chương trình thành lập mơ hình số độ cao bằng bay
quét RADAR trên tàu con thoi của Hoa Kỳ.
Vệ tinh RADAR độ phân giải siêu cao của Đức.

Vệ tinh độ phân giải siêu cao WORLDVIEW của
Hoa Kỳ.

9


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Lịch sử phát triển của lồi người gắn liền với rừng và sử dụng rừng. Rừng
là nguồn cung cấp nguyên liệu thô cho xây dựng, giao thông, là nguồn thực
phẩm cho con người, khi bị chặt phá đất rừng trở thành tài nguyên đất cho
canh tác nông nghiệp và cho phát triển đô thị [40]. Theo khuyến cáo của các
nhà khoa học thì xu thế suy giảm tài nguyên rừng đang diễn ra hiện nay, gián
tiếp hay trực tiếp gây ra hiện tượng nóng lên của Trái đất, làm ảnh hưởng
nghiêm trọng đến chu trình tuần hoàn của nước, tăng tần suất cũng như cường
độ lũ lụt, suy kiệt tầng trữ nước, làm thối hóa đất và dẫn đến sự tuyệt chủng
của một số loài thực vật và động vật có mơi trường sống là rừng [55, 72, 87].
Để quản lý, bảo vệ và phát triển rừng ở nước ta, công tác điều tra, đánh giá
tài nguyên rừng được tiến hành theo chu kỳ 05 năm, sử dụng dữ liệu viễn
thám quang học. Mặc dù công tác điều tra, đánh giá tài nguyên rừng đã có
nhiều tiến bộ trong thời gian gần đây, tuy nhiên vẫn còn bộc lộ một số hạn
chế nhất định. Đầu tiên là sự sai khác giữa kết quả báo cáo và thực tế do thời
gian điều tra, đánh giá kéo dài. Thứ hai, kết quả điều tra, đánh giá tài nguyên
rừng vẫn chưa đưa ra được trực tiếp số liệu về sinh khối rừng, một trong
những thông số quan trọng mà Tổ chức nông lương thế giới yêu cầu báo cáo.
Những nhược điểm này là không thể khắc phục được nếu vẫn ứng dụng dữ
liệu viễn thám quang học là dữ liệu viễn thám duy nhất trong công tác điều
tra, đánh giá tài nguyên rừng hiện nay ở nước ta.
Để khắc phục các hạn chế nêu trên trong công tác điều tra, đánh giá rừng,
hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, ứng dữ liệu viễn thám

RADAR (siêu cao tần) [15, 21]. Dữ liệu viễn thám RADAR có lợi thế so với
viễn thám quang học đó là việc chụp ảnh không phụ thuộc vào điều kiện thời

10


tiết nên có khả năng thu hẹp thời gian chụp ảnh. Bên cạnh đó, việc xác định
trực tiếp thơng số sinh khối rừng thông qua ảnh RADAR cũng là một trong
các lợi thế so với sử dụng dữ liệu viễn thám quang học.
Vấn đề đặt ra trong đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh RADAR
trong xác định sinh khối rừng tuy không phải là vấn đề mới đối với thế giới,
tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới cho đến nay tập trung chủ yếu vào
rừng phía bắc (boreal forest) với lồi thơng (các nghiên cứu trong [20, 26, 28,
31-32, 49, 61, 80, 85]) mà chưa có nhiều nghiên cứu đối với rừng nhiệt đới
(một số nghiên cứu trong [41, 58, 86]). Hơn nữa, độ chính xác xác định sinh
khối rừng bằng dữ liệu ảnh RADAR phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố ngoại
cảnh như trữ lượng rừng, đặc điểm sinh thái rừng, các điều kiện mơi trường.
Độ chính xác của kết quả cịn phụ thuộc đáng kể vào các đặc điểm vật lý của
dữ liệu RADAR như bước sóng, góc chụp, phân cực [16-18]. Do vậy, để áp
dụng công nghệ này cho việc xác định sinh khối rừng ở Việt Nam cần có các
nghiên cứu về cơ sở khoa học, phương pháp luận cũng như tiến hành thử
nghiệm để kiểm chứng. Chỉ trên nền tảng như vậy thì mới có thể đưa ra được
các kết luật xác đáng về khả năng ứng dụng của công nghệ trong điều kiện cụ
thể ở Việt Nam, ứng dụng công nghệ này vào công tác điều tra, đánh giá tài
nguyên rừng, cụ thể là xác định hàm lượng sinh khối chứa trong lớp phủ thực
vật rừng, từ đó tính tốn tín chỉ các bon trong cơng tác bảo tồn và phát triển
rừng ở nước ta.
Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh RADAR trong xác
định sinh khối rừng tỉnh Hịa Bình” được chọn nhằm làm rõ cơ sở khoa học,
thực tiễn, những vấn đề kỹ thuật cịn chưa sáng tỏ như đặc tính kỹ thuật của

dữ liệu sử dụng (bước sóng, phân cực), các nhân tố ảnh hưởng đến kết quả
xác định sinh khối rừng nhằm có thể ứng dụng cơng nghệ này trong xác định
sinh khối rừng trên mặt đất tại Việt Nam.

11


2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu
Xác lập được cơ sở khoa học, lựa chọn phương pháp và dữ liệu viễn thám
siêu cao tần phù hợp trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất ở Việt Nam
nói chung và đối với đặc thù rừng tỉnh Hịa Bình nói riêng.
Đánh giá được khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám siêu cao tần đối với
xác định sinh khối lớp phủ rừng trên mặt đất của tỉnh Hịa Bình.
Nhiệm vụ
Để thực hiện được các mục tiêu nêu trên, những nội dung sau được nghiên
cứu trong luận án:
- Tổng quan về rừng Việt Nam nói chung và rừng tỉnh Hịa Bình nói
riêng để làm rõ tính đặc thù của đối tượng cần nghiên cứu;
- Tổng quan về phương pháp viễn thám (quang học và siêu cao tần)
để đánh giá, lựa chọn phương pháp và dữ liệu thích hợp cho nghiên
cứu sinh khối rừng ở Việt Nam;
- Cơ sở khoa học của xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng dữ
liệu viễn thám RADAR.
- Mối quan hệ giữa tán xạ RADAR và đặc điểm tự nhiên tỉnh
Hịa Bình.
- Thử nghiệm xác định sinh khối rừng trên mặt đất tại tỉnh Hịa Bình
sử dụng dữ liệu ENVISAT ASAR và ALOS PALSAR;
- Kiểm chứng kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất từ dữ liệu viễn
thám siêu cao tần bằng các dữ liệu đối sánh;

- Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm và phương pháp tính sinh
khối rừng trên mặt đất bằng dữ liệu viễn thám RADAR.

12


3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ được đặt ra trong Luận án, các
phương pháp nghiên cứu sau được áp dụng:
- Phương pháp viễn thám: Trong đề tài phương pháp viễn thám sử
dụng để thu thập các thông tin lớp phủ thực vật, cụ thể ở đây là sinh
khối rừng trên mặt đất thông qua các giá trị tán xạ ngược đo được
trên ảnh RADAR.
- Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích dữ liệu: Thu thập,
tổng hợp, phân tích nhằm kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có ở
trong cũng như ngồi nước giúp định hướng trong cơng tác nghiên
cứu, chọn lọc giảm tối đa sự trùng lặp trong nghiên cứu cũng như
khối lượng công việc cần thực hiện.
- Phương pháp mơ hình: Các giá trị đo được trên ảnh, thuộc tính cần
xác định của lớp phủ thực vật, và các đại lượng đo thực địa thường
có một mối liên hệ tốn học nhất định. Việc mơ hình hóa mối liên
hệ này có thể xác định được giá trị sinh khối thông qua các đại
lượng đo trên ảnh.
- Phương pháp phân tích thống kê: Phương pháp phân tích thống kê
giúp phân tích mối quan hệ giữa các thuộc tính của các đại lượng đo
trên ảnh cũng như các thuộc tính của lớp phủ thực vật từ đó thiết lập
mối quan hệ cũng như đánh giá độ chính xác của kết quả tính tốn.
4. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
Về khơng gian:
Luận án nghiên cứu ứng dụng ảnh RADAR cho xác định sinh khối rừng

trên địa bàn tỉnh Hịa Bình.

13


Về thời gian:
Luận án nghiên cứu dựa trên dữ liệu năm 2009, trên địa bàn tỉnh Hịa
Bình, thời điểm có đồng bộ về mặt thời gian giữa dữ liệu ảnh viễn thám
RADAR, dữ liệu ô tiêu chuẩn và dữ liệu bản đồ hiện trạng rừng.
Về đối tượng nghiên cứu:
- Sinh khối rừng trên mặt đất;
- Đặc tính kỹ thuật của viễn thám RADAR;
- Đặc tính tương tác tia RADAR với lớp phủ rừng;
- Phương pháp tính sinh khối rừng trên mặt đất.
5. Điểm mới của Luận án
- Phương pháp tích hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau một
cách có lựa chọn để nâng cao độ chính xác tính sinh khối rừng trên
mặt đất.
- Xác định được ngưỡng bão hòa của tán xạ ngược trên ảnh RADAR
đối với sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hịa Bình.
- Kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất bằng dữ liệu viễn thám siêu
cao tần cho đối tượng đặc thù là rừng tỉnh Hịa Bình.
6. Luận điểm bảo vệ
- Sử dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần với các phương thức phân
cực HH, HV cho phép xác định sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hịa
Bình với độ tin cậy cao.
- Phối hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau sẽ góp phần tăng
độ chính xác trong tính sinh khối rừng trên mặt đất sử dụng dữ liệu
viễn thám siêu cao tần.

14


7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học
Việc nghiên cứu, ứng dụng viễn thám siêu cao tần trong đánh giá sinh
khối rừng đã và đang được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên các
nghiên cứu này tập trung nhiều cho rừng phương Bắc với đối tượng cây họ
thơng, cịn các nghiên cứu rừng nhiệt đới như ở nước ta là chưa nhiều, chưa
có cơ sở khoa học, thực tiễn vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ này vào
thực tiễn điều tra đánh giá sinh khối rừng ở nước ta. Kết quả nghiên cứu của
luận án đã xác lập được cơ sở khoa học và phương pháp luận sử dụng dữ liệu
phân cực và cấu hình chụp ảnh khác nhau của dữ liệu viễn thám RADAR
trong tính sinh khối trên mặt đất của rừng.
Ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của luận án là góp phần khẳng định được khả năng xác
định sinh khối rừng từ ảnh RADAR ở Việt Nam. Hệ thống tư liệu và quan
điểm khoa học của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo tốt cho
những nghiên cứu trong lập bản đồ rừng, trong viễn thám và GIS nói chung.
Bản đồ phân bố sinh khối rừng của luận án có thể được sử dụng làm tư liệu
tham khảo trong xây dựng quy hoạch, kế hoạch bảo vệ và phát triển ở địa
phương. Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án sẽ góp phần phát triển những
phương pháp điều tra rừng, giám sát biến động tài nguyên rừng từ ảnh với chi
phí thấp ở Việt Nam.

15


CHƯƠNG I: SINH KHỐI RỪNG VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM
TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TRÊN MẶT ĐẤT

Chương này với mục đích tìm hiểu tổng quan về rừng, đặc thù của rừng
cũng như công tác kiểm kê rừng của Việt Nam. Tuy nhiên, tác giả không
nghiên cứu sâu về rừng và hệ sinh thái rừng theo cách tiếp cận của nhà lâm
học mà chỉ phân tích đặc điểm của rừng nước ta, nhằm tìm hiểu những thuận
lợi cũng như những khó khăn trong ứng dụng viễn thám siêu cao tần (sau đây
gọi tắt là viễn thám RADAR) để xác định sinh khối rừng trên mặt đất.
Chương này cũng đề cập đến vấn đề ứng dụng công nghệ viễn thám
trong xác định sinh khối, nhằm khái quát hóa về ứng dụng công nghệ này
trong xác định sinh khối rừng ở Việt Nam và trên thế giới, đồng thời chỉ ra
những hạn chế và ưu việt của công nghệ, dữ liệu viễn thám sử dụng để xác
định sinh khối trên mặt đất của rừng, trong đó, nhấn mạnh nghiên cứu tổng
quan về công nghệ viễn thám RADAR trong xác định sinh khối rừng trên thế
giới, từ đó lựa chọn phương pháp, dữ liệu thích hợp trong việc ứng dụng viễn
thám RADAR trong xác định sinh khối trên mặt đất đối với rừng ở Việt Nam
nói chung và sinh khối trên mặt đất tỉnh Hịa Bình nói riêng.
1.1. Sinh khối thực vật
Vấn đề biến đổi khí hậu đang được nhiều nước trên thế giới và các tổ
chức quốc tế quan tâm, đặc biệt là sau khi có Nghị định thư KYOTO và các
hội nghị tiếp theo ở BALI Indonesia, Copenhagen Đan Mạch, vấn đề nóng lên
của trái đất đang được quan tâm rộng rãi, các nhà khoa học trên thế giới đang
tìm kiếm các giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của con người đến q trình
biến đổi khí hậu tồn cầu. Một trong những giải pháp quan trọng được đề cập
đến đó là bảo tồn và phát triển rừng, vì các hoạt động chặt phá rừng, suy thoái
rừng đang diễn ra mạnh mẽ nhất là tại các nước đang phát triển, hành động

16


này đã làm tăng đến 17% lượng khí nhà kính và 20% khí thải các bon [76].
Nghị định thư KYOTO đã mở ra triển vọng cho một số nước đang phát

triển có thể đóng góp vào việc giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu thơng qua
việc tài trợ cho hoạt động bảo vệ rừng, trồng rừng tại các nước đang phát triển
[100]. Các cuộc họp đa phương (Conference of the parties-COP) tại Montreal
(COP 11), Bali (COP 13) luôn nhấn mạnh đến việc tìm giải pháp chống tàn
phá và suy thoái rừng, đặc biệt COP 15 tại Copenhagen các nước phát triển
dẫn đầu là Australia, Pháp, Nhật Bản, Na uy, Vương quốc Anh, và hoa Kỳ đã
cam kết hỗ trợ 3,5 tỷ USD cho chương trình giảm phát thải thơng qua chống
chặt phá rừng và suy thoái rừng (REED+) [43, 76].
Việt Nam cũng là một trong số nước được thế giới quan tâm ủng hộ việc
xây dựng các dự án kêu gọi hỗ trợ của các tổ chức quốc tế thơng qua Chương
trình REDD+, tuy nhiên việc xác định trữ lượng sinh khối và trữ lượng các
bon của rừng đang gặp khó khăn do các số liệu điều tra và đánh giá rừng hiện
có nhất là tại các nước đang phát triển vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu làm cơ
sở để tính tốn lượng sinh khối cũng như các bon được trữ trong rừng thông
qua các hoạt động trồng và bảo vệ rừng [101]. Việc nghiên cứu tìm ra các giải
pháp mới trong việc đánh giá sinh khối rừng đang là vấn đề bức thiết hiện nay
không chỉ đối với Việt Nam mà còn trên thế giới nhất là với các nước ở khu
vực nhiệt đới có lớp phủ thực vật đa dạng về mặt sinh thái rừng như
Việt Nam.
1.1.1. Khái niệm sinh khối thực vật
Sinh khối thực vật được hiểu là khối lượng các vật chất hữu cơ cịn sống
hay đã chết của thực vật có thể chưa khô (sinh khối tươi), tuy nhiên phổ biến
được hiểu là trọng lượng khô của thực vật. Sinh khối thực vật được hình
thành, tích lũy thơng qua q trình quang hợp, cây sử dụng năng lượng từ ánh

17


sáng mặt trời để biến khí các bon ních trong khí quyển thành các thành phần
của cây như rễ, thân, cành, lá [59].

Hình 1. 1: Các thành phần sinh khối của thực vật

Theo Brown, 1997 [24] sinh khối thực vật được định nghĩa là tất cả các
thành phần sống của thực vật ở trên mặt và dưới mặt đất cả cây bụi, cây non,
bao gồm cành, lá, vỏ cây và các thực vật đã chết (Hình 1.1) và được biểu thị
bằng đơn vị là tấn hoặc megagram. Sinh khối thực vật bao gồm [22]:
- Sinh khối trên bề mặt đất: Tất cả những phần sinh khối đang sống
phía trên mặt đất như: gốc cây, thân cây, cành, vỏ, hạt và lá.
- Sinh khối dưới bề mặt đất: Tất cả những phần sinh khối sống bên
dưới mặt đất (rễ cây).
- Khối vật chất hữu cơ đã chết: Gồm tất cả các thành phần gỗ đã chết
18


cả đang đứng hoặc nằm trên mặt đất hay trong lịng đất như: rễ cây,
gốc cây có kích thước đường kính lớn hơn 10 cm và dài hơn 1 m.
- Rác vụn: Gồm các thành phần đã chết có đường kính nhỏ hơn
đường kính tối thiểu được lựa chọn theo tiêu chí của từng quốc gia
(thơng thường có kích thước 10 cm), đang trong các trạng thái phân
hủy khác nhau bên trên bề mặt đất hữu cơ.
Việc tính sinh khối rừng dưới mặt đất là hết sức khó khăn nên phần lớn
các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào ước tính sinh khối rừng trên bề mặt đất,
sinh khối dưới bề mặt đất sẽ được ước tính gián tiếp thơng qua sinh khối trên
bề mặt đất [22, 67]. Trong nghiên cứu này, chỉ xác định thành phần sinh khối
trên mặt đất của lớp phủ rừng.
1.1.2. Lượng hóa sinh khối cá thể thực vật
Lượng hóa sinh khối cá thể thực vật là phương pháp có độ chính xác cao
nhất, tuy nhiên đây là phương pháp đo đạc ngoài thực địa nên địi hỏi nhiều
thời gian cũng như chi phí cao, thường chỉ áp dụng cho các diện tích nhỏ

thường là đo đạc các ơ mẫu. Để tính sinh khối của từng cá thể có hai phương
pháp là phương pháp phá hủy (destructive method) và phương pháp không
phá hủy [104].
Phương pháp phá hủy, để tính sinh khối của cây người ta lấy tất cả rễ,
cành và lá cho vào trong lò sấy với nhiệt độ từ 60 đến 80 độ C cho tới khi
trọng lượng các thành phần của cây không thay đổi thì tính là sinh khối khơ
của cây. Phương pháp này có một số các hạn chế, thứ nhất đó là việc chặt cây,
cắt thành khúc và xác định khối lượng của các cây lớn là hết sức khó khăn và
tốn kém, kế nữa việc đào lấy rễ của cây cũng là vấn đề hết sức khó khăn và
cuối cùng đây là phương pháp cần phải hủy hoại cây. Với các hạn chế nêu
trên, phương pháp này rất hạn chế sử dụng và chỉ áp dụng trên quy mô nhỏ

19


trong phịng thí nghiệm để tính tỷ trọng cây khơ và tươi cho mục đích nghiên
cứu, thí nghiệm để tính sinh khối của từng loại cây [24, 104].
Phương pháp không phá hủy là phương pháp tính tốn sinh khối thơng
qua các số đo cây như chiều cao cây và chu vi cây tại độ cao ngang ngực
thông thường là 1,3 m trên mặt đất, đường kính tán. Từ các số liệu chỉ số của
cây đo được, người ta thiết lập hàm quan hệ giữa các chỉ số của cây và sinh
khối cây thông thường bằng phương pháp hồi quy [25]. Theo Brown [24-25]
thể tích cây được tính bằng cơng thức 1.1.
AB (t/ha) = VOB * WD * BEF

(1. 1)

trong đó:
- AB là sinh khối trên mặt đất (tấn/ha);
- VOB là thể tích của cây tính cả vỏ (volum over bark of tree),

=∝ + ×

× , trong đó

và

hệ số, D là đường kính

ngang ngực, H là chiều cao cây; trong trường hợp khơng có hệ số
và

thì thể tích cây có thể rút gọn bằng công thức VOB = 0,42

x B x H, trong đó B là diện tích mặt cắt cây tại vị trí ngang ngực;
- WD là trọng lượng khơ trung bình của một đơn vị thể tích gỗ
thơng thường tính bằng đơn vị tấn/m3. Theo Rayes trong [24] giá
trị này lấy theo vùng. Ví dụ: WD có giá trị tương ứng là
0,58, 0,60 và 0,57 đối với châu Phi, châu Âu và châu Á;
- BEF là thông số phụ trội sinh khối. Thông thường, khi xác định
sinh khối trên một đơn vị diện tích chỉ đo cây có đường kính lớn
hơn 5 cm nên giá trị sinh khối được tính thường nhỏ hơn sinh khối
thực tế do có nhiều cây khơng được kiểm kê, BEF có giá trị dao
động trong khoảng 1,05 đến 1,3.
20