Nghiên cứu biến động lớp phủ rừng vùng tây nguyên bằng tư liệu viễn thám đa thời gian
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.2 MB, 101 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - MỎ ĐỊA CHẤT
-----------<>----------CHU THỊ MINH HẢI
NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ RỪNG VÙNG
TÂY NGUYÊN BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM ĐA THỜI GIAN
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - MỎ ĐỊA CHẤT
-----------<>-----------
CHU THỊ MINH HẢI
NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ RỪNG VÙNG
TÂY NGUYÊN BẰNG TƯ LIỆU VIỄN THÁM ĐA THỜI GIAN
Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý
Mã số: 60.44.76
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn Khoa học:
PGS-TS. NGUYỄN TRƯỜNG XUÂN
HÀ NỘI, 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2010
Tác giả luận văn
Chu Thị Minh Hải
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
Danh mục ký hiệu, viết tắt
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG
LỚP PHỦ RỪNG
1
5
1.1. Các khái niệm về rừng
5
1.1.1. Lớp phủ rừng
5
1.1.2. Phân loại rừng theo chức năng
8
1.2. Khái niệm về biến động
9
1.2.1. Khái niệm chung về biến động
9
1.2.2. Biến động về diện tích đối tượng – biến động về số lượng
9
1.2.3. Biến động về bản chất đối tượng
9
1.2.4. Các phương pháp đánh giá biến động
10
1.2.5. Kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp
phủ
12
1.3. Tình hình nghiên cứu lớp phủ rừng bằng công nghệ viễn thám
14
1.3.1. Trên thế giới
15
1.3.2. Ở Việt Nam
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM TRONG NGHIÊN
CỨU LỚP PHỦ RỪNG
17
23
2.1. Giới thiệu về công nghệ viễn thám
23
2.1.1.Giới thiệu chung
23
2.1.2. Cơ sở vật lý và nguyên lý thu nhận viễn thám
25
2.1.3. Đặc trưng phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
28
2.2. Tư liệu ảnh số viễn thám
32
2.2.1. Khuôn dạng dữ liệu
32
2.2.2. Độ phân giải của ảnh vệ tinh
34
2.2.3. Thể hiện hình ảnh tư liệu viễn thám
35
2.3.Tư liệu ảnh Spot và Landsat
36
2.3.1. Vệ tinh Spot và ảnh Spot
36
2.3.2. Vệ tinh Landsat
41
2.4. Xử lý ảnh số viễn thám
43
2.4.1. Tăng cường chất lượng hình ảnh và biến đổi ảnh
43
2.4.2. Các phép phân tích ảnh
44
2.4.3. Phân loại ảnh số viễn thám
45
2.4.4. Những ưu điểm và hạn chế của phương pháp xử lý ảnh số
trong thành lập bản đồ chuyên đề
CHƯƠNG 3: THÀNH LẬP BẢN ĐỒ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ
RỪNG KHU VỰC TÂY NGUYÊN
3.1.Tổng quan khu vực nghiên cứu và tư liệu sử dụng
51
54
54
3.1.1 Vị trí địa lý
54
3.1.2. Điều kiện tự nhiên
55
3.1.3 Điều kiện kinh tế - xã hội (KT-XH)
57
3.1.4. Tư liệu sử dụng trong luận văn
59
3.1.4.1. Ảnh vệ tinh Landsat TM năm 1990
59
3.1.4.2. Ảnh vệ tinh Landsat ETM năm 2001
60
3.1.4.3. Ảnh vệ tinh SPOT 4 năm 2008
60
3.1.5. Giới hạn vấn đề nghiên cứu
61
3.2. Thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng
63
3.2.1.Quy trình tổng quát thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng
63
3.2.2. Qui trình thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng
64
3.2.3. Cơ sở khoa học lựa chọn bảng phân loại
65
3.2.4.Thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng
68
3.2.4.1. Thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng năm 2008
68
3.2.4.2. Thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng năm 1990
79
3.2.5.Thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng
81
3.2.5.1.Qui trình cơng nghệ thành lập bản đồ biến động lớp phủ
rừng
81
3.2.5.2. Kết quả thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng
83
KẾT LUẬN
88
TÀI LIỆU THAM KHẢO
90
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các đặc trưng cơ bản về rừng và khả năng xác định
bằng tư liệu viễn thám
Bảng 2.1 - Các thông số cơ bản của hệ thống vệ tinh SPOT
Bảng 2.2 - Đặc trưng phổ và khả năng giải đoán của ảnh vệ tinh
SPOT
Bảng 2.3: Hệ thống Landsat MSS hoạt động ở dải phổ nhìn thấy
và gần hồng ngoại
Bảng 2.4: Hệ thống Landsat TM sử dụng vùng thổ nhìn thấy, gần
hồng ngoại và hồng ngoại nhiệt
Bảng 3.1 Ma trận biến động thống kê theo diện tích giai đoạn
1990-2008 các tỉnh thuộc Tây Nguyên.
Bảng 3.2 Ma trận biến động thống kê theo phần trăm giai đoạn
1990-2008 các tỉnh thuộc Tây Nguyên.
7
39
40
42
42
85
85
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật
từ ảnh viễn thám.
10
Hình 2.1: Khái niệm chung về viễn thám
25
Hình 2.2 - Bức xạ điện từ và khả năng khai thác thơng tin
25
Hình 2.3 - Cửa sổ khí quyển
26
Hình 2.4 - Phân loại sóng điện từ
27
Hình 2.5 - Đường cong phổ phản xạ
27
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý chia mẫu và lượng tử hóa
33
Hình 2.7: Mơ hình trộn màu cơ bản
35
Hình 2.8: Các vệ tinh giám sát tài ngun và mơi trường
36
Hình 2.9: Dải bay của vệ tinh SPOT
36
Hình 2.10: Vị trí các quĩ đạo của vệ tinh SPOT
37
Hình 2.11: Hệ thống chụp ảnh số vệ tinh SPOT5
39
Hình 2.12: Đặc tính phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên
và các băng phổ của ảnh SPOT
46
Hình 2.13: Nguyên lý phân loại ảnh
47
Hình 2.14: Thuật tốn người láng giềng gần nhất
49
Hình 2.15: Phương pháp chuỗi
50
Hình 3.1: Ảnh vệ tinh Landsat các tỉnh thuộc Tây Nguyên
năm 1990
54
Hình 3.2: Sơ đồ tổng quát thành lập bản đồ biến động lớp
phủ rừng
Hình 3.3 Sơ đồ tổng qt cơng nghệ thành lập bản đồ hiện trạng
lớp phủ rừng
63
64
Hình 3.4: Ảnh vệ tỉnh SPOT năm 2008 của Tây Nguyên
70
Hình 3.5: Chọn vùng mẫu phân loại
72
Hình 3.6: Bảng so sánh sự khác biệt giữa các mẫu phân loại
73
Hình 3.7: Chọn phương pháp phân loại có chọn mẫu
74
Hình 3.8: Vùng mẫu kết quả phân loại ảnh SPOT năm 2008
76
Hình 3.9: Kết quả phân loại lớp phủ rừng khu vực nghiên cứu
năm 2008
Hình 3.10: Kết quả phân loại lớp phủ rừng khu vực nghiên cứu
năm 1990
Hình 3.11: Sơ đồ tổng qt cơng nghệ thành lập bản đồ biến động
lớp phủ
Hình 3.12: Bản đồ biến động lớp phủ rừng các tỉnh thuộc khu vực
Tây Nguyên giai đoạn 1990-2008
78
80
81
84
DANH MỤC KÝ KIỆU, VIẾT TẮT
BĐĐH
Bản đồ địa hình
BĐHC
Bản đồ hành chính
CSDL
Cơ sở dữ liệu
GIS
Hệ thống thơng tin địa lý
TNMT
Tài ngun và Mơi trường
VN2000
ĐGHC
Tên hệ tọa độ, độ cao chính thức được sử dụng ở Việt Nam
Địa giới hành chính
-1-
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghệ viễn thám là một phần của công nghệ vũ trụ, tuy mới phát
triển nhưng đã nhanh chóng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và được phổ
biến rộng rãi ở các nước phát triển. Công nghệ viễn thám đã trở thành phương
tiện chủ đạo cho công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường ở cấp
độ từng nước, từng khu vực và trong phạm vi toàn cầu. Khả năng ứng dụng
công nghệ viễn thám ngày càng được nâng cao, đây là lý do dẫn đến tính phổ
cập của cơng nghệ này. Viễn thám là khoa học thu nhận, xử lý và suy giải các
hình ảnh thu nhận từ trên không của trái đất để nhận biết được các thông tin
về đối tượng trên bề mặt trái đất mà không cần tiếp xúc nó. Như vậy, viễn
thám là phương pháp thu nhận thông tin khách quan về bề mặt trái đất và các
hiện tượng trong khí quyển nhờ các máy thu (sensor) được đặt trên máy bay,
vệ tinh nhân tạo, tầu vũ trụ hoặc đặt trên các trạm quỹ đạo.
Ngày nay, nhu cầu về bảo vệ và phát triển tài nguyên rừng ngày càng
trở nên cấp thiết, không chỉ trên phạm vi một quốc gia mà đã trở thành vấn đề
đang được chú trọng trên mỗi châu lục và toàn cầu. Để làm tốt công tác này,
việc điều tra, theo dõi và đánh giá biến động rừng là một trong những nhiệm
vụ quan trọng. Mặc dù hàng năm đều có các báo cáo về hiện trạng và tình
hình biến động rừng, nhưng hầu hết các báo cáo này chủ yếu dựa trên việc đo
vẽ, thành lập bản đồ rừng bằng phương pháp truyền thống. Đây là một công
việc phức tạp, mất nhiều công sức và thời gian. Hơn nữa, khi sử dụng các tài
liệu thống kê và các tư liệu bản đồ khơng phải bao giờ cũng có thể khai thác
những thơng tin hiện thời nhất vì tình hình đất rừng luôn biến động. Phương
pháp viễn thám kết hợp GIS đang dần khắc phục được những nhược điểm
này. Kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tượng ở các độ phân
giải phổ và không gian khác nhau, từ trung bình đến siêu cao và chu kỳ chụp
lặp từ một tháng đến vài ngày cho phép chúng ta quan sát và xác định nhanh
-2số lượng và vị trí của thơng tin lớp phủ rừng, biến động rừng và đặc biệt là xu
hướng của biến động.
Vì vậy, luận văn: “Nghiên cứu biến động lớp phủ rừng vùng Tây
Nguyên bằng tư liệu viễn thám đa thời gian” là cần thiết, có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn cao. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu và đưa ra phương
pháp thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng thông qua ảnh viễn thám kết
hợp với GIS, các số liệu thống kê và các nguồn tài liệu có liên quan.
2. Mục tiêu của đề tài
* Luận văn đặt ra hai mục tiêu sau
- Nghiên cứu ứng dụng quy trình cơng nghệ thành lập bản đồ hiện trạng
và biến động lớp phủ rừng từ tư liệu ảnh viễn thám phục vụ cho cho công tác
quản lý và giám sát tài nguyên rừng.
- Thực nghiệm xây dựng bản đồ hiện trạng rừng thời điểm năm 1990 và
năm 2008, từ đó thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng.
* Nhiệm vụ
- Thành lập bản đồ hiện trạng rừng các thời kỳ.
- Thành lập bản đồ biến động lớp phủ rừng qua các thời kỳ đó.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu biến động lớp phủ rừng bằng ảnh viễn thám đa thời
gian được triển khai thực hiện tại vùng Tây Nguyên.
Về mặt nội dung, đề tài sẽ sử dụng ảnh viễn thám ở các thời điểm năm
1990 và năm 2008 để thành lập bản đồ hiện trạng rừng từ đó thành lập bản đồ
biến động lớp phủ rừng.
Do không đi sâu vào nghiên cứu đặc điểm sinh hoá, cũng như đo đạc
về trắc lượng, sinh khối nên luận văn chỉ dừng ở việc nghiên cứu hiện trạng
lớp phủ rừng và biến động lớp phủ rừng.
-34. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng một số phần mềm xử lý và giải đoán ảnh như
ILWIS, ENVI, ERDAS để thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ rừng
Nghiên cứu, ứng dụng ảnh viễn thám đa thời gian và GIS để thành lập
bản đồ hiện trạng và bản đồ biến động lớp phủ rừng vùng Tây Nguyên.
5. Phương pháp nghiên cứu lớp phủ rừng
* Phương pháp nghiên cứu ngồi thực địa: Phương pháp này nhằm
định hình, bổ sung và hoàn chỉnh những hiểu biết về khu vực nghiên cứu một
cách trực quan. Mặt khác từ khảo sát thực địa có thể sửa chữa sai sót kết quả
giải đốn trong phịng.
* Phương pháp phân tích thống kê: Mỗi thơng tin thu thập cần phải
phân tích, chọn lọc để đưa ra những thơng tin chính phục vụ cho cơng tác
nghiên cứu. Những thông tin này cũng cần phải thống kê có hệ thống để tiến
hành so sánh, phân tích, xử lý và chọn lọc các số liệu, tư liệu phù hợp với nội
dung của luận văn.
* Phương pháp xử lý tư liệu viễn thám : Việc nghiên cứu biến động
liên quan đến sử dụng một dãy dữ liệu theo thời gian để xác định vùng biến
động lớp phủ giữa các thời điểm - thời gian chụp ảnh. Để nghiên cứu biến
động lớp phủ thực vật ta phải có được ít nhất hai ảnh viễn thám chụp cùng
một khu vực tại hai thời điểm khác nhau, giải đốn thơng tin đưa ra kết quả.
* Phương pháp phân tích khơng gian GIS: Nghiên cứu vấn đề theo
khía cạnh khơng gian là đặc thù của các cơng trình nghiên cứu địa lý. Phương
pháp giúp ta tìm kiếm và phân tích các mối quan hệ thuộc tính giữa đối tượng
ở những vị trí khác nhau cũng như quan hệ không gian giữa các đối tượng có
cùng thuộc tính. Cơng nghệ GIS phát triển đem đến khả năng phân tích khơng
gian rất hiệu quả. Vì vậy, khi tích hợp các thơng tin viễn thám đã xử lý và các
dữ liệu thống kê kinh tế - xã hội khác trong môi trường GIS, ta sẽ phân tích và
-4đánh giá quá trình biến đổi lớp phủ bề mặt đất một cách nhanh chóng, thuận
tiện và chính xác.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học
- Luận văn nghiên cứu các phương pháp xử lý ảnh vệ tinh - một nguồn
tư liệu quan trọng ứng dụng để giám sát tài nguyên thiên nhiên.
- Luận văn nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh vệ tinh để thành lập bản
đồ biến động lớp phủ rừng có kết hợp với cơng nghệ GIS.
* Ý nghĩa thực tiễn
- Luận văn đã kết hợp tư liệu viễn thám với công nghệ GIS để thành lập
bản đồ biến động lớp phủ rừng, xây dựng mơ hình quản lý rừng, góp phần
hưởng ứng cơng tác theo dõi và đánh giá đất lâm nghiệp của ngành lâm nghiệp.
7. Cấu trúc luận văn
Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, được cấu trúc
thành 3 chương.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tơi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình
của các thầy cơ giáo Bộ mơn Đo ảnh và Viễn thám – Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình và quý
báu của PGS.TS. Nguyễn Trường Xuân, người hướng dẫn trực tiếp cùng toàn
thể các thầy cô và các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành luận văn.
-5-
CHƯƠNG 1
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ RỪNG
1.1. Các khái niệm về rừng
1.1.1. Lớp phủ rừng
Lớp phủ rừng là một phần của lớp phủ bề mặt nói chung, là quần xã
thực vật rừng, chủ yếu là cây rừng sinh trưởng trên một khoảnh đất đai nhất
định bao gồm các đặc trưng sau: Nguồn gốc, tổ thành, tuổi, mật độ, tầng thứ,
độ tàn che, độ che phủ, chiều cao bình qn, đường kính bình qn, tổng tiết
diện ngang, độ đày của rừng, tăng trưởng, trữ lượng, cấp đất, diện tích, biến động,…
Trong đó:
Nguồn gốc của rừng là nguồn gốc phát sinh ra rừng. Có hai nguồn gốc
phát sinh ra rừng là rừng tự nhiên và rừng nhân tạo. Xuất xứ của rừng tự
nhiên là từ chồi hoặc hạt, còn xuất xứ của rừng nhân tạo (rừng trồng) chủ yếu
là từ hạt.
Tổ thành rừng là tỉ trọng của một loài hay nhóm lồi chiếm trong lâm
phần đó và được tính theo phần trăm (%).
Tuổi rừng là tuổi của lâm phần, đó là tuổi bình qn của nhóm lồi cây
chiếm ưu thế trong lâm phần đó.
Mật độ của rừng là tổng số cây trên một đơn vị diện tích.
Tầng thứ của rừng chỉ mức độ cao thấp của các tập hợp cây tạo nên lâm
phần đó.
Độ tàn che là tỉ số diện tích tán rừng chiếu xuống đất rừng và được
tính theo %.
Độ che phủ là tỉ số giữa diện tích đất có rừng trên diện tích đất tự nhiên
và được tính theo %.
-6Chiều cao bình qn là chỉ tiêu biểu thị kích thước chiều cao cây tạo
nên lâm phần.
Đường kính bình qn là chỉ tiêu biểu thị mức độ to nhỏ kích thước cây
tạo nên lâm phần.
Tổng tiết diện ngang là tổng diện tích các tiết diện ngang ở vị trí độ cao
1,3m của tất cả các cây rừng có đường kính 6cm trở lên trên một đơn vị diện
tích (thường là 1ha). Đơn vị tính là m2/ha.
Độ dầy của rừng là tỉ số giữa tổng tiết diện ngang của một ha trên tổng
tiết diện ngang của một ha lâm phần chuẩn.
Tăng trưởng là số lượng mà nhân tố điều tra biến đổi được trong một
đơn vị thời gian như: chiều cao cây, đường kính, trữ lượng...
Cấp đất là chỉ tiêu đánh giá điều kiện lập địa và sức sản xuất của lâm
phần thuộc một lồi cây nào đó.
Diện tích: các đặc trưng trên đều phải được xác định trên một đơn vị
diện tích nhất định để làm cơ sở xác định trữ lượng của rừng.
Biến động là mức độ biến động tài nguyên rừng trong đó có biến động
về số lượng và chất lượng. Sự biến động của rừng luôn diễn ra dưới tác động
của tự nhiên và con người theo thời gian.
Với khả năng khai thác thông tin chuyên đề từ tư liệu viễn thám và các
đặc trưng của lớp phủ rừng, ta có thể khái quát được bảng sau:
-7Bảng 1.1: Các đặc trưng cơ bản về rừng và khả năng xác định
bằng tư liệu viễn thám
KHẢ NĂNG XÁC ĐỊNH
STT
Tư liệu viễn thám
CÁC ĐẶC TRƯNG
Phương
CƠ BẢN VỀ RỪNG
pháp điều
Ảnh vệ tinh độ
tra thực địa
phân giải cao
Ảnh vệ tinh độ
phân giải trung
bình và thấp
1
Nguồn gốc
+
+
+
2
Tổ thành
+
0
0
3
Tuổi
+
+
0
4
Mật độ
+
+
0
5
Tầng thứ
+
+
0
6
Độ tàn che
+
+
+
7
Độ che phủ
+
+
+
8
Chiều cao bình qn
+
+
0
9
Đường kính bình qn
+
0
0
10
Tổng tiết diện ngang
+
0
0
11
Độ dầy
+
0
0
12
Trữ lượng
+
+
0
13
Tăng trưởng
+
0
0
14
Diện tích
+
+
+
15
Biến động
+
+
+
16
Đặc trưng khác
+
0
0
Như vậy, trong số các đặc trưng về rừng như trên thì phương pháp điều
tra thực địa đều có thể xác định được. Tuy nhiên, khi triển khai trên một diện
rộng thì phương pháp này sẽ mất rất nhiều thời gian, tiền của và công sức.
-8Trong khi đó một số đặc trưng về rừng hồn tồn có thể xác định được bằng
phương pháp viễn thám mà vẫn đảm bảo độ chính xác.
1.1.2 Phân loại rừng theo chức năng
Trong ngành lâm nghiệp, có rất nhiều cách phân loại rừng như:
- Phân loại trên quan điểm sinh thái học.
- Phân loại theo chức năng sử dụng: rừng đặc dụng, rừng phòng hộ và
rừng sản xuất.
- Phân loại theo trữ lượng: rừng giàu, rừng trung bình, rừng nghèo,
rừng kiệt.
- Phân loại theo mức độ tác động của con người: rừng tự nhiên, rừng
nhân tạo.
- Phân loại theo cấu trúc hình thái: rừng gỗ lá rộng thường xanh, rừng
gỗ lá rộng rụng lá, rừng gỗ lá rộng nửa rụng lá, rừng gỗ lá kim, rừng tre nứa,
rừng ngập mặn,...
- Phân loại theo độ che phủ tán: rừng rậm (có độ che phủ tán > 70%),
rừng rậm trung bình (có độ che phủ tán từ 50-70%), rừng thưa (có độ che phủ
tán từ 20-50%).
Trong kỹ thuật viễn thám việc phân loại các đối tượng rừng theo trữ
lượng gỗ là một việc làm rất khó, mặc dù có tài liệu điều tra bổ sung mặt đất
đầy đủ và chi tiết thì kết quả đạt được cũng chưa cao. Việc phân loại theo
mục đích sử dụng bằng phương pháp viễn thám càng khó khăn hơn. Đối với
tư liệu viễn thám, kết quả thu nhận các đối tượng là năng lượng phản xạ phổ
khác nhau của các đối tượng hay còn gọi là giá trị cấp độ xám. Mặt khác, các
cấp độ xám khác nhau trên ảnh chủ yếu phụ thuộc vào độ dày tán rừng. Do
đó, với kỹ thuật viễn thám, phương pháp phân loại hiệu quả nhất mà có thể sử
dụng được là phân loại theo mức độ tác động, phân loại theo cấu trúc hình
thái và phân loại theo độ che phủ tán.
Trong luận văn này, tác giả căn cứ vào các hệ thống phân loại rừng và
đặc điểm tự nhiên của khu vực nghiên cứu là đảo Phú Quốc – một huyện đảo
-9thuộc tỉnh Kiên Giang, để đưa ra hệ thống phân loại cho bản đồ lớp phủ rừng
như sau:
1. Rừng trên đất ngập nước
+ Rừng ngập mặn
Rừng kín (độ che phủ ≥ 30%).
Rừng thưa (độ che phủ < 30%).
+ Rừng tràm
Rừng kín (độ che phủ ≥ 30%).
Rừng thưa (độ che phủ < 30%).
2. Các loại rừng khác
Rừng kín (độ che phủ ≥30%).
Rừng thưa (độ che phủ < 30%).
1.2. Khái niệm về biến động
1.2.1 Khái niệm chung về biến động
Cụm từ biến động được hiểu là sự biến đổi, thay đổi, thay thế trạng thái
này bằng một trạng thái khác liên tục của sự vật, hiện tượng tồn tại trong môi
trường tự nhiên cũng như môi trường xã hội.
1.2.2 Biến động về diện tích đối tượng - biến động về số lượng
Giả sử cùng đối tượng A ở thời điểm T1 có diện tích S1 , ở thời điểm T2
có diện tích là S2 (đối tượng A thu nhận được từ hai ảnh vệ tinh có thời điểm
chụp khác nhau). Như vậy ta nói rằng A bị biến đổi diện tích ở thời điểm T1
so với T2 (sự biến đổi này có thể bằng nhau, lớn hay nhỏ hơn) nếu ta dùng kỹ
thuật để chồng xếp hai lớp thơng tin này thì phần diện tích của phần trùng
nhau sẽ được gán giá trị cũ của đối tượng A, còn các giá trị khác sẽ là giá trị
của phần biến động. Giá trị biến động này là bao nhiêu tăng hay giảm phụ
thuộc vào thuật toán được sử dụng.
1.2.3 Biến động về bản chất đối tượng
Trên hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực ở hai thời điểm khác
nhau, diện tích A ở thời điểm T1 có giá trị M1, ở thời điểm T2 có giá trị M2
(M1, M2 là giá trị phổ), ta sử dụng thuật tốn chồng ghép hai lớp thơng tin tại
- 10 hai thời điểm T1, T2 sẽ xuất hiện giá trị M khác M1, M2. Giả sử diện tích A
khơng đổi ta nói rằng có sự thay đổi về chất của A, trên thực tế đây là sự thay
đổi loại hình sử dụng đất.
1.2.4 Các phương pháp đánh giá biến động
Theo dõi biến động lớp phủ thực vật đã trở thành một ứng dụng quan
trọng và được nghiên cứu nhiều trong kỹ thuật viễn thám. Với việc sử dụng
ảnh vệ tinh quang học, có thể tóm tắt lại thành bốn phương pháp đánh giá
biến động chính như sau:
Ản
h1
Phân
Loại
Ảnh
2
Phân
Loại
Ảnh
1
Phân
Loại
Đánh giá
biến động
Đánh giá
biến động
Ảnh
2
Phương pháp1: Phân tích sau phân Phương pháp 2: Phân loại ảnh đa thời
loại
gian
Ảnh
1
Ảnh
1
Tính tốn
Khác biệt
Phân
Loại
Đánh giá
biến động
Ảnh
2
Ảnh
2
Phương pháp 3: Nhận biết thay đổi phổ
Phân
Loại
Phân
Loại
Phương pháp 4: Kết hợp
Hình 1.1: Các phương pháp đánh giá biến động
lớp phủ thực vật từ ảnh viễn thám.
Phân
Loại
- 11 * Phương pháp 1: Phân tích sau phân loại
Việc tiến hành phân loại độc lập các ảnh viễn thám làm cho phương
pháp này có độ chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của từng phép
phân loại và đó thường là độ chính xác khơng cao, đặc biệt với chuỗi ảnh có
số lượng lớn. Nhận xét về độ chính xác của phương pháp này, Ding Yuan et
all đã đưa ra ví dụ: nếu độ chính xác của hai phép phân loại đạt lần lượt là
80% và 70%, độ chính xác của phần biến động nhận biết được sẽ đạt là 56%.
Do vậy cần phải hết sức thận trọng khi sử dụng mặc dù phải thừa nhận rằng
đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện
* Phương pháp 2: Phân loại trực tiếp ảnh đa thời gian
Phương pháp này thực chất là ghép hai ảnh vào nhau tạo thành ảnh đa
thời gian trước khi phân loại. Hai ảnh có N kênh được chồng phủ lên nhau để
tạo nên một ảnh có 2N kênh. Kết quả phân loại của ảnh chồng phủ gồm 2N
kênh này là một tập hợp bao gồm các lớp thay đổi và các lớp không thay đổi.
Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là tuy chỉ phân loại một lần, một ảnh
(đa thời gian) nhưng lại rất phức tạp trong lấy mẫu vì phải lấy tất cả các mẫu
không biến động cũng như các mẫu biến động. Hơn nữa, ảnh hưởng của sự
thay đổi theo thời gian (trong các mùa trong năm) và ảnh hưởng của khí
quyển cũng khơng dễ được loại trừ và do đó ảnh hưởng tới sự chính xác của
phương pháp.
* Phương pháp 3: Nhận biết thay đổi phổ
Về bản chất, nhóm phương pháp này sử dụng các kỹ thuật khác nhau
để từ hai ảnh ban đầu tạo nên một kênh hay nhiều kênh ảnh mới thể hiện sự
thay đổi phổ. Sự khác biệt hoặc tương tự phổ giữa các pixel có thể được tính
cho từng pixel hoặc tính trên tồn cảnh cùng với tính trên từng pixel. Vì thế,
phương pháp này địi hỏi nắn chỉnh hình học phải có sai số nhỏ hơn 1 pixel.
Kết quả của việc so sánh là một ảnh chỉ rõ những khu vực có thay đổi
và không thay đổi cũng như mức độ thay đổi (ảnh này được gọi là ảnh thay
- 12 đổi). Khi ảnh này được tạo ra, để có thể phân định được rõ các pixel thay đổi
cũng như mức độ thay đổi, cần phải có một số bước xử lý tiếp theo, trong đó
quan trọng nhất là kỹ thuật phân ngưỡng. Phân ngưỡng thực chất là việc định
nghĩa mức độ mà tại đó chúng ta coi là sự thay đổi. Phương pháp xác định
ngưỡng được sử dụng nhiều nhất là phân tích hàm phân bố của ảnh thay đổi.
* Phương pháp 4: Kết hợp
Như đã thấy ở trên, nhóm các phương pháp nhận biết thay đổi phổ ln
cần có các phân tích tiếp theo để nhận được các thơng tin về sự thay đổi.
Trong khi đó, các phương pháp nhận biết dựa trên phân loại lại là những phân
tích thể hiện sự thay đổi. Vì vậy, để giảm sai số trong nhận biết biến động lớp
phủ thực vật, việc kết hợp giữa hai phương pháp này có thể được tiến hành
theo rất nhiều các phương pháp khác nhau. Ý tưởng chính của việc kết hợp
này là sử dụng các phương pháp trong nhóm phương pháp nhận biết thay đổi
phổ để chỉ ra các vùng có thay đổi và sau đó áp dụng phương pháp phân loại
chỉ cho những vùng này để định danh sự thay đổi đó.
1.2.5. Kết hợp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ
Trong nghiên cứu biến động lớp phủ rừng, GIS đóng vai trị rất quan
trọng trong việc tập hợp và phân tích cơ sở dữ liệu. Mục đích của cơ sở dữ
liệu là tổng hợp, hệ thống hóa và thống nhất nguồn dữ liệu phục vụ việc theo
dõi đánh giá và dự báo biến động lớp phủ rừng. Cấu trúc cơ sở dữ liệu bao
gồm các file chứa các dữ liệu vị trí (dữ liệu khơng gian) và dữ liệu mơ tả (dữ
liệu thuộc tính) về các đối tượng trên bản đồ.
Mặt mạnh của GIS thể hiện qua chức năng phân tích khơng gian. Chức
năng này được dùng để tạo thêm các thông tin địa lý bằng cách sử dụng các
thơng tin đã có hay phát triển các cấu trúc không gian hoặc mối liên quan
giữa các thông tin địa lý. Trong phân tích biến động lớp phủ rừng, ta thường
dùng các kỹ thuật sau:
- 13 - Tạo thêm thơng tin có giá trị gia tăng qua chồng lớp dữ liệu hoặc tạo
vùng đệm:
+ Chồng lớp dữ liệu là một kỹ thuật phổ biến trong phân tích khơng
gian. Nhiều lớp dữ liệu được chồng lên nhau theo một phép toán đại số hoặc
logic nào đó để có một lớp dữ liệu mới.
+ Tạo vùng đệm là xác định khu vực nằm trong một bán kính nhất định
đối với một điểm hoặc một đường nào đó. Thơng thường, độ dài của bán kính
vùng đệm được xác định do ảnh hưởng của điểm hoặc đường trên tới xung
quanh.
- Kỹ thuật liên kết là sự kết hợp của nhiều kỹ thuật phân tích khơng
gian với nhau để ta có được kết quả cần thiết.
Ngồi ra, để tìm kiếm dữ liệu thỏa mãn một điều kiện đặt ra, ta cịn sử
dụng chức năng truy vấn khơng gian của GIS:
- Truy vấn dữ liệu thuộc tính: tìm kiếm một phân bố không gian hay một
vùng thỏa mãn một số điều kiện thuộc tính
- Truy vấn dữ liệu địa lý: tìm kiếm tất cả các dữ liệu thỏa mãn một điều
kiện địa lý đã cho như vị trí, hình dạng...
Việc tìm kiếm và phân tích dữ liệu phụ thuộc vào khả năng liên kết hai
kiểu dữ liệu này. Khả năng liên kết càng lớn thì việc tìm kiếm và phân tích dữ
liệu sẽ càng hiệu quả. Người sử dụng có thể truy nhập dữ liệu bảng thông qua
bản đồ hoặc có thể tạo ra bản đồ thơng qua các cơ sở dữ liệu bảng. Để truy
cập và hiển thị dữ liệu này, máy tính phải lưu trữ cả dữ liệu dạng bảng và dữ
liệu đồ họa theo khn dạng có tổ chức và có thể tìm kiếm được.
Trong khâu nhập và xử lý dữ liệu ta tiến hành nhập các dữ liệu khơng
gian và dữ liệu thuộc tính vào máy. Các lớp bản đồ địa hình cần thiết cho một
bản đồ rừng được số hóa theo một hệ tọa độ chuẩn (VN2000). Để tiện lợi cho
việc so sánh, phân tích biến động ta cũng tiến hành số hóa các ranh giới của
các loại rừng khác nhau theo hệ tọa độ này. Sau khi có các lớp dữ liệu khơng
- 14 gian, ta nhập thuộc tính cho các đối tượng. Với các yếu tố dạng điểm, ta nhập
mã định dạng ID (số) và tên (chữ). Các yếu tố dạng đường, ta nhập mã, tên và
có thể thêm một số mô tả khác về loại, chất lượng... Các yếu tố dạng vùng là
đối tượng quan trọng nhất trong nghiên cứu biến động lớp phủ rừng, ta cũng
nhập mã, tên, các giá trị tính từ bản đồ (diện tích, chu vi...) và các giá trị
thuộc tính khác như loại rừng, độ che phủ, tuổi rừng... Việc nhập các dữ liệu
này là một cơng việc vơ cùng quan trọng, nó sẽ hỗ trợ cho việc xử lý dữ liệu
viễn thám (nắn chỉnh hình học, phân loại...). Do sự tương ứng về hệ tọa độ
nên các thông tin viễn thám dễ dàng được chuyển vào GIS, phục vụ cho các bước
tiếp theo.
1.3. Tình hình nghiên cứu lớp phủ rừng bằng cơng nghệ viễn thám
Ảnh số có khả năng thể hiện các thơng tin về địa hình, địa chất, thực
vật và lớp đất thổ nhưỡng. Ở những vùng khơ sóng điện từ có thể xuyên qua
bề mặt Trái đất ở một độ sâu nào đó.
Trong tình hình hiện nay đã đặt ra nhiều nhiệm vụ về ứng dụng và phát
triển công nghệ viễn thám ở nước ta, nên các tư liệu viễn thám đang được sử
dụng phổ biến để thành lập bản đồ lớp phủ bề mặt trong đó có lớp phủ rừng
và nghiên cứu biến động đất rừng nhằm sử dụng hợp lý tài ngun thiên nhiên
và bảo vệ mơi trường. Chính vì ứng dụng tư liệu viễn thám và công nghệ GIS
trong nghiên cứu biến động lớp phủ rừng có các ưu điểm sau:
- Khả năng cập nhật thông tin nhanh và có hệ thống.
- Thể hiện phần lớn các thơng tin về lớp phủ mặt đất.
- Tư liệu viễn thám đa thời gian đáp ứng được yêu cầu về khả năng cập
nhật và tính chu kỳ trong nghiên cứu biến động.
- Tư liệu viễn thám đảm bảo tính đồng nhất cao về không gian và thời
gian của các thông tin trên phạm vi lãnh thổ lớn, cho phép chỉnh lý, bổ sung
các yếu tố thành phần trong trường hợp cần thiết.
- 15 - Sự kết hợp giữa các thông tin viễn thám và GIS, thông tin liên lạc từ
vũ trụ, định vị từ xa.
Ngoài những ưu điểm trên khi nghiên cứu sự biến động lớp phủ rừng
trên ảnh viễn thám cịn phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Độ chính xác hình học của ảnh vệ tinh, độ tin cậy xác định của các đối
tượng thực vật mà ảnh vệ tinh đem lại.
- Các đặc trưng riêng của các loại ảnh vệ tinh như độ phân giải trong
không gian, độ phân giải phổ và chu kỳ lặp lại.
- Các điều kiện tự nhiên của vùng nghiên cứu biến động lớp phủ rừng.
- Trình độ, kỹ năng của người giải đốn và điều kiện trang thiết bị và
phần mềm sử dụng.
1.3.1. Trên thế giới
Như đã phân tích ở trên, việc kết hợp giữa công nghệ viễn thám và GIS
đã mở ra khả năng to lớn cho việc ứng dụng chúng trong các lĩnh vực khoa
học khác nhau:
- Trong nghiên cứu lâm nghiệp có thể nói cơng nghệ viễn thám và GIS
được ứng dụng đầu tiên và có hiệu quả. Hiện nay việc sử dụng tư liệu viễn
thám trong thành lập bản đồ rừng, theo dõi biến động chặt phá rừng,… đã trở
thành công nghệ phổ biến trên thế giới. Khi kết hợp công nghệ viễn thám và
GIS đã mở ra nhiều hướng ứng dụng quan trọng như dự báo những khu vực
có nguy cơ cháy rừng, dự báo sự suy giảm diện tích rừng trên quy mơ lớn
tồn cầu do biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số, kiểm soát, ngăn chặn sự
lây lan của bệnh tật đối với một số loài cây rừng,… Để dự báo nguy cơ cháy
rừng, người ta sử dụng tư liệu viễn thám để phân loại rừng, cịn dữ liệu hệ
thơng tin địa lý cung cấp thơng tin về địa hình, khí hậu, thời tiết, mạng lưới
sông suối và đặc biệt những thông tin lưu giữ những nơi đã xảy ra cháy rừng
ở mức độ khác nhau. Để dự báo sự biến đổi diện tích rừng trên quy mơ lớn
tồn cầu, người ta sử dụng ảnh NOAA và số liệu thống kê qua nhiều năm về
