KHOA HỌC CÔNG NGHỆ N«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n KỲ 2 TH¸NG 10/2020 94 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC RỪNG TRÀM (Melaleuca cajuputi) TẠI VƯỜN QUỐC GIA U M[.]
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC RỪNG TRÀM (Melaleuca cajuputi) TẠI VƯỜN QUỐC GIA U MINH THƯỢNG, TỈNH KIÊN GIANG Nguyễn Viết Lương1, Trình Xn Hồng1, Tơ Trọng Tú1, Phan Thị Kim Thanh1, Lê Mai Sơn1 TÓM TẮT Trong nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh chụp năm 2018 ALOS-2 PALSAR-2, Sentinel-1, Landsat OLI Sentinel-2 liệu khảo sát thực địa 45 ô tiêu chuẩn cho xây dựng mơ hình cho ước tính đặc điểm cấu trúc rừng đường kính, chiều cao, mật độ rừng tràm Kết nghiên cứu cho thấy rằng: tín hiệu tán xạ ngược từ phân cực HV từ ảnh vệ tinh ALOS-2 PALSAR-2 có liên quan chặt chẽ với thông số cấu trúc rừng tràm đường kính (R2=0,78; RMSE = 0,43), chiều cao (R2=0,78; RMSE = 0,31) mật độ rừng (R2=0,75; RMSE = 377) Kết này sở khoa học cho việc nghiên cứu đặc điểm cấu trúc rừng sử dụng liệu viễn thám cho mục đích hỗ trợ việc đưa định lựa chọn biện pháp lâm sinh phù hợp cho công tác bảo tồn, phục hồi phát triển bền vững tới hệ sinh thái rừng tràm hệ sinh thái rừng khác Việt Nam Từ khóa: Rừng tràm, cấu trúc rừng, đường kính, chiều cao, mật độ, mơ hình, viễn thám GIS ĐẶT VẤN ĐỀ3 Hệ sinh thái rừng tràm hệ sinh thái độc đáo vùng nhiệt đới thay đổi số sinh học rừng tràm ảnh hưởng đến môi trường ven biển vùng đất ngập nước [2] Việt Nam quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên số khu vực thuộc đồng sơng Cửu Long có xuất rừng tràm bao gồm tỉnh An Giang, Cà Mau, Đồng Tháp, Kiên Giang, Long An Tiền Giang [1, 13] Đặc trưng hệ sinh thái rừng nói chung bao gồm rừng tràm đặc điểm cấu trúc rừng Cấu trúc lâm phần hay cấu trúc rừng xếp rừng theo chiều ngang theo chiều thẳng đứng Tuy đặc điểm cấu trúc rừng phức tạp Nhưng cấu trúc rừng có quy luật xếp tổ hợp thành phần cấu tạo nên quần thể thực vật rừng theo không gian thời gian Đây thông tin quan trọng định tới việc định lựa chọn biện pháp phục hồi, bảo tồn phát triển rừng khu vực cụ thể [13] Ngày nay, liệu viễn thám nghiên cứu tài Phòng Viễn thám ứng dụng, Viện Công nghệ vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Email: nvluong@sti.vast.vn 94 nguyên rừng, có cấu trúc rừng khẳng định vai trị tính hiệu [11] Tuy nhiên nghiên cứu ứng dụng công nghệ cho cấu trúc rừng Việt Nam chưa trọng [9] Các nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh quang học thường sử dụng số thực vật DVI (Difference Vegetation Index); LAI (Leaf Area Index); NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) để khám phá mối tương quan chúng thông số cấu trúc rừng như: Castillo nnk (2010) [3] nghiên cứu cấu trúc rừng mưa Lacando Chiapas, Mexico ảnh vệ tinh SPOT5 XS; Gómez nnk (2012) [5] sử dụng ảnh QuickBird nghiên cứu cấu trúc rừng thông khu vực Địa Trung Hải, Tây Ban Nha; Ozkan nnk (2018) [10] nghiên cứu thông số cấu trúc rừng vùng Adiyaman Thổ Nhĩ Kỳ Các nghiên cứu sử dụng liệu lidar có Drake nnk (2002) [4] nghiên cứu cấu trúc rừng khu rừng ẩm ướt nhiệt đới Costa Rica; Van Leeuwen nnk (2003) [15]; Kennaway nnk (2008) [8] sử dụng liệu lidar cho việc ước lượng cấu trúc rừng vùng đảo Virgin; Zhao nnk (2011) [16] sử dụng công nghệ lidar cho nghiên cứu cấu trúc rừng phía Đơng bang Texas Hoa Kỳ Các nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh radar gần có: Iizuka & Tateishi (2014) [6], sử dụng tín hiệu băng L từ v tinh ALOS phõn tớch mi Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - THáNG 10/2020 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ tương quan đặc điểm bật lâm phân loài Sugi (Cryptomeria japonica) Hinoki (Chamawordparis obtusa) Nhật Bản; Lương nnk (2016) [9] ước tính cấu trúc rừng khộp vùng Tây Nguyên Việt Nam; Phạm nnk (2019) [11] giám sát loài cấu trúc rừng ngập mặn Nhìn chung nghiên cứu đề cập liệu viễn thám có tiềm nghiên cứu cấu trúc rừng nhiệt đới Mục tiêu nghiên cứu hướng tới sử dụng phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám nghiên cứu đặc điểm cấu trúc rừng nhằm để có thơng tin nhanh chóng, xác, giảm chi phí áp dụng quy mơ rộng lớn Qua góp phần hỗ trợ cho việc lưa chọn định biện pháp lâm sinh thích hợp phục vụ cơng tác phục hồi, quản lý, bảo tồn phát triển bền vững rừng tràm Vườn Quốc gia U Minh Thượng các hệ sinh thái rừng khác Việt Nam VỊ TRÍ KHU VỰC NGHIÊN CỨU Hình Vị trí khu vực nghiên cứu (ranh giới màu đỏ) PHƯƠNG PHÁP VÀ DỮ LIỆU 3.1 Phương pháp thực địa Vườn Quốc gia (VQG) U Minh Thượng có tổng diện tích có diện tích 8.053 nằm phía Tây bán đảo Cà Mau, thuộc tỉnh Kiên Giang, cách thành phố Rạch Giá 60 km phía Nam cách thành phố Hồ Chí Minh khoảng 365 km phía Tây Nam [14] VQG U Minh Thượng nằm địa bàn xã An Minh Bắc xã Minh Thuận, huyện U Minh Thượng, tỉnh Kiên Giang có tọa độ địa lý từ 9o31'16” đến 9o39'45” vĩ TT độ Bắc, 105o03'06” đến 105o07'59” kinh độ Đông Vùng lõi VQG có dạng hình thoi khơng cân hệ thống đê bao với tổng chiều dài 38.000 m [14] Vị trí VQG U Minh Thượng thể hình Nghiên cứu sử dụng 45 tiêu chuẩn, kích thước 20 m x 25 m (500 m2) thu thập vào tháng 10 năm 2018 Tại ô tiêu chuẩn thông số cấu trúc rừng đường kính (D1.3 cm), chiều cao (Hm) mật độ rừng (N/ha) đo đếm Tóm tắt kết thông số cấu trúc rừng tràm sử dụng nghiên cứu trình bày bảng Bảng Tóm tắt thơng số cấu trúc rừng tràm khu vực nghiên cứu từ thực địa Các thông số cấu trúc rừng Giá trị tối thiểu Giá trị đối đa Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn Đường kính (m) 5,81 13,16 8,99 1,95 Chiều cao (m) 3,66 9,13 5.71 1,40 160 5220 2.229 1602 -1 Mật độ (cây.ha ) 3.2 Ảnh vệ tinh sử dụng TT Bảng Các thông số vệ tinh sử dụng nghiên cứu Satellite Thời gian Độ phân Scene ID Ghi Sensors chụp giải Landsat LC081250532018103101T1Đã hiệu chỉnh khí 31-10-2018 30m/15m OLI SC201811151031 Sentinel-2 Đã hiệu chỉnh khí S2A_tile_20180327_48PWR_0 02-11-2018 10m MSI S1A_IW_GRDH_1SDV_2018 Đã xử lý hiệu Sentinel 25-03-2018 10m 1103T111055_tc_10 chỉnh địa hình ALOS-2 Đã xử lý hiệu ALOS2205610180-180314 14-03-2018 6.5m PALSAR-2 chnh a hỡnh Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - THáNG 10/2020 95 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Dựa lực cung cấp, kế hoạch phát triển dài hạn vệ tinh, khả tiếp cận người dùng ứng dụng vào thực tế lựa chọn ảnh vệ tinh cho nghiên cứu Đối với hình ảnh radar lựa chọn liệu từ vệ tinh Sentinel-1, gồm có phân cực VH (VH_S1) VV (VV_S1); ALOS-2 PALSAR-2 gồm có phân cực HH (HH_P2) HV (HV_P2) Các liệu ảnh quang học lựa chọn từ vệ tinh Landsat OLI Sentinel-2 thể hình Các thơng số ảnh vệ tinh sử dụng mô tả bảng 3.3 Xử lý liệu ảnh vệ tinh Đối với ảnh vệ tinh radar: Sentinel 1, băng C gồm có phân cực VH VV, độ phân giải 10 m ALOS-2 PALSAR-2, băng L mức độ xử lý 2.1 với phân cực HH HV, độ phân giải liệu 6,25 m Sử dụng công cụ lọc nhiễu Frost thực hiệu chỉnh xạ, hiệu chỉnh địa hình Chuyển đổi giá trị DN (digital number) hai phân cực HH HV sang giá trị tán xạ ngược (backscattering intensity) tính theo cơng thức cung cấp JAXA (2017) [7] σo = 10 x log10 (DN2) + CF (1) Trong đó: DN giá trị số điểm ảnh; σo giá trị tán xạ ngược, đơn vị decibels (dB) CF hệ số chuyển đổi Theo công bố JAXA giá trị CF 83,0 [7] Các ảnh vệ tinh quang học (Sentinel-2 Landsat 8) hiệu chỉnh khí hình học Chỉ số khác biệt thực vật NDVI tính theo công thức [13]: NDVI = (NIR - IR)/(NIR + IR) (2) Trong đó: NIR phổ phản xạ kênh cận hồng ngoại IR phổ phản xạ kênh đỏ 3.4 Phương pháp phân tích liệu Nghiên cứu thử nghiệm với dạng phương trình (3) (4) (5) sau để biểu diễn mối quan hệ thông số cấu trúc rừng (D1.3 cm, Hm, N/ha) với thông số chiết xuất từ ảnh vệ tinh Hàm tuyến tính lớp: Y = a + b.X (3) Hàm số mũ (Exponential): Y = a.eb.x (4) Hàm bậc hai: Y = a0 + a1.X + a2 X (5) Phương pháp đánh giá độ xác mơ hình dựa vào hệ số xác định (R2) sai số tuyệt đối mơ hình xác định theo phương pháp bình phương nhỏ (RMSE) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Mơ hình ước lượng đường kính (D1.3 cm) rừng Tràm (Melaleuca cajuputi) sử dụng liệu ảnh vệ tinh Bảng Tóm tắt kết xây dựng mơ hình ước tính thơng số đường kính (D1.3 cm ) sử dụng liệu ảnh vệ tinh Biến số Dạng Hệ số xác RMSE TT Mơ hình sử dụng phương trình định (R2) Mơ hình HV_P2 0,76 0,47 Mơ hình HV_P2 0,78 0,43 Mơ hình HV_P2 0,78 0,43 Mơ hình HH_P2 0,32 1,33 Mơ hình HH_P2 0,35 1,27 Mơ hình HH_P2 0,40 1,17 Mơ hình VH_S1 0,62 0,74 Mơ hình VH_S1 0,62 0,74 Mơ hình VH_S1 0,66 0,66 10 Mơ hình 10 VV_S1 0,33 1,31 11 Mơ hình 11 VV_S1 0,39 1,19 12 Mơ hình 12 VV_S1 0,56 0,86 13 Mơ hình 13 NDVI_L8 0,62 0,74 14 Mơ hình 14 NDVI_L8 0,61 0,76 15 Mơ hình 15 NDVI_L8 0,66 0,66 16 Mơ hình 16 NDVI_S2 0,60 0,78 17 Mơ hình 17 NDVI_S2 0,60 0,78 18 Mơ hình 18 NDVI_S2 065 0,68 96 Nông nghiệp phát triển nông thôn - K - THáNG 10/2020 KHOA HC CễNG NGHỆ Các kết xây dựng mơ hình ước tính thơng số đường kính rừng tràm (biến phụ thuộc) sử dụng liệu chiết xuất từ ảnh viễn vệ tinh (biến độc lập) trình bày tóm tắt bảng Kết nghiên cứu xây dựng mơ hình ước tính thơng số đường kính rừng tràm cho thấy có mơ hình có hệ số tương quan thấp (R2