Luận án tiến sĩ Bảo vệ, sử dụng hợp lý và tái tạo tài nguyên thiên nhiên: Nghiên cứu biến động hiện trạng lớp phủ thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng phương pháp viễn thám và hệ thông tin địa lý

Với các lý do nêu trên, việc áp dụng phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn,góp phần sử dụng hợp lý, bảo vệ tà

DANH MỤC BANG

Bang 1 Ảnh vệ tinh sử dụng trong luận án -¿- 2-52 52+S2+E2EEEeEEEEEEEEExrrertees 8

Bang 2 Các ban đồ chuyên đề được sử dUng cecccecceccessessessessessessessessessessessesseeees 9

Bảng 1.1 Điểm mạnh, yếu của các kỹ thuật thành lập bản đồ thực vật khác

¡0 24

Bang 2.1 Các mức thông tin khai thác — chú giải bản đỒ - 2-2 2 zss¿ 49

Bảng 2.2 Độ phân tách mẫu 2- 2 252252 2E#SE£EEEEEEEE2EE2EE2EE232EE2EEEEEErerrrrrrer 55

Bảng 2.3 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo cấp độ cao 64

Bảng 2.4 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo câp độ dốc 64

Bang 2.5 Hệ số chuẩn hóa ảnh -2- 2-52 SE2SE‡EE‡2EE2EE2 1521211211271 71.211 1x xe 72

Bảng 2.6 Thống kê diện tích hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trả

460 73

Bang 2.7 Chi số biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 83

Bảng 3.1.So sánh mô hình raster và vector trong mô hình hóa xói mòn trên GIS 98

Bang 3.2 Bang tra C theo Hội khoa học đất quốc tế -:- 2552 112Bảng 3.4 Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc AT 114Bang 3.5 Phân cấp xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc - 115Bang 3.6 Phân cấp xói mòn lưu vực sông Trà Khúc -¿- 5z ©5z5sz=s2 117

Bảng 4.1 Biến động xói mòn 1989-11997 2¿©+++2++222x2223222312221221eerxre2 132

Bang 4.2 Biến động xói mòn 1997-2001 -2: 22 ©2¿22x22++2E+2EE+2EEzxxrrxesrei 132Bang 4.3 Biến động lớp phủ thực vật và biến động xói mòn năm 1989-1997 136Bang 4.4 Biến động lớp phủ thực vật và biến động xói mòn năm 1997-2001 137Bang 4.5 Phân cấp xói mòn và xói mòn tiềm năng 2- 2 5¿©2z>sz+>+2 148

Bảng 4.6 Tính toán mức độ ưu tiên cho các vi trí qui hoạch - 151

Bang 4.7 Diện tích các biện pháp qui hoạch lưu vực sông Tra Khúc 154

DANH MỤC HÌNH VE

Hình 1 Qui hoạch và vấn đề sử dụng hợp lí tài nguyên đất tiếp cận qua quá trình

MOL MON 01 ga 5

Hình 2 Phương pháp nghiÊn CỨU - 5: 223212121 15121 1551111 112111111 111111 xe 6 Hình 1.1 Các xu hướng nghiên cứu xói mòn hiện đại - 5-55 +c+c<c+2 15

Hình 1.2.Thành lập ban đồ thực vật trong ba thập niên gần đây 23

b Anh da hiéu chinh anh huong cua địa hình đên bức xatheo mô hình Lambert 54

Hình 2.6 Phân bô các mẫu trên không gian kênh 4 và kênh 3,

Hình 2.10 Pixel ““PUT€”” - - c1 11211 12 1111110111011 01111110 1 011 HH HH ng ng Hiện 61

Hình 2.11 Kết hợp thông tin thành lập bản đồ hiện trang lớp phủ thực vat 63Hình 2.12 Ban đô hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc

00002000 65

Hình 2.13 Phân bố lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo độ cao 66Hình 2.14 Phân bó lớp phủ thực vật theo cấp độ dốc - 2 z2 66Hình 2.15 Histogram ảnh tỷ số NIDVI -©225£2S22EESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkerkrrer 69

Hình 2.16 Tính toán biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc từ ảnh

điểm 1989-1997 và 199/7-2001 -¿-22222¿22222122222211122211112227112217112220111 22011 cce 82Hình 3.1 Sử dụng mô hình USLE trong tính toán xói mòn bằng GIS 96

Hình 3.2 Các bước tính toán bản đồ hệ số R -¿- 5+ 2 SE+E+EvEEEE+E+EeEEzErErrerez 100 Hình 3.3 Bản đồ hệ số R lưu vực sông Trà Khúc 22: 2czz+222vsee+ezrsed 102 Hình 3.4 Các bước thành lập bản đồ hệ số K 2- 2 2 2 xe£2E2E+zEecxe: 103 Hình 3.5 Bản đồ hệ số K lưu vực sông Trà KÚc +: 2c 2c sxsxsxsrsrsrsres 104 Hình 3.6 Các bước tính toán bản đồ hệ số LS - 2 2 s+2x+zx+£Ezz+zzzred 109 Hình 3.7 Bản đồ hệ số LS lưu vực sông Trà Khúc 2- 5z ©zcsz25z+: 108

Hình 3.8 Bản đồ hệ số C lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 z 2 113

Hình 3.9 Bản đồ xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc - 116

Hình 3.10 Ban đồ xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 - 118

Hình 3.11 Ban đồ phân cap xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 119

Hình 3.12 Diện tích xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc 120

Hình 4.1 Tiếp cận ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn phục vụ mục dich sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc -.- 123

Hình 4.2 Ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn 127

Hình 4.3 Bản đồ biên động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 1989-1997 130

Hình 4.4 Bản đồ biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 1997-2001 131

Hình 4.5 So sánh biến động xói mòn hai thời kỳ 1989-1997 -: 5: 134 Hình 4.6 Biến động xói mòn 1989-1997 - +: 2¿+2E++EEt2EEE2EE2212221 222 2Eecrk 134 Hình 4.7 Biến động xói mòn 199/7-2001 2 + £+2E++E++EE+EE+zEzE+zrxrrxersee 135 Hình 4.8 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn thời kỳ 1989-1997 s2 122122 12211211221121121221121121111121211121122212 Ea 138 Hình 4.9 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn thời kỳ 1997-2001 138 Hình 4.10 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc nam 1989-~1199ƒ7 - + c3 3831133341551 E111 E111 140 Hình 4.11 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới biến động xói mòn lưu vực sông Trà Khúc năm 19977-200]L - 2c 3223313233313 EEEEErrkree 141 Hình 4.12 Qui hoạch — công cu giúp sử dung hợp lý tài nguyên đất 144

Hình 4.13 Phân tích mối quan hệ lớp phủ thực vật-xói mòn dé đưa ra các thông tin Phuc VU qui hOACH 0000201277 Ả 147

Hình 4.14 Cac bước tính toán khu vực tác động - ¿ 7c + s+scsxssssesrs 149 Hình 4.15 Các bước tính toán khu vực ưu tIÊN - 5c ScSSe+sereerrrrek 150 Hình 4.16 Các bước tính toán biện pháp tác động -c ccc>: 151 Hình 4.17 Bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mòn lưu vực sông Trà Khúc 152

Hình 4.18 Bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mòn huyện Sơn Tây - 153

MỤC LỤC

00271000057 |

1 _ Tính cấp bách của vấn đề - +: -++2+++Ekt2EkE2E1221122122122112712221 22.2 xe 1 2 Mục tiêu nghiÊn CỨU - - G2 1211121121131 1 115111119 111111111111 T11 11H Hy rệt 3 E N0 0/013 a A1lBB 3

4 Giới hạn phạm vi nghién CỨU - 2 3c 3221321112131 E11 EEEEErrkrrre 4 5 Quan điểm và phương pháp nghiÊn CỨU «se 4 6 Cac giả thiết nghiên cứu (luận điểm bảo vệ) - 2-52 sccx+xzcserxeei 7 7 Những điểm mới của luận án ¿- 2 2S SE EEEE2E12E12EE21E117111 21121 re 7 8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - 2 2 5E+E2+EE£EEEEE2EE2EEEEEEEEEErrkerkee 8 9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án -cccceereerierierirrirrirriee 8 10 Khối lượng và cau trúc luận án ¿ 2¿©2+222+2x+2Ext2EE2EEESEESrkrrrrerkree 9 Chương 1 TINH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI MON VÀ ĐÁNH GIA BIEN ĐỘNG LỚP PHU THUC VAT Ở VIỆT NAM VA TREN THE GIỚI - -: : +5: +5+5-+ 10 1.1 Tổng quan về nghiên cứu Xói ÒN 2- 2c + tSk£EE£EEE2EE2EEEEEEEErErrkrred 10 1.1.1.Vẫn dé xói mòn -:- 22 2St+SE+2E2EE2EEEEEE2E122127171211211211 112121 xe 10 1.1.2 Mô hình và mô hình hóa Xói MON - ¿5+ ++ + + *+ E+eexeeeeeerssxss 13 1.1.3 Các xu hướng mới trong nghiên cứu XÓI mÒn - - + ++x++xcsxc+ 14 1.1.4 Vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên đất và các biện pháp hạn chế ,{0801:0117757 16

1.2 Đánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng ảnh vệ tỉnh 21

1.2.1 Ảnh vệ tỉnh và các thông tin phản ánh về hiện trạng lớp phủ 21

1.2.2 Nghiên cứu lập bản đồ hiện trang lớp phủ từ ảnh vệ tỉnh 24

1.2.3 Nghiên cứu theo dõi biến động lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh 26

1.3 Điều kiện địa ly tự nhiên lưu vực sông Trà Khúc - -+ <++-<++ 35 Chương 2 ÁP DỤNG TIẾP CAN ĐA QUY MÔ TRONG XỬ LÝ SO ANH VIÊN THÁM DE THEO DOI BIEN ĐỘNG LỚP PHỦ THỰC VAT LƯU VUC )))'eui 04.0 4

2.1 Thông tin trên ảnh viễn thám và tiếp cận đa quy mô trong chiết xuất 00:00 Hra‹dAẦIiá:.0:.i - 41

2.1.1 Thông tin trên ảnh viễn thám - 2 + 2+ £+E+E£+E+EzE+EEzEerErrrrerees 41 2.1.2 Chiết xuất thông tin bằng tiếp cận da quy mô :¿ 5z: 44 2.2 Các phương pháp đánh giá biến động - 2-52 ©secxeEvEzEzErrees 45 2.3 Hệ thống phân loại lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 47

2.4 Thành lập ban đô hiện trang lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 49

2.4.1 Nan chỉnh hình học - + 2+9 SE+E+EEEEEE+EEEEEESEEEEEEEEEEEEEEESErEErkrrrreree 502.4.2 Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến bức xạ 2-2-2: 522.4.3 Phân loại có kiểm định: -c:52+t2E2xtrttEktrrrtttrrrrtrrrrrtrrrrrrieg 54

2.5.1 Định chuẩn tương đối 2-52 1E E2E2E121111211211211 111121 xe 71

2.5.2 Thành lập bản đồ khu vực biến động -. - 2 5¿2c+++z++cszze: 72

2.5.3 Biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc - 72

2.6 Phân tích các đặc trưng biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông

2.6.1 Biến động theo thời gian - 2-52 SE EEEE 2 12E12121711111 2111 1e, 77

2.6.2 Biến động theo không gian o ceccecccscsssessessesseesessessessesstessessessesseesessen 782.6.3 Cau trúc (pattern) biến động - ¿2 s22 2122121711121 1c 812.7 Hạn chế của việc sử dung ảnh viễn thám trong đánh giá biến động lớp phủ

thực vật lưu vực lưu vực sông Trà Khúc và cách khắc phục .‹ - 84

Chuong 3

MO HINH HOA XOI MON LUU VUC SONG TRA KHUC BANG HE THONG

THONG TIN DIA LÝ -:+++2222222222222222222222222211212222222 mrrriri 87

3.1 Phương pháp mô hình trong đánh giá xói mòn đất -: s:s¿ 873.2 Các mô hình đánh giá lượng đất mat do xói mòn - ¿s2 +2 s+ce+ 88

3.2.1.M6 hinh kinh nghiém 0 88

3.4.5 Bản đô hệ số P .:-222t 22 t2 t2 rrrirrrirrie 1143.4.6 Bản đồ xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc - 114

3.4.7 Bản đồ xói mòn lưu vực sông Trà Khúc - c5 s+c+zzxezez 117

3.5 Một số ưu điểm của phương pháp mô hình hoá xói mòn băng hệ thống

thông tin dia lý so với phương pháp truyền thống . - 5c s+cs+cs2 5+2 120

Chương 4

ANH HUONG BIEN ĐỘNG LỚP PHU THUC VAT

TOI XOI MON VA SU DUNG HOP LY TAI NGUYEN DAT LUU VUC SONG

4.2 Sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc - 142

4.2.1 Xói mon và van dé sử dụng hợp lý tài nguyên đắt - 142 4.2.2 Sửdụng quan hệ giữa lớp phủ thực vật và xói mòn trong qui hoạch 145 4.3 Một số nhận xét về bản đồ qui hoạch giảm thiêu xói mòn lưu vực sông

r8 2 ăaAaa 154

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÓ

LIEN QUAN ĐEN LUẬN ẢN - -.- - 2.1.1.2 22111 11112111111121112111111 11 11 re 160

TÀI LIEU THAM KHẢO 22-2222222+22EE223E221112211122112211 2211 161Phụ lục 1 Điểm khống chế và sai số nắn chỉnh hình học - 2: 2252 172Phụ lục 2a Báo cáo phân loại có kiểm định cửa số khảo sát :55s:-e: 175

Phụ lục 2b Phân loại dưới pixel ccccccccsesssseseseseseseseseececseseseseseseenecessesesesenees 177

Phụ lục 3 Thư viện của một số end-member (theo John Hopkins University va

Phu luc 4 Bang ma tran bién động lớp phủ thực vat lưu vực sông Tra Khúc 188Phụ lục 5 Giới thiệu một số phần mềm tính toán xói mòn - 191Phụ lục 6 Thông tin thực địa và kiểm tra độ chính xác bản đồ hiện trạng lớp phủ

thỰC Vậ( - cece cece sees eee 0n n n ng kg ĐK kg ky in 195

Có thể nói rằng xói mòn đất được coi là nguyên nhân hàng đầu gây thoái hóa tài

nguyên đất ở vùng miền núi Nguyên nhân của xói mòn đất có nhiều, nhưng có thé

tựu trung lại thành hai nguyên nhân cơ bản là tự nhiên và hoạt động của con người.

Nguyên nhân con người, theo nhiều nhà nghiên cứu thé hiện ở sự quản lý (đất) kém

và dường như đó là một cái giá phải trả cho sự phát triển kinh tế, xã hội Các giảipháp đưa ra, được phân tích là khả thi nhất, là các biện pháp can thiệp vào lớp phủthực vật nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc chống xói mòn [41] Xói mòn

có nguồn gốc tự nhiên là quá trình diễn ra liên tục trong tự nhiên và chỉ là thứ yếunếu so với xói mòn do nguyên nhân con người Trong các nguyên nhân do conngười, việc phá hoại thảm (lớp phủ) thực vật, tắm áo che chắn cho đất khỏi bị xói

mòn là nguyên nhân trực tiếp khiến cho xói mòn gia tăng tại vùng miễn núi

Dé có thé giảm thiêu xói mòn ở khu vực miền núi, hai vấn đề cần được songsong nghiên cứu: bản thân quá trình xói mòn, nguyên nhân và các yếu tô ảnh hưởng

đến nó và vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên bởi hai vấn đề này có mối liên quanhữu cơ Các nghiên cứu về quá trình xói mòn đã được nhiều tác giả tổng kết và đều

có kết luận chung là lớp phủ thực vật chính là nơi con người có thé tác động dégiảm thiểu xói mòn Sử dụng hợp lý tài nguyên vốn là một bài toán tông hợp, yêucầu thông tin và hiểu biết về nhiều mặt khác nhau: điều kiện tự nhiên, xã hội, kinh

tế bởi sử dụng hợp lý chính là biện pháp làm cân bằng giữa nhu cầu phát triển kinh

tế với bảo vệ môi trường trong bối cảnh xã hội cụ thé Vì thé, mọi nghiên cứu theo

hướng này cần gắn với một khu vực có những đặc trưng địa lý và xã hội cụ thể, hay

nói rõ hơn, là một lưu vực cụ thé Các nhân tổ ảnh hưởng đến xói mòn đều quan hệvới nhau trong không gian, và ở một tỷ lệ thích hợp, lưu vực có thể được coi là một

đơn vị không gian trong nghiên cứu xói mòn, đặc biệt là khi các nghiên cứu phục vụ

công tác qui hoạch Hạn chế trong việc giải bài toán này hiện nay, theo một số tác

giả [56,39], là việc thiếu thông tin cần thiết đề tiến hành qui hoạch Vi thé viéc tién

hành các nghiên cứu nham trả lời các câu hỏi liên quan đến quá trình xói mòn vàmỗi quan hệ của nó với lớp phủ thực vật là rất bức thiết

Lưu vực sông Trà Khúc là noi có xói mòn tương đối mạnh Theo số liệu củabản đồ Atlats Việt Nam (Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường — 1996), hầu hếtdiện tích lưu vực sông Trà Khúc có mức độ xói mòn rửa trôi bề mặt là từ 200 đến

300 T/năm Lưu vực sông Trà Khúc cũng là nơi có lớp phủ thực vật thay đôi mạnh

trong thời gian những năm 90 đến nay, là một trong những điểm nóng về mắt rừngtại Việt Nam [85,86] Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật ởlưu vực sông Trà Khúc mang tính cấp thiết cao

Có nhiều phương pháp khác nhau cũng như nhiều cách tiếp cận khác nhau có

thé được lựa chon dé nghiên cứu lớp phủ thực vật, quá trình xói mòn cũng như quan

hệ của chúng Trong các phương pháp nghiên cứu, các phương pháp viễn thám và

GIS là những phương pháp hiện đại, là những công cụ mạnh có khả năng giúp giải

quyết những van dé ở tầm vĩ mô (về không gian) trong thời gian ngăn Dé theo dõilớp phủ thực vật, nghĩa là đánh giá không chỉ các biến động về mặt diện tích mà cả

về không gian diễn ra các biến động này, việc tận dụng công nghệ viễn thám và GIS

là điều đã được nhiều tác giả đề cập [3,5,25] Tuy nhiên việc áp dụng chúng vàonhững hoàn cảnh cụ thé cũng rất cần được nghiên cứu dé tìm ra những cách tiếp cận

hợp lý cũng như đánh giá khả năng của chúng một cách đúng dan

Với các lý do nêu trên, việc áp dụng phương pháp viễn thám và GIS trong

nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình xói mòn,góp phần sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc là rất cấpthiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm các mục tiêu sau đây:

Nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh số với tiếp cận đa qui mô (nhằm chiết xuấtthông tin thu nhận được từ ảnh viễn thám ở nhiều mức độ; đa dạng hóa thông tin

giúp cho việc khai thác ảnh viễn thám triệt để hơn, chính xác hơn) trong thànhlập ban đồ lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc và đánh giá biến động lớpphủ thực vật bằng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao

Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa quá trình xói mòn và tính toán các thôngtin định lượng trên lưu vực sông Trà Khúc bằng công cụ phân tích không gian

của GIS.

Đánh giá ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn lưu

vực sông Trà Khúc bằng công cụ phân tích không gian trên GIS theo hướng tiếpcận quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và quá trình xói mòn ở tỷ lệ lưu vực

và sử dụng mối quan hệ đó để lượng hóa và không gian hóa các thông tin phục

vụ cho việc qui hoạch sử dụng đất chống xói mon.

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Đề có thể giải quyết các mục tiêu trên, nghiên cứu này có những nhiệm vụ sau:Tổng quan văn liệu về nguyên tắc, các phương pháp chiết xuất thông tin từ ảnh

vệ tinh, theo dõi lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh, mô hình hóa xói mòn và tiếp cận

sinh thái trong qui hoạch.

Sử dụng tiếp cận đa qui mô trong xử lý ảnh số thành lập bản đồ hiện trạng lớpphủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc từ ảnh vệ tinh đa phô

Thành lập bản đồ biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc bằngphương pháp xử lý ảnh số; đánh giá, phân tích biến động lớp phủ thực vật theo

không gian và thời gian.

Thành lập bản đồ xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc bằng

GIS.

e Phân tích sự ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn,

đưa ra các biện pháp sử dụng đất hợp lý nhằm giảm thiểu xói mòn dựa trên quan

hệ giữa lớp phủ thực vật và xói mòn.

4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi sau đây:

e Về không gian nghiên cứu: Khu vực nghiên cứu là lưu vực sông Trà Khúc'

Nghĩa là, qui mô nghiên cứu trong luận án này chỉ là để phục vụ nghiên cứu ở

cấp độ lưu vực

e Về đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của luận án là biến

động lớp phủ thực vật (tập trung vào các số liệu biến động thấy được mà không

đi vào giải thích nguyên nhân các biến động đó) bằng ảnh vệ tỉnh, cụ thể là ảnh

vệ tinh Landsat TM và ETM Nghiên cứu về xói mòn trong phạm vi lưu vực sông

Trà Khúc được dé cập nhằm làm rõ ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới

xói mòn trên cơ sở áp dụng phương pháp mô hình hóa vào nghiên cứu điều kiện

xói mỏn trong lưu vực.

e Về phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng các phương pháp viễn thám và

phân tích không gian của hệ thống thông tin địa lý (GIS) Các kết quả thu nhậnđược trong luận án qua quá trình phân tích ảnh số và phân tích không gian trênmáy tính cần có được những kiểm chứng thực địa đáng tin cậy trước khi sử dụngvào một mục dich cụ thé nào đó

5 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu

Quan điểm nghiên cứu

Dé giải quyết các mục tiêu cụ thé trên, nghiên cứu này được tiến hành dựa trên quan

điểm nghiên cứu chủ đạo là quan điểm hệ thống (xem hình 1) trong đó coi hiệntrạng sử dụng đất, lớp phủ thực vật và tài nguyên đất là những hợp phần tương tácvới nhau Hoạt động sử dụng đất của con người tác động tới sự bền vững của tài

nguyên đất (có thể bảo vệ và cũng có thê gây thoái hóa) thông qua lớp phủ thực vật

' Do địa hình lưu vực sông Trà Khúc ở dia phận tỉnh Quảng Nam không có dữ liệu chỉ tiết và phần này có

diện tích nhỏ (chỉ chiếm 4% tổng diện tích lưu vực) nên lưu vực sông Trà Khúc trong luận án không bao gồm phần này

Qui hoạch sử dụng đất hợp lí chính là công cụ dé bảo vệ tài nguyên đất và có thé cónhiều cách tiếp cận vấn đề qui hoạch sử dụng đất Tiếp cận vấn đề qui hoạch thôngqua mô hình xói mòn, một trong những quá trình gây ra thoái hóa tài nguyên đấtvùng miền núi, là một trong những cách tiếp cận Khi đó xói mòn có thể được coi là

một hệ thống có các hợp phần quan hệ chặt chẽ với nhau và điều quan trọng là quan

hệ của các hợp phan này có thé được biểu diễn một cách định lượng Các hợp phantham gia vào hệ thống xi mòn có thé được không gian hóa, nghĩa là biểu diễn băng

dữ liệu không gian.Có thê tác động vào các hợp phan của hệ thống để làm thay đôiquá trình xói mòn Luận án chon hợp phan lớp phủ thực vật làm đối tượng dé

nghiên cứu và tác động Do đó, nghiên cứu xói mòn bằng phương pháp mô hình hóa

là một công cụ hữu dụng giúp đề ra các biện pháp giảm thiểu xói mòn trên qui môlưu vực.

Qui hoạch Xói mòn

Hình 1 Qui hoạch và vấn đề sử dụng hợp lí tài nguyên đất tiếp cận qua quá trình xói mòn

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp viễn thám được sử dụng trong theo dõi đánh giá biến độnglớp phủ thực vật khu vực nghiên cứu GIS được sử dụng để mô hình hóa quá trìnhxói mòn và phân tích biến động lớp phủ thực vật cũng như ảnh hưởng của nó tới

quá trình xói mòn (hình 2).

Các Qui hoạch sử dụng — ;

bước i đất giảm thiểu xói

nghiên _—i mòn

Lớp phủ Biến động Ảnh hưởng Biến động 01

; thực vat —> lớp phủ thuc——+lop phủ thực vat tới xói òn !

nh can nh nh Phương \ KT TA † A_ t `

pháp/công _ Chiét xuat thong tin da Phan tich khong gian và mô

cụ nghiên _ _ qui mô hình hóa

cứu ! “NA

Hình 2 Phuong pháp nghiên cứu

Dữ liệu viễn thám mang thông tin phong phú về hiện trạng lớp phủ thực vật

và có nhiều cách tiếp cận khác nhau để chiết xuất các thông tin về hiện trạng lớpphủ thực vật từ ảnh viễn thám Quá trình chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám thực

chất là một quá trình chuyên đổi các thông tin ảnh thành các thông tin có nghĩa vớingười sử dụng Nhằm tận dụng triệt đề thông tin mà ảnh viễn thám có thể cung cấpđược, việc chiết xuất thông tin được tiếp cận theo cả hai hướng mà thông tin viễnthám có thể cung cấp : không gian và thời gian Tiếp cận theo không gian cho phép

chiết xuất thông tin từ ảnh ở nhiều qui mô (cấp độ) : pixel (bằng phương pháp phân

loại, phương pháp tính toán chỉ số thực vật) và dưới pixel (bằng phương pháp phânloại dưới pixel) Tiếp cận theo thời gian dé đánh giá biến động lớp phủ thực vật từ

các ảnh viễn thám.

GIS, với khả năng phân tích không gian, được sử dụng để mô hình hóa quá

trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc dựa trên phương trình USLE (Universal Soil

Loss Equation) Các bản đồ thành phần của phương trình USLE được tính toán hoặcxây dựng trên toàn bộ lưu vực và sau đó, bản đô xói mòn tiêm năng và bản đô xói

mòn (lượng đất mất trung bình hàng năm) được tính toán Ngoài ra, GIS còn được

sử dụng dé phân tích biến động lớp phủ thực vật nhờ việc chồng xếp bản đồ hiệntrạng lớp phủ thực vật của các date khác nhau Ảnh hưởng của biến động lớp phủthực vật tới quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc cũng như bản đồ qui hoạchgiảm thiểu xói mòn cũng được phân tích, tính toán trên GIS nhờ vào chức năng mô

hình hóa.

6 Các giả thiết nghiên cứu (luận điểm bảo vệ)

e Ap dụng tiếp cận đa quy mô dé chiết xuất thông tin trong xử lý ảnh số ảnh viễn

thám cho phép theo dõi biến động lớp phủ thực vật tại lưu vực sông Trà Khúc

e Việc phân tích quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và xói mòn lưu vực sông

Trà Khúc băng các phương pháp mô phỏng và phân tích trên hệ thống thông tin

địa lý, cho phép đưa ra thông tin định lượng phục vụ qui hoạch theo hướng giảm

thiểu xói mòn

7 Những điểm mới của luận án

° Áp dụng một hướng tiếp cận mới vào điều kiện cụ thể của lưu vực sông Tra

Khúc trong việc chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám - tiếp cận đa qui mô.Hướng tiếp cận mới này cho phép thu nhận thông tin từ ảnh chỉ tiết hơn với các

mức độ tin cậy khác nhau.

e Áp dụng các giải pháp kỹ thuật trong phân loại anh số dưới pixel cũng như một

số biện pháp xử lý ảnh số khác như nắn chỉnh địa hình, định chuẩn tương đối

e Đề xuất nguyên tắc thành lập bảng phân loại lớp phủ thực vật áp dụng cho phân

loại ảnh viễn thám của lưu vực sông Trà Khúc.

e Đưa ra đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ thực vật tới xói mòn trên khía cạnh biến

động theo không gian và thời gian và sử dụng thông tin này trong qui hoạch bảo

vệ tài nguyên đất theo hướng giảm thiểu xói mòn tại lưu vực sông Trà Khúc

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

Cơ sở khoa học và công nghệ cho tiếp cận thông tin đa quy mô trong phântích ảnh vệ tinh đa phố độ phân giải cao trong nghiên cứu biến động lớp phủ

thực vật, góp phần khăng định ưu thế của viễn thám trong lĩnh vực này

Cơ sở khoa học và công nghệ nghiên cứu mô hình hoá xói mòn và phân tích

không gian ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn trên GIS cũng

như sử dụng quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và xói mòn phục vụqui hoạch theo hướng giảm thiểu xói mòn

Ý nghĩa thực tiễn

Hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1989, 1997, 2001,

đánh giá biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc qua các năm kê

trên, góp phần cho công tác điều tra tài nguyên của lưu vực

Đánh giá xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc theo phươngtrình USLE, góp phần cung cấp thông tin về điều kiện tự nhiên của lưu vực

Góp phần định hướng và định lượng qui hoạch lưu vực sông Trà Khúc theohướng giảm thiểu xói mòn

Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

Dé thực hiện được nghiên cứu này, các tài liệu sau đây đã được sử dụng

Anh vệ tinh Landsat TM và ETM như bang 1 dưới đây

Bảng 1 Ảnh vệ tinh sử dụng trong luận án Ảnh Ngày chụp Parth/row Số kênh Độ phân giải không gian

TM 18/6/1989 124/050 7 30m

TM 04/05/1997 124/050 7 30m ETM 17/10/2001 124/050 7 30m

Bản đô nên (địa hình)

Bản đồ nền địa hình, ngoài cung cấp các thông tin địa hình và một số thông

tin cơ bản khác như mạng lưới thủy văn, giao thông, địa giới hành chính còn được

sử dung dé xây dựng mô hình số độ cao cho khu vực nghiên cứu Bản đồ địa hình tỷ

lệ 1:50.000 được số hóa và chuyên đổi về hệ tọa độ VN 2000

Thông tin thực địa

Thông tin thực địa được sử dụng trong phân tích ảnh viễn thám Một đợt

thực địa khu vực nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh tiến hành vào năm 2000nhằm thu thập các thông tin mẫu cho việc xử lý ảnh viễn thám cũng như sử dụnglàm các thông tin kiểm chứng sau phân loại

10 Khôi lượng và cầu trúc luận án

Không kế phần danh mục, phụ lục và tài liệu tham khảo, luận án được trìnhbày trong 159 trang khổ A4 với 59 hình vẽ, 23 bảng biểu và được trình bày như

sau:

Mở đầu

Chương 1: Tình hình nghiên cứu xói mòn và đánh giá biến động lớp phủthực vật ở Việt Nam và trên Thế giới

Chương 2: Áp dụng tiếp cận đa quy mô trong xử lý số ảnh viễn thám đề theo

dõi biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc

Chương 3: Mô hình hoá xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng hệ thống

thông tin dia ly.

Chương 4: Anh hưởng biến động lớp phủ thực vat tới xói mòn và sử dunghợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc

Kết luận và kiến nghị

Chương 1

TINH HÌNH NGHIÊN CỨU XOI MON VÀ ĐÁNH GIA BIEN DONG

LỚP PHU THUC VAT Ở VIỆT NAM VA TREN THE GIỚI

Tổng hợp các nghiên cứu có tính chat ly thuyết liên quan đến van dé xói mòn

và theo dõi biến động lớp phủ thực vật bang phương pháp viễn thám được trình bàytrong các chương mục có liên quan của luận án được xem là cơ sở cho định hướngcác nghiên cứu của luận án Trong chương này, nghiên cứu sinh chủ yếu tập trung

vào tình hình cũng như các xu hướng nghiên cứu mới nhất Những nghiên cứu mới

có nội dung rất phong phú, nhiều khi chỉ phản ánh một vài khía cạnh liên quan đến

vấn đề nghiên cứu được đề cập trong luận án hoặc có thể thiên về khía cạnh kỹ

nghiệp Một vài tác giả đã cho rằng đất đai bị khai thác cạn kiệt có thể là nguyênnhân khiến các nền văn minh quá khứ mat đi [31] Vì vậy, cùng với thoái hoá đất,xói mòn tôn tại như một van dé trong suốt quá trình phát triển của toàn nhân loại

Từ năm 1877 đến 1895 Các chuyên gia về đất người Đức đã tiến hành các thinghiệm sớm nhất về xói mòn đất Sau đó, vào năm 1917, các giáo sư Mỹ đã xây

dựng những bồn chứa đầu tiên dé nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy tới xói mòn

đất, sườn và cây trồng Theo các phân tích lý hoá cũng như sự khác biệt của dữ liệu

thu thập từ các ô thí nghiệm, Middleton H.E và các đồng nghiệp (1930, 1932)

nghiên cứu tinh kháng xói của đất dựa trên tính bền vững cấu trúc và tính thắm.Zingg đã thiết lập mối quan hệ giữa tổng lượng đất xói mòn và độ dốc, chiều dài

sườn từ việc nghiên cứu tương quan giữa tông lượng đât mât và các yêu tô địa hình

10

từ năm 1940 Từ kết quả đó, Browing (1947) đã tạo nên hệ thống quan hệ với việcgiới thiệu hoàn chỉnh hệ số kháng xói của đất [64].

Về nguyên nhân xói mòn, hầu hết các nhà nghiên cứu đều thống nhất rằng cóhai nguyên nhân cơ bản dẫn tới hiện tượng thoái hoá đất đang diễn ra mạnh mẽ trên

qui mô toàn cầu hiện nay: tự nhiên và con người Nguyên nhân con người, theo

nhiều nhà nghiên cứu thể hiện ở sự quản lý đất kém và dường như đó là một cái giáphải trả cho sự phát triển kinh tế, xã hội Các giải pháp đưa ra, được phân tích làkhả thi nhất, là các biện pháp can thiệp vào lớp phủ thực vật nhằm đạt được hiệuquả tốt hơn trong việc chống xói mòn [41] Xói mòn tự nhiên là quá trình diễn raliên tục trong tự nhiên và chỉ là thứ yếu nếu so với xói mòn do nguyên nhân con

người Tuy vậy, việc phân định nguyên nhân xói mòn không phải lúc nào cũng dễ

dàng và cũng không cần thiết, nên trong việc lập bản đồ xói mòn, nhiều khi người takhông phân biệt hai nguyên nhân này [31] Ở Việt Nam, xói mòn do nước (hay domưa) là nguyên nhân chính gây xói mòn va xói mòn có thé được coi là quá trìnhthoái hoá đất cơ học quan trọng nhất ở các vùng miễn núi [54]

Ở Việt Nam trước đây, một số tác giả đã nghiên cứu xói mòn đất ở Đông bắc,

Tây bắc bằng các phương pháp đơn giản và trực quan như đóng coc, dùng day doi

hoặc mô tả, đánh giá định tính quá trình xói mòn trong 4 năm (1961-1964) Sau đó,

do chiến tranh (1965-1976), vấn đề xói mòn ít được quan tâm nghiên cứu Nhữngcông trình đầu tiên nghiên cứu xói mòn ở Việt Nam đáng chú ý là của các tác giả

Nguyễn Quí Khải (1962), Nguyễn Xuân Khoát (1963), Tôn Gia Huyên (1963,

1964), Bùi Quang Toản (1965), Trần An Phong (1967) Trong những năm 1977,

1978, các đề tài nghiên cứu xói mòn được triển khai trong nhiều chương trình khoa

học cấp nhà nước như các chương trình Tây nguyên, Tây bắc, Môi trường Nhữngcông trình này đã đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của nhiều yếu tô tự nhiên đến xóimòn; phương pháp nghiên cứu định lượng, có sức thuyết phục do quan trắc, cân đochính xác Đáng chú ý một số công trình của Bùi Quang Toản (1985), Đỗ Hưng

Thanh (1982), Phan Liên (1984), Nguyễn Quang Mỹ và nnk (1985, 1987)

[12,13,15,19,20] Nghiên cứu về anh hưởng của các yếu tổ địa hình tới xói mòn,

11

Nguyễn Quang Mỹ đã có những tổng kết đáng chú ý Tác giả cho rằng hiện tượngxói mòn trên lãnh thổ Việt Nam là khá nghiêm trọng do ảnh hưởng của điều kiện tự

nhiên và canh tác Các kết luận đáng chú ý nhất về ảnh hưởng của địa hình tới quá

trình xói mòn có thê được tóm tắt như sau:

e Độ dốc tăng 2 lần, xói mòn tăng từ 2 đến 4 lần

e_ Chiều dài sườn tăng 2 lần, xi mòn tăng 2 đến 7,5 lần

e Hướng Đông, Đông nam, Tây nam, Tây, do năng lượng mặt trời chiếu nhiều,

nhiệt độ tăng cao dẫn tới quá trình phong hoá khiến vật chất bị vỡ làm choxói mòn tăng từ 1,8 đến 3,9 lần

e Sườn lồi tăng 2 đến 3 lần so với sườn thắng Sườn lõm xói mòn yếu, sườn

bậc thang xói mòn không đáng kể [12]

Một số nghiên cứu xói mòn phục vụ cho công tác tính toán bồi lắng cũng

đáng được đề cập Vi Văn Vị và Trần Bích Nga [26] đã thử dự đoán lượng cát bùnbồi lấp lòng hồ Hoà Bình với con lượng xói mòn được đề cập cho toàn lưu vực là từ

20000 đến 40000 tan/km? năm Nghiên cứu sự liên quan giữa xói mòn và trầm tích

trên lưu vực sông đã dẫn tới những kết luận đáng chú ý Dựa trên số liệu quan sát

của xói mòn và lượng trầm tích thu được trên một lưu vực sông, Zhou Jinxing va

đồng nghiệp đã kết luận được rang với thời gian dài, lượng xói mòn và tram tích dattới cân bằng Với thời gian ngăn, chúng không thể hiện sự cân bằng này mà thôngqua một loạt yếu tố về địa hình và dòng chảy, xói mòn ảnh hưởng tới lượng tram

tích trên toàn lưu vực [95].

Không nhằm nghiên cứu xói mòn tại từng điểm, Lại Vĩnh Câm [54] sử dụng

phương trình mat đất tổng quát (USLE) dé đánh giá tiềm năng và mức độ xói mòn

hiện tại của từng lưu vực (4 lưu vực lớn ở miền Bắc Việt Nam) Kết quả nghiên cứu

về xói mòn tại các lưu vực được tích hợp với phân tích lưu vực nhằm chỉ ra các khuvực xói mòn nguy hiểm và làm cơ sở cho đề xuất các biện pháp phòng tránh hữuhiệu nhằm mục tiêu phát triển bền vững [54]

Trong thời gian gan đây, khoảng từ những năm 90, với sự phát triển mạnh mẽ

của hệ thông tin địa lý, một số nhà nghiên cứu Việt Nam cũng đã thử giải quyết bài

12

toán xói mòn bằng cách mô hình hoá, sử dụng sức mạnh tính toán của công nghệ tinhoc Phương trình mat đất tổng quát (USLE) của Wischmeier và Smith được sửdụng rộng rãi trong các mô hình do tính minh bach và dé áp dụng của nó Điền hìnhcho các nghiên cứu loại này là của Trần Minh Ý, Lại Vinh Câm, Nguyễn Tứ Dần

[23,24,27,28,54].

Gan đây nhất, trong dé tài nghiên cứu co ban 74 06 01, các tác giả đã ứngdụng phương trình mat dat tổng quát USLE để tính toán xói mòn Điểm đặc biệtđáng nói là các thông tin về lớp phủ thực vật, và qua đó “thông số lớp phủ thực vật”

đã được thu nhận qua tư liệu viễn thám đa phô UoSAT-12 [27]

Ảnh hưởng của xói mòn đến môi trường đã được tổng kết bởi nhiều tác giả

khác nhau [59,95,98]va đây cũng là một trong những hướng nghiên cứu xói mòn

quan trọng Nhiều tác giả cho rằng thay đổi của kiểu sử dụng đất là nguyên nhânchính của xói mòn đất và ô nhiễm dòng chảy mặt Xói mòn và ô nhiễm dòng chảymặt là đặc biệt nghiêm trọng với đất nông nghiệp do bón phân Xói mòn và ô nhiễmdòng chảy tràn là nguyên nhân dẫn tới ô nhiễm nước, vì vậy kế hoạch sử dụng đấttrong thung lũng là rất quan trọng [57,59]

Quan tâm đến hạn chế xói mòn, các tác giả thống nhất rằng lớp phủ thực vật

là yếu tố chính làm giảm sự xói mòn đất va ô nhiễm dòng tràn, đứng về mặt vật lýcủa lớp phủ, nghĩa là độ phủ của nó Kiểu của lớp phủ ảnh hưởng trực tiếp tới xóimòn, vì vậy, bảo vệ lớp phủ thực vật là rất quan trọng [34,39,87]

1.1.2 Mô hình và mô hình hóa xói mòn

Ngay từ những này đầu, các nghiên cứu xói mòn đã có hướng tập trung vàoviệc mô hình hóa quá trình phức tạp này Việc mô hình hóa xói mòn được dựa trên

hai kiểu chính là mô hình kinh nghiệm với các qui luật được rút ra từ những quansát chỉ tiết và lâu dai và mô hình nhận thức sử dụng các hiểu biết về vật lý dé môphỏng quá trình xói mòn như một hàm số toán học Có thé kể ra đây một số môhình kinh nghiệm như Musgrave (1947), Renfro (1975) và nồi tiếng nhất là mô hìnhUSLE (Universal Soil Loss Equation) do Wischmeier va Smith phát triển [9,10,63]

Hiện nay, nhiêu phiên ban của mô hình này đang được sử dung tai nhiêu nơi trên

13

Thế giới với các thông số được thay đôi cho phù hợp với điều kiện địa phương Các

“mô hình nhận thức” [10] thường được sử dụng có thé kể ra là mô hình GAMES,

mô hình WEPP [10,47].

Hiện nay, các mô hình xói mòn được phát triển ngày càng phong phú đề phùhop với tình hình từng địa phương cụ thé Điều này cho thấy tích chất phức tạpcũng như đa dang của quá trình xói mòn Chi trong một trang web về các mô hìnhxói mòn, người đọc có thê tìm thấy 20 mô hình chính riêng với quá trình xói mòn

do nước (http://soilerosion.net/doc/models_menu.html) Lưu ý rằng đây mới chỉ là

liệt kê các mô hình đã được tin học hóa.

Với sự ra đời và phát triển của công nghệ thông tin, các nghiên cứu xói mòn

đã mang diện mao mới — đó là việc áp dụng sức mạnh phân tích của công nghệ

thông tin vào mô phỏng và mô hình hóa xói mòn Ngoài việc sử dụng GIS để giảiquyết bài toán xói mòn [4, 23, 24], nhiều chương trình tính xói mòn đã được thiếtlập riêng biệt, thậm chí nhiều chương trình còn được “đóng gói” (ví dụ nhưSEAGIS, RUSLE2, ) hay đưa lên mạng Internet dé có thé tính toán xói mòn trựctuyến [47,48,49]

Phụ lục 6 có điểm qua một số phần mềm tính toán xói mòn cũng như các môhình mà những phần mềm này sử dụng Hau hết chúng có thé được download từ

internet.

1.1.3 Cac xu hướng mới trong nghiên cứu xói mon

Hiện nay, xói mon được nghiên cứu mở rộng hon với nhiều loại hình và tính

chất khác nhau Ban đầu, khi nói đến xói mòn do nước, hầu hết các công trình chỉ

dé cập đến xói mòn do rửa trôi bề mặt (runoff) [16] Các khái niệm như xói mòn bềmặt (sheet erosion); xói mòn tạo xẻ rãnh nhỏ (rill erosion); xói mòn liên rãnh

(interrill erosion); xói mòn xẻ rãnh lớn (gully erosion) đã được dé cập tới ngày càngnhiều trong các công trình nghiên cứu hiện đại

Xu hướng phổ biến hiện nay trong nghiên cứu xói mòn trên thé giới, thé hiệnqua hội thảo lần thứ 12 của ISCO tổ chức tại Bắc Kinh năm 2002 là nghiên cứu xóimòn theo hướng mô hình hóa diễn tả động lực của quá trình xói mòn và nghiên cứu

14

xói mòn kêt hợp với các khoa học khác, chủ yêu dé tìm hiệu quá trình cũng như tác

động của xói mòn lên môi trường nhăm có được các biện pháp chông xói mòn khả

thi Có thé hình dung các xu hướng này như hình 1.1

Bảo tồn tài nguyên đất và nước — Các

Đánh giá, dự /

báo, theo dõi xói ;

è môi trường

Hình 1.1 Cac xu hướng nghiên cứu xói mon hiện đại

Một điều đáng chú ý là nhiều nhà khoa học [82] đã đồng ý rằng hầu hết cácnghiên cứu về xói mòn hiện được tiễn hành nhăm các mục tiêu sao cho không cầnphải xem xét đến sự khác biệt tỷ lệ (qui mô) không gian và thời gian Nhưng điều

nay sẽ dẫn đến những sai biệt đáng kể Theo Valentin và các đồng nghiệp, dé có thé

dự báo được ảnh hưởng của sự thay đối toàn cầu, chúng ta buộc phải tìm hiểu quá

trình xói mòn diễn ra ở các qui mô thoi gian và không gian khác nhau, và điều nàycũng hoàn toàn phù hợp với kết luận của Drissa và nnk [82, 97]

© Quá trình xói mòn tương tác như thé nào với các quá trình khác ở các qui mô

thời gian và không gian khác nhau?

e Các quá trình diễn ra ở tỷ lệ lớn thúc day thé nào (với tư cách là nguyên

nhân) tới quá trình xói mòn ở cấp độ thấp hơn?

e Và, đến lượt mình, các quá trình động ở tỷ lệ nhỏ hơn dẫn tới các điều kiện

ngưỡng mả quá trình xói mòn xảy ra ở câp độ cao hơn và ngược lại?

15

Một cách tiếp cận thích hợp là cần thiết dé có thé hiểu và dự báo ảnh hưởngcủa thay đổi toàn cầu tới xói mòn đất [82, 35].

Ở Việt Nam, các nghiên cứu xói mòn vẫn là sự tiếp tục phát triển các hướng

nghiên cứu truyền thống, trong đó phô biến nhất là sử dụng phương trình mat đấttong quát USLE (Wishmeier và Smith năm 1978) dé đánh giá lượng đất mat Các

nghiên cứu này tập trung vào nhiều qui mô khác nhau (toàn quốc, lưu vực, tỉnh, khuvực) hoặc giải quyết các vẫn đề đơn lẻ trong phương trình USLE (hệ số R, hệ sốK ).Một số tác giả đã có tìm tòi sâu hơn về tác động của xói mòn đến môi trường,

cụ thể hơn là đến tài nguyên đất Trong đề tài nghiên cứu cơ bản 73 51 01, các tác

giả đã chỉ ra tác động môi trường của từng loại hình xói mòn, theo đó xói mòn bềmặt làm cho đất thoái hoá (mất N, P, K ); xói mòn xẻ rãnh nhỏ làm mất đất, xói

mòn xẻ rãnh lớn ngoài việc làm mat đất còn là nguyên nhân gây sat lở, trượt dat và

lũ quét, xói mòn trên núi đá vôi là nguyên nhân của sụp đất Mọi loại hình xói mònđều gây ra bồi lap hồ chứa, dòng chảy, cửa sông [16]

Một vài tác giả đã sử dụng phương trình RUSLE trong các nghiên cứu xói

mòn của mình Pham Thai Nam và nnk [67] đã áp dụng phương trình nay dé tínhtoán lượng đất mất do xói mòn trên qui mô toàn cầu Các chỉ số C và P được công

bồ trong nghiên cứu này cũng rat đáng chú ý

Bên cạnh việc sử dụng mô hình mắt đất, một phương pháp khác cũng được sử dụnghiệu quả đó là áp dụng phương pháp địa hoá đồng vi, cụ thé là 137Cs dé đánh giá

tốc độ xói mòn (đề tài 73 51 01) Dựa vào sự biến thiên hàm lượng 137Cs theo

chiều sâu trên từng đối tượng nghiên cứu cụ thé, tốc độ xói mòn được tính theo các

công thức thực nghiệm với đơn vi là t/ha.năm [16].

1.1.4 Vấn đề sử dung hợp ly tài nguyên dat và các biện pháp hạn chế xói mòn

Tài nguyên thiên nhiên được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau Trongnhững phương thức tiếp cận hiện đại, định nghĩa về tài nguyên thiên nhiên như sau

[11]:

Tài nguyên thiên nhiên là toàn bộ những giá tri vật chat của thiên nhiên, cần

thiết cho sự tồn tại và hoạt động kinh tế của xã hội loài người như: khoáng sản, đất

16

đai, động thực vật v.v và cả các điều kiện tự nhiên như: khí hậu, ánh sáng, khôngkhí, nguồn nướcv.v Danh mục các loại tài nguyên thiên nhiên cũng thường xuyên

được mở rộng, tùy thuộc vào những tiễn bộ của xã hội, vào tình độ khoa học-kỹ

thuật của con người Hiện nay, người ta phân các tài nguyên thiên nhiên ra 3 loại[11]:

e_ Tài nguyên có thể phục hồi được là các loại tài nguyên thiên nhiên sau khi

khai thác, sử dụng hết, có thể tái tạo lại được sau một thời gian nhất định Ví

dụ: độ phì của đất đai, số lượng các loài động vật, thực vật v.v Tuy nhiên

sự phục hồi đó cũng có giới hạn nhất định Nếu việc khai thác, sử dụng vượtquá mức thì không thé phục hồi lại được Chính vì vậy mà trên toàn thế giới

hiện nay đã có nhiều loài động, thực vật hoàn toàn bị tuyệt chủng, nhiềuvùng dat đai trở thành hoang mạc v.v

e Tài nguyên không phục hồi lại được: các loại tài nguyên thiên nhiên ma quá

trình hình thành của chúng quá dài, hoặc điều kiện hình thành của chúng khólặp lại Vi dụ khoáng sản là những tai nguyên đã được hình thành trong

những khoảng thời gian dài hàng triệu năm, hoặc trong những điều kiện địahình, khí hậu v.v hết sức đặc biệt

e Tài nguyên vô tận: các loại tài nguyên thiên nhiên tồn tại trên bề mặt trái đất

với một lượng rất lớn, không bao giờ cạn như không khí, nước, ánh sáng mặt

trời v.v Tuy nói là vô tận, nhưng các loại tải nguyên này cũng có giới hạn

nhất định Nếu như chất lượng của nó vì một lý do nào đó thay đổi (vi dụ

nước sông, nước biển bị ô nhiễm) thì giá trị sử dụng sẽ không còn nữa Lúc

đó tính chất vô tận cũng không còn ý nghĩa

Với tài nguyên đất, cho đến nay đã có nhiều định nghĩa trên nhiều quan điểmnghiên cứu khác nhau Trên quan điểm sinh thái học và môi trường, định nghĩa về

đất của Winkler (1968) [11] đã xem xét đất như một vật thé sống, và đất cũng tuânthủ các quy luật sống: phát sinh, phát triển, thoái hóa và già cỗi Điều quan trọngtrong định nghĩa này là tùy thuộc vào cách đối xử của con người đối với đất mà đất

có thê trở nên phì nhiêu hơn, cho năng suât cây trông cao hơn và ngược lại Cũng

17

với cách nhìn nhận như vậy, các nhà sinh thái học còn cho rằng đất là vật mang củatất cả các hệ sinh thái ton tại trên Trái Dat Vì đất tự mang trên mình nó các hệ sinhthái nên muốn cho các hệ sinh thái bền vững thì trước tiên vật mang phải bền vững.

Do đó, con người tác động vào đất cũng chính là tác động vào tất cả các hệ sinh thái

mà đất “mang” trên mình nó.Một vật mang và lại được đặc thù bởi tính chất độcđáo mà không vật thể tự nhiên nào có được - độ phì nhiêu giúp cho các hệ sinh tháitồn tại, phát triển “Xét cho cùng thì cuộc sống của con người cũng phụ thuộc vàotính chất độc đáo này của đất” [11]

Dưới cách nhìn nhận về tài nguyên đất như trên, việc sử dụng hợp lý, bền

vững tài nguyên đất đang được đặt ra, đặc biệt với đất dốc Với ý định tạo cơ sở

phương pháp luận và phương pháp để đánh giá sử dụng đất dốc, một khung đánh

giá quản lý đất dốc bền vững đã được các nhà khoa học đưa ra năm 1991 Theo đó,khái niệm bền vững bao gồm 5 thuộc tính:

e Tính sản xuất hiệu qua (productivity)

nhà khoa học cho rằng có thé sử dụng sự “không bền vững”,vốn dé xác định hơn (vi

dụ như lượng đất mat hay sự giảm sút năng suất cây trồng), thay thé trong một số

trường hợp [22].

Qui hoạch — công cụ quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên đất

Dé có thể giảm thiểu xói mòn, biện pháp mà con người có thé tác động chính

là loại từ nguyên nhân gây ra xói mòn, hay nói đúng hơn, loại trừ khả năng hạt mưa

làm vỡ hạt đất [13, 59, 72] Dé làm được điều này, cần phải tăng cường độ che phủ

-18

và qui hoạch sử dụng dat là công cụ thích hợp nhất dé đạt được điều đó Theo quanđiểm của các nhà khoa học đất Việt Nam, quản lý sử dụng đất dốc không thé chỉ là

van dé kỹ thuật đơn thuần Sự thành công chỉ có được do kết quả của việc kết hợp

chặt chẽ giữa “kỹ thuật, công nghệ, kinh tế, chủ trương chính sách, xã hội nhân văn

và môi trường” Nghia là giải pháp chính có thé tóm tắt lại là quy hoạch sử dung đất

kết hợp chặt chẽ với phát triển kinh tế xã hội (sau khi giao đất giao rừng - chủtrương quản lý đất)

Đã có nhiều nghiên cứu chứng thực và nhấn mạnh về vai trò quyết định củalớp phủ thựcvật trong giảm xói mòn Sự thay đổi lớp phủ thực vật, bị phá huỷ hay

hồi phục đều có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự thay đôi của quá trình xói mòn và môi

trường sinh thái Lớp phủ thực vật phát triển trên sườn dốc sẽ trực tiếp ngăn cản vàlàm giảm xói mòn trọng lực (gravity erosion), nghĩa là làm giảm đáng kê hiện tượngtrượt đất Nghiên cứu các thay đổi của lớp phủ thực vật trong 130 năm, các tác giảcho rằng sự phục hồi của thảm thực vật là nguyên nhân thay đổi từ xói mòn do các

yếu tô liên quan đến con người sang xói mòn tự nhiên dưới sự cân băng sinh thái tựnhiên [93] Cũng nhằm làm sáng tỏ diễn biến của quá trình xói mòn và tìm biện

pháp để giảm thiểu nó, Zha Xiaochun đã cho thấy cường độ của xói mòn do canhtác trên đất đốc gấp hơn 100 lần cường độ xói mòn của thảm rừng tự nhiên, và cùngvới xói mòn, môi chất dinh dưỡng trong đất cũng bị mất đi, môi trường sinh thái bịthay đôi và theo đó, lượng xói mòn lại tăng lên Vì vậy, theo tác giả này, chuyển từ

canh tác trên đất dốc sang phục hồi rừng và tái tạo Lớp phủ thực vật tự nhiên là

“chìa khoá” nhằm cải thiện môi trường dưới góc độ giảm thiểu xói mòn [94]

Để tăng cường độ che phủ thực vật, một số nghiên cứu ở châu Á đã chỉ ra

rằng biện pháp tốt là khi rừng được giao cho cộng đồng quản lý A.P.Gautam và cáccộng sự, nghiên cứu về sự thay đổi (thống kê va dynamic) của lớp phủ rừng trênphạm vi một lưu vực tại Nepal trong 14 năm đã thấy rằng với những khu vực rừng

do cộng đồng quản lý, tỷ lệ tăng diện tích rừng và giảm diện tích cây bụi cao hơn

đáng kể so với khu vực không được cộng đồng quản lý [42] Lại Vĩnh Câm cũng

cho rằng việc quản lý tốt đất đai là nhân tô chính góp phan làm giảm lượng đất mắt

19

Tác giả cho răng cần phải có một hệ thống giám sát kết quả của công tác quản lý

dat, trong đó việc theo dõi phục hồi và tăng chất lượng rừng được gợi ý như là một

chỉ tiêu cần theo dõi trước hết [54] Trong một nghiên cứu khác tại Ấn Độ, các tácgiả đã nhận thấy sự “xâm lăng” của đất nông nghiệp đối với đất rừng cùng với sự

mat đi của một số loài cây bản địa Các tác giả cho rằng, nguyên nhân chính là áp

lực của gia tăng dân số và nhu cầu tăng cao thu nhập Dé giải quyết tình trạng này,một trong những việc cần làm là xây dựng và phát triển nền kinh tế dựa vào sử dụng

hợp lí tài nguyên rừng [73].

Các mô hình sử dụng đất khác nhau phục vụ cho phát triển bền vững, giảm

thiểu xói mòn còn được đưa ra không chỉ thông qua nghiên cứu xói mòn Nghiêncứu về trắc lượng hình thái địa hình (độ dốc, độ phân cắt ngang và độ phân cắt sâu)

ở Sơn La, Lê Mỹ Phong và Nguyễn Ngọc Khánh đã đề xuất 9 biện pháp sử dụng đấttrên 9 đơn vị trắc lượng hình thái nhằm đảm bảo phát triển bền vững [15] Tuynhiên, đây mới chỉ là nghiên cứu bước đầu, các biện pháp được đưa ra chưa cụ thể

vì thiếu các số liệu về điều kiện kinh tế và xã hội

Bên cạnh công cụ qui hoạch, các mô hình sử dụng đất hợp lý cũng đượcnghiên cứu dé sao cho có thé đạt được cùng lúc mục tiêu kinh tế và giảm xói mòn.Theo dõi, rút ra qui luật từ biến động sử dụng đất trong quá khứ dé lấy cứ liệu choviệc dự báo sử dụng đất trong tương lai, mô hình của Phạm Văn Tân và NguyễnCao Huan đã chỉ ra không những qui luật biến đổi hiện trạng sử dụng đất mà cònvạch rõ nhứng nơi cũng như tác động của việc điều khiến thay đôi sử dụng đất theo

hướng có lợi qua mô hình “có điều khiển” [17]

Dưới quan điểm xây dựng mô hình hệ kinh tế sinh thái phục vụ phát triển

nông thôn bền vững, các tác giả (Đặng Trung Thuận, Trương Quang Hải và nnk)[21] đã phân tích xói mòn như một nhân tô môi trường quan trọng cần được quantâm đến trong quá trình xây dựng và đánh giá mô hình Các tác giả đã lượng hoá

được quan hệ giữa nhân tô môi trường (quan trọng nhất là xói mòn với vùng thượngnguồn sông Trà Khúc) và nhân tố kinh tế Một trong những “bức xúc” về môitrường của thượng nguôn sông Trà Khúc là vân đê xói mòn đât Hai vân đê còn lại

20

là suy thoái tài nguyên rừng do nương rẫy và biến động dòng chảy sông Trà Khúccũng đều có liên quan chặt chẽ tới sự biến động của lớp phủ thực vật Qua tính toán

theo mô hình định lượng, các tác giả đã đưa ra một số mô hình hệ kinh tế sinh tháivới đặc điểm nổi bật là kết hợp nông lâm hop lý

Một số biện pháp hạn chế xói mòn

Rất nhiều các biện pháp hạn chế xói mòn đã được các nhà khoa học tìm hiểu.Ngoài các biện pháp liên quan đến vấn đề qui hoạch sử dụng đất (hay còn gọi là cácbiện pháp tông hợp), các biện pháp kỹ thuật có thé được chia thành 2 nhóm chính:

e_ Xây dựng các công trình chống xói mòn (biện pháp công trình) Nhóm các

biện pháp này thường được thực hiện ở những khu vực mà xói mòn gây hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là tới các công trình khác như đường giao thông,

cau,

e Thuc hiện các biện pháp canh tác chống xói mòn (biện pháp sinh học), chủ

yếu là phương pháp canh tác theo đường đồng mức, trồng một số loại cây có

tác dụng chống xói mòn như cỏ vertiver [14]

Theo kinh nghiệm bảo vệ đất của Trung Quốc, kiểm soát xói mòn trên lưu

vực nhỏ (diện tích nhỏ hơn 20km”) là phương pháp phù hợp và dé bảo vệ đất, phải

ngừng canh tác trên đất đốc [94]

1.2 Đánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng ảnh vệ tỉnh1.2.1 Ảnh vệ tinh và các thông tin phan ánh về hiện trạng lớp phú

Kỷ nguyên sử dụng vién thám trong quan sát và nghiên cứu trái đất từkhoảng không được coi như bắt đầu từ năm 1972 với việc phóng vệ tinh Landsat 1.Tới nay, với hơn 30 năm phát triển, viễn thám đã trở thành một công cụ hiện đại,

vừa mang tính phụ trợ, vừa mang tính cạnh tranh trong các công nghệ quan sát Trái

Dat [91] Kha năng của dữ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ thực vật cũng ngày

càng được cải thiện, và theo đó, dữ liệu viễn thám đang dần có xu hướng trở thànhnguồn dữ liệu chủ đạo (prime data) cho việc thành lập bản đồ lớp phủ thực vật

[61,62].

21

Ngay từ những ngày đầu tiên của sự phát triển công nghệ viễn thám, theo dõi

lớp phủ thực vật đã được đề cập đến, trong đó “vẽ bản đồ lớp phủ thực vật là một

trong những ứng dụng tiêu biéu và quan trọng của dữ liệu viễn thám” [52] Với bảnchất việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng điện từ từ

các đối tượng trên mặt đất, viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi lớp phủ thực

vật Các loại lớp phủ thực vật, đến lượt mình lại phản ánh các điều kiện mặt đấttương ứng như rừng, đồng cỏ Các loại hình sử dụng đất này lại phản ánh các hoạt

động của con người Vì vậy, viễn thám ngày càng có vai trò to lớn hơn và ngày

càng có mặt nhiều hơn trong nghiên cứu liên quan đến tài nguyên thiên nhiên như

lớp phủ thực vật, tài nguyên đất và tài nguyên nước Có thể thấy rõ được sự pháttriển này qua số lượng các công trình công bồ như trong hình 1.2

Nhu cầu về thông tin về lớp phủ thực vật đang ngày cảng tăng trong các bàitoán nghiên cứu, quản lý các vấn đề môi trường như mất rừng và thoái hoá đất,trong việc hoạch định chính sách môi trường và lập kế hoạch sử dụng tài nguyênthiên nhiên (natural resource planning) cũng như cho các khu bảo tồn được thành

lập nhiều vào những năm 80 và 90 Nhu cầu về thông tin lớp phủ thực vật cũng xuất

hiện trong các bài toán mô hình dự báo như thay đổi khí hậu toàn cầu cũng như cácảnh hưởng của nó [62] Một trong những ưu thế rõ rệt nhất của phương pháp sửdụng dữ liệu viễn thám trong thành lập ban đồ lớp phủ thực vật nói riêng và các loại

bản đồ chuyên đề nói chung là khả năng đem lại các thông tin cần thiết ở nhữngvùng mà khó có thé sử dụng phương pháp mặt đất [91, 89] Ngoài khả năng cungcấp thông tin, phương pháp viễn thám còn đem lại ưu thế về giá thành của việcthành lập bản đồ [89]

22

tả th

=

o

15-6

Ảnh máy hay Nguằn dữ liệu

1996-Hình 1.2.Thành lập bản đồ thực vật trong ba thập niên gan đây [89]

Với đòi hỏi ngày càng cao của các nhu cầu nghiên cứu khoa học, nhất là đòihỏi phải có thông tin chỉ tiết và tương đối thường xuyên về các vùng khó tiếp cận

của các nhà quản lý, nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và sinh thái, viễn thám đã

dan phát triển và trở thành một công cụ không thé thiếu Tuy nhiên, rõ ràng là trong

rất nhiều trường hợp, các ứng dụng đòi hỏi các thông tin ở mức độ chỉ tiết cao hơnnhiều so với các thông tin viễn thám có thể cung cấp Vì thế, việc kết hợp giữa

thông tin từ ảnh viễn thám với thông tin từ thực địa đang trở thành một xu hướng sử dụng ảnh viễn thám [91].

Nhiều nhà nghiên cứu cũng đã thừa nhận các khó khăn trong việc sử dụng

ảnh viễn thám và đồng thời cũng đề ra các biện pháp khắc phục Trong những khókhăn mà kỹ thuật viễn thám gặp phải khi thành lập bản đồ lớp phủ thực vật vùng

miền núi, đầu tiên phải kế đến là sự anh hưởng lên đặc tính phản xạ của bóng địahình Việc loại bỏ các ảnh hưởng này là điều khó khăn, cần phải có các mô hìnhchính xác về sự chiếu sáng của mặt trời lên địa hình đó trong quá trình thu ảnh [62].Một hạn chế khác của dit liệu viễn thám quang học là sự ảnh hưởng của mây va

sương mù Chúng cản trở hoặc ngăn cản phản xạ của các đối tượng bề mặt trái đất

tới vệ tinh, làm sai lệch phan xạ phố thu nhận được hoặc, trong nhiều trường hợp,

23

làm cho không thu nhận được thông tin về phan xạ phô của đối tượng Dé có théloại bỏ hạn chế này, viéc kết hợp ảnh đa thời gian (có thời gian chụp rất gần nhau)

có thé được sử dụng Trong trường hợp không có ảnh da thời gian, ta có thé dùng kỹ

thuật mặt nạ để che các vùng mây

1.2.2 Nghiên cứu lập bản đồ hiện trạng lớp phủ từ ảnh vệ tỉnh

Một điều cần chú ý là phải phân biệt khái niệm lớp phủ thực vật với kháiniệm hiện trạng sử dụng đất Hai thuật ngữ này cần được làm sáng tỏ trước khi bắtđầu các nghiên cứu về viễn thám Thuật ngữ hiện trạng sử dụng đất nhân mạnh đến

các thông tin về mục đích sử dụng của thửa đất trong khi thuật ngữ hiện trạng lớpphủ được dùng để chỉ các thông tin miêu tả trạng thái lớp phủ thực vật của thửa đất

ay Một loại hình sử dụng đất (hay một lớp trên bản đồ hiện trạng) có thé bao gồmnhiều loại hình lớp phủ khác nhau Ví dụ như một sân gôn (hiện trạng sử dụng đất)

có thé bao gồm cỏ, rừng, mặt nước (hiện trạng lớp phủ) Các thông tin có thé thay

được trong dữ liệu viễn thám thường là các thông tin về hiện trạng lớp phủ hơn là

các thông tin hiện trạng sử dụng đất [52] Dù sao thì giữa hiện trạng sử dụng đất vàhiện trạng lớp phủ cũng có những sự tương quan chặt chẽ nên từ các thông tin vềhiện trạng lớp phủ có thé được dùng dé chiết xuất ra các thông tin về hiện trạng sửdụng đất một cách gián tiếp Bảng 2.1 cho thấy điểm mạnh cũng như điểm yếu củacác phương pháp thành lập bản đồ thực vật khác nhau

Bang 1.1 Điểm mạnh, yếu của các kỹ thuật thành lập ban đồ thực vật khác nhau [91]

Quan sát thực Ảnh hàng Viễn thám so | Viễn thám số vệ

địa không máy bay tĩnh Giới hạn phân | <Im 1-10m 1-20m 5m->lkm

giải

Độ rộng có thê Phụ thuộc vào km x 10° Toan cau

cua vung vé khả năng nguồn

Kha năngtách | Từng cá thé Kiểu cấu trúc | Kiểu cấutrúc | Các lớp hiện

biệt Từng loài thực vật thực vật trạng lớp phủ

Tân suat lặp lại | Phụ thuộcvào | Phụ thuộcvào | Phụ thuộc vào | Hàng ngay tới

thông tin khả năng nguồn | nguồn lực và nguồn lực và 20 ngày, phụ

lực thời tiết thời tiết thuộc thời tiết Phương pháp Quan sat Giải đoán mắt | Xử lý ảnh tự Xử lý ảnh tự

giải đoán thường động hoặc giải | động hoặc giải

Việc phát triển của các kỹ thuật phân tích không gian của GIS cũng đã cónhững ảnh hưởng to lớn tới việc thành lập bản đồ lớp phủ thực vật và quá trình giảiđoán ảnh [61] Tuy nhiên, việc sử dụng kết hợp công nghệ viễn thám và GIS trongnghiên cứu theo dõi biến động lớp phủ thực vật cũng khó có thể tránh khỏi sai sót,

cả chủ quan và khách quan [44] Các sai sót này chủ yếu tập trung ở ba khía cạnh

chính là sai số về không gian (do nắn chỉnh hình học); sai số về không gian do quá

trình giải đoán và sai số về thuộc tính do quan niệm khi giải đoán

Với sự phát triển của công nghệ, các vệ tinh có thể chụp ảnh được với sỐkênh nhiều hơn, cung cấp lượng thông tin to lớn hơn Dựa trên ưu thế này, nhiềunhà khoa học đã đề nghị các biện pháp xử lý ảnh mới dé có thé thu thập thông tin từảnh vệ tỉnh tốt hơn, trong đó có phương pháp phân loại dưới pixel (từ thuật ngữtiếng Anh spectral unmixing) Phân loại này được ứng dụng không chi dé tìm hiểuchỉ tiết về lớp phủ thực vật, cấu trúc tán lá mà còn ứng dụng trong các nghiên cứuthé nhưỡng [77,58,61]

Những năm gan đây, ứng dụng viễn thám trong thành lập bản đồ hiện trang

sử dụng đất cũng như bản đồ hiện trạng lớp phủ đã được thực hiện tương đối rộng

25

rãi Tuy nhiên, hầu hết các công bố của các tác giả Việt Nam chỉ nhằm sáng tỏ khíacạnh ứng dụng và kỹ thuật của các phương pháp cô điển trong thành lập bản đồ từ

ảnh viễn thám Các van đề nghiên cứu vẫn còn bỏ ngỏ ở nhiều khâu do nhiều ly do

khác nhau [2].

1.2.3 Nghiên cứu theo dõi biến động lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tỉnh

Đề có thé nhận biết được các mức độ khác nhau của một kiểu lớp phủ bằngphân tích ảnh số là một việc không dé dang Da có nhiều phương pháp xử lý khácnhau được đề cập như tính toán chỉ số thực vật, phân tích thành phần chính, phânloại có kiểm định và phân loại không kiểm định [89,55,52,30]

Trong các công bố của minh, một số nhà nghiên cứu Việt Nam đã đề cập tớicác nguyên tắc đánh giá biến động lớp phủ thực vật Nguyễn Dinh Dương liệt kê hai

phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật là so sánh bản đồ được thành lậpđộc lập và nhân mạnh các biến động (làm rõ) nhờ tổ hợp màu hoặc phân tích thànhphần chính [7] Tác giả cũng cho rằng cần phải có tư liệu cùng mùa trong năm đề cóthé nhận được những biến động “thực sự” [7,55,52] Điều này có thể thấy TỐ VỚI các

khu vực có biến động theo mùa (đất nông nghiệp hoặc rừng rụng lá) [52]

Biến động của lớp phủ thực vật có thé bao gồm hai kiểu biến đổi: biến đổi từlớp này sang lớp khác và biến đổi trong nội bộ lớp Biến đổi từ lớp này sang lớpkhác là loại biến đổi ma hầu hết các nghiên cứu viễn thám tập trung vào dé đánhgiá Trong khi đó, biến đổi trong nội bộ lớp (ví dụ rừng với 80% lớp phủ biến thành

rừng với 50% lớp phủ) là loại biến đổi mà ảnh viễn thám đa phé cũng có thé nhậnthấy được [40] Phân tích kỹ hơn về nguồn gốc các sai số có thé trong quá trình sửdụng ảnh vệ tinh để đánh giá biến động lớp phủ thực vật, G.S Biging et al cho rằng

trong tat cả các quá trình, từ thu ảnh tới xử lý, phân tích và chuyên đồi dữ liệu đều

có sai số Việc chồng ghép các kết quả được xử ly độc lập dé đánh giá biến độngcàng làm tăng sai số, nghĩa là kết quả chồng ghép sẽ có sai số lớn hơn sai số củatừng phép phân tích độc lập Biện pháp đầu tiên được khuyến nghị như là một cách

để giảm thiểu sai số là tránh xử lý các ảnh đa thời gian một cách độc lập [33]

26

Đánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng phương pháp viễn thám số có thểđược chia thành đánh giá biến động phan xạ phổ trước phân loại và đánh giá biếnđộng sau phân loại Đánh giá biến động sau phân loại là phép chồng ghép so sánhkết quả phân loại độc lập các ảnh Phương pháp nay có ưu thé là có thé sử dụng cácloại ảnh vệ tinh khác nhau (khác đầu thu), chụp vào các mùa khác nhau trong năm.Nhược điểm chính của phương pháp này là sự phụ thuộc vào độ chính xác của từng

phép phân loại đơn lẻ [40].

Đánh giá biến động phan xạ phổ trước phân loại là phương pháp thu nhận

biến đổi về phô (spectral) để tạo nên một ảnh gồm một hay nhiều kênh ảnh trên đócác phan thay đôi về phổ được làm rõ từ hai ảnh cho trước Việc so sánh này có thể

được tiến hành theo từng pixel (nghĩa là so sánh giá trị ở từng pixel tương ứng về vịtrí trên các ảnh đa thời gian) hoặc trên toàn cảnh (nghĩa là so sánh sự khác biệt vềgiá tri phổ trên “khung cảnh” toàn ảnh Những kỹ thuật thông dụng nhất dé tinhtoán sự biến đổi giữa các kênh ảnh phố là “differencing” (phép trừ) va “imageratioing” (phép chia) Trong trường hợp tính toán sự biến đổi, các phương pháp

đồng nhất hoá (equalization), ví dụ như phân tích thành phần chính thường được áp

dụng [40] Sau khi đã có được các kết quả về sự khác biệt giữa các ảnh, cần phải cónhững phân tích để quyết định mức độ khác biệt thế nào đại diện cho sự thayđồi.Việc phân ngưỡng thay đổi có thé được dựa vào hàm phân bó, với ngưỡng thay

đổi được chọn là lớn hơn hay nhỏ hơn một khoảng độ lệch chuẩn [40]

Phân tích thành phần chính (PCA) là một trong những công cụ hữu hiệu dé

đánh giá biến động lớp phủ thực vat và đã được các nhà nghiên cứu công bố từnhững năm 80 và 90 Có hai cách sử dụng kỹ thuật pca trong đánh giá lớp phủ thực

vật, đó là phân tích thành phần chính của ảnh đa thời gian và phân tích thành phần

chính của ảnh đơn thời gian, sau đó so sánh với nhau [40, 65].

Nghiên cứu về sự cần thiết hay không của việc nắn chỉnh khí quyền là mộtnghiên cứu rất thú vị, đem lại những yêu cầu quan trọng của việc nắn chỉnh khíquyền và đặc biệt là trả lời câu hỏi khi nào thì cần thiết phải làm việc này Việc nắn

chỉnh khí quyền là cần thiết trong nhiều ứng dụng viễn thám, đặc biệt là trong các

27

bài toán theo dõi biến động Tuy nhiên, không phải lúc nào việc nan chỉnh khíquyên cũng là cần thiết Việc phân loại ảnh đơn thời gian (single date) bằng phươngpháp phân loại độ tương tự lớn nhất (maximum likelihood) là một ví dụ rõ ràng nhất

về việc nan chỉnh khí quyền không có ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng không đáng ké

đến kết quả phân loại, do các kênh ảnh LandSat TM được thiết kế dé tránh tối đa sự

hấp thụ của khí quyền Điều này dẫn tới việc nắn chỉnh khí quyền làm thay đổi giátrị tuyệt đối của các pixel trên ảnh mà không làm thay đổi tương quan giữa chúng,

nghĩa là việc phân loại dựa vào tương quan giữa giá tri các pixel thay vì gia trị tuyệt

đối của chúng là không bị ảnh hưởng Điều này cũng có thé được mở rộng cho việc

đánh giá biến động sau phân loại [78] Trường hợp này đúng khi phân loại ảnh đa

thời gian theo từng ảnh riêng biệt và sau đó đánh giá biến động trên cơ sở kết quảphân loại riêng biệt này Tương tự như vậy, việc nan chỉnh khí quyền cũng khôngcần thiết trong trường hợp đánh giá biến động dựa vào việc phân loại ảnh tô hợp đathời gian Ảnh tổ hợp đa thời gian là ảnh được tô hợp từ kênh ảnh của nhiều thờigian khác nhau Với việc so sánh ảnh bằng cách trừ hai ảnh theo từng pixel cũngđược chứng minh là không cần thiết phải nắn chỉnh khí quyền, tuy nhiên nên chuẩnhoá phan xạ phổ trong trường hợp nay [78] khi quan niệm rang giá trị không (0) làgiá trị thể hiện khu vực không thay đổi Các nhà nghiên cứu cũng đã đi đến kết luậnrằng việc năn chỉnh khí quyền là không cần thiết với tất cả các trường hợp sử dụngcác thuật toán tuyến tính, kế cả phân tích thành phan chính da thời gian dé đánh giá

biến động lớp phủ thực vật [78] Với các đánh giá biến động dựa vào các phương

trình không tuyến tính, ví dụ như chỉ số thực vật, ta có thể thấy ngay rằng ảnh

hưởng của khí quyền sẽ khác nhau với các chỉ số thực vật của các ảnh chụp vào các

ngày khác nhau, nghĩa là, do tính không tuyến tinh, ảnh hưởng của khí quyền không

bị triệt tiêu, và việc nắn chỉnh khí quyền trở nên cần thiết

Như vậy, chúng ta có thé thay rằng hai phương pháp chính được sử dung déđánh giá biến động lớp phủ thực vật là phương pháp dựa vào khác biệt phổ va

phương pháp xử lý sau phân loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Ưu điểm nỗi

bật của phương pháp xử lý sau phân loại là khả năng áp dụng độc lập với nguồn tư

28

liệu ảnh khác nhau, không phụ thuộc vào sự khác biệt của quá trình thu ảnh ở các

thời điểm khác nhau Tuy nhiên, chính điều này lại đem lại nhược điểm là quá

“nhạy cảm” với kết quả phân loại từng ảnh cụ thể của phương pháp Phương pháp

so sánh khác biệt phổ, với nhiều cách tiếp cận khác nhau, đều có ưu thé chung là

tránh được sai số do phân loại (hoặc xử lý) độc lập các ảnh đơn lẻ Thách thức lớn

nhất mà phương pháp này phải giải quyết chính là ngưỡng “thay đổi” và “khôngthay đổi” Điều này có thể thấy rõ được qua phân tích hàm phân bố của các ảnh

“thay đôi”, chúng thường có dạng liên tục và việc đặt ra một ngưỡng cố định là điềukhó dem lại sự chính xác cần thiết Phương pháp so sánh thay đôi phổ đã được phát

triển thành rất nhiều kỹ thuật khác nhau và được sử dụng ngày càng nhiều Phầndưới đây điểm qua một số kỹ thuật nhận biết thay đổi phô [40]

Kỹ thuật trừ ảnh gốc (raw image differencing)

Kỹ thuật này đơn giản là trừ giá trị trên kênh tương ứng của cặp ảnh gốc để tạonên ảnh thay đổi với các giá trị số Số kênh của ảnh kết quả sẽ tương ứng với

số kênh của ảnh gốc

Nhiều tác giả đã sử dụng phương pháp này và ghi nhận nhiều kết quả khác

nhau Phương pháp này được gho nhận là tốt cho phân biệt sự thay đối giữađất và nước Một số tác giả khuyến cáo nên sử dụng ảnh thay đổi ở dạng tôhợp màu đa kênh sẽ thấy thay đổi rõ hơn va dé hơn Tuy nhiên một số tác giảcũng đã ghi nhận nhược điểm của phương pháp này, trong đó nổi bật nhất là

sai số do nan chỉnh hình học; sai số do giá trị phố của các kênh ảnh gốc khácnhau và cuối cùng là giá trị khác biệt không đại diện được cho mirc độ thayđổi, vi dụ giá trị của ảnh thay đôi là 30 có thé là kết quá của hai ảnh gốc có giá

trị 180 và 150 hoặc 40 và 10.

Phân tích véctơ thay đối (change vector analysis)Phương pháp này được đề xuất bởi Malila vào năm 1980 Véc tơ thay đối làvec tơ miêu tả hướng và độ lớn của thay đổi từ ảnh thứ nhất sang ảnh thứ hai.Trong phương pháp này, hai ảnh đơn kênh sẽ được tạo cùng nhau, ảnh thứ

nhất chứa độ lớn của véctơ thay đổi của pixel trong khi anh thứ hai hướng của

29

véctơ thay đổi Dé có thể nhận biết được pixel có thay đổi hay không, mộtngưỡng được áp dụng cho ảnh thứ nhất, và khi pixel đã được coi là có thay

đối, chiều hướng thay đổi của nó sẽ được nhận trên ảnh thứ hai

Cũng như phương pháp trừ ảnh gốc, phương pháp này cũng rất nhậy cảm vớisai số nan chỉnh hình học và sự khác biệt phô trong ảnh gốc (của các pixelkhông thay đổi) và việc chọn ngướng thay đổi cũng là một vấn đề khó khăn,

đòi hỏi trình độ cao của người xử lý.

Phân tích nội ảnh (inner product analysis)

Được các nhà nghiên cứu Nhật bản tiễn hành [50] Giá trị phố của pixel được

coi là vécto đa phố Sự khác biệt giữa hai vectơ đa phô được tính toán bangcosin của góc tạo bời chúng Điều này có nghĩa là, không phụ thuộc vào độ lớn

của vecto đa phổ, nêu góc giữa chúng bang 0 thi giá trị nhận được là 1 tươngứng với pixel không thay đổi Pixel được coi là có thé có thay đổi nếu phântích nội anh cho giá trị khác 1 và nằm trong khoảng từ -1 đến 1 Phương phápnay cho phép xếp các pixel có tỷ lệ giá trị phố như nhau nhưng khác nhau vềgiá trị tuyệt đối thành những pixel không đổi Cũng như phương pháp trên,phương pháp này chịu ảnh hưởng của độ chính xác nắn chỉnh hình học ảnh

Phân tích tương quan (correlation analysis)

Về mặt ý tưởng, phương pháp này cũng tương tự như phương pháp phân tíchnội ảnh kê trên Điểm khác biệt là trong phương pháp này, giá trị trung bình

của vectơ đa phô được sử dụng như là một thông số dé đánh giá mức độ thayđổi Vì thế, phương pháp này có ưu điểm hon trong việc loại trừ bớt ảnh hưởngcủa các yếu tố của việc chụp ảnh như tổng lượng bức xạ mặt trời, góc cao mặt

trời, ảnh hưởng khí quyền và đầu thu

Phuong pháp ty lệ anh (image ratioing)

Day được coi là một trong những phương pháp nhận biết biến động nhanhnhất Ảnh của 2 date khác nhau được tính tỷ lệ (chia ảnh cho ảnh) theo từng

kênh Ý tưởng chính của phương pháp này là những vùng không thay đồi sẽ có

30

giá trị tỷ lệ tương tự nhau trong khi những khu vực có thay đổi sẽ có tỷ lệ lớnhơn hoặc nhỏ hơn giá trị ở các vùng không thay đôi.

Ảnh tỷ lệ, tương tự ảnh thay đổi trong phương pháp trừ ảnh, cần được phântích và giải đoán dé có thé nhận diện được các khu vực thay đôi Cũng như

phương pháp trừ ảnh, phương pháp này bị ảnh hưởng của độ chính xác của

phép nắn ảnh, đồng thời bị ảnh hưởng bởi thông số của đầu thu trong trườnghợp đầu thu khác nhau (ví dụ TMS và TM7) Một vài tác giả còn phê phánphương pháp này là ảnh tỷ lệ có hàm phân bố không phải dạng chuẩn

Phương pháp trừ chỉ số thực vật (vegetation index differencing)

Khác với phương pháp trừ ảnh gốc, phương pháp này sử dụng phép trừ với ảnhchỉ số thực vật được tính toán cho ảnh của hai thời điểm Chỉ số thực vật thông

thường được tính toán trên kênh đỏ và kênh hồng ngoại dựa trên đặc tính hap

thụ và phản xạ năng lượng mặt trời khác nhau trên các kênh này của cây xanh

(xem hình 2.1) Kết quả là có được một kênh ảnh thé hiện sự khác biệt chỉ sốthực vật của hai ảnh Phương pháp này được ghi nhận là có tác dụng tốt với

việc phân tích biến động của tán rừng (forest canopy) Cũng giống như bat ky

phép phân tích biến động dựa trên pixel nào khác, phương pháp này cũng bịảnh hưởng của phép nắn chỉnh hình học

Phương pháp trừ ảnh chuẩn hoá (normalizes image differencing)

Khác với phương pháp trừ ảnh gốc, ảnh thay đổi được tạo ra trong phương

pháp này là kết quả của phép trừ hai ảnh chuẩn hoá tương ứng với hai ảnh gốcban dau Nghia là, trước khi thực hiện phép trừ ảnh, phép chuẩn hoá ảnh đượctiến hành trên ca hai ảnh gốc theo từng kênh Chuẩn hoá ảnh nhằm mục dich

tạo ra các ảnh có giá trị trung bình và độ lệch chuẩn có thé so sánh được Cónhiều cách khác nhau dé có thé chuẩn hoá ảnh, thông thường nhất là sử dụng

công thức sau:

u,=ay+b,(Xx-Xk )

Trong đó: uy: giá trị kết quả của pixel ở kênh thứ k

Xx: giá tri pixel ở kênh thứ k

31

X, : giá trị trung bình của kênh thứ k

a, = Ux : giá trị trung bình của kênh thứ k trên anh kết quả

b,=Su,/Sx,, với Su, là độ lệch chuẩn của kênh thứ k trên ảnh kết quả và

Sx, là độ lệch chuẩn của kênh thứ k trên ảnh gốc

Phương pháp này thường cho kết quả tốt hơn phương pháp trừ ảnh gốc Cần

quan tâm là việc lựa chọn các tham SỐ cũng như thuật toán chuẩn hoá ảnh làrất quan trọng Phương pháp này cũng bị ảnh hưởng bởi độ chính xác nắn

chỉnh hình học.

Phương pháp trừ ảnh chuẩn hoá phổ (radiometrically normalized_ image

differencing)

Tương tự như với phương pháp trừ anh gốc và phương pháp trừ anh chuan

hoá, anh thay đổi được tạo ra bởi phương pháp này cũng là kết quả của phép

trừ giữa hai ảnh, anh “subject” và ảnh “reference” Một trong hai ảnh được coi

là anh reference và ảnh subject được biến đôi (chuân hoá) sao cho có các điềukiện về phổ (radiometric) tương tự như anh reference Kỹ thuật biến đôi hay

được sử dụng nhất là kỹ thuật tương tự như biến đổi tuyến tính [40,71], có

dạng:

uu=ayvxy+by

Trong đó: ux: giá trị kết quả của pixel ở kênh thứ k

X¿: gla tri pixel ở kênh thứ k

ay, by hé số

Một trong những phương pháp quan trong dé có thé xác định được các hệ số ay

và b, là phương pháp phân tích hồi qui (regression) Dựa trên quan hệ giữa giá

trị số của cặp ảnh chụp trên cùng một vùng, hai ảnh được đánh giá xem chúng

có quan hệ tuyến tính với nhau không Nếu có, phân tích héi qui được áp dụng

dé tìm ra giá tri a, và by Sau đó, anh subject sẽ được biến đổi theo phươngtrình đã xác định ấy

32

Phương pháp trừ albedo (albedo differencing)

Albedo được định nghĩa là tỷ lệ giữa lượng năng lượng sóng điện từ phản xạ

bởi vật thể với tổng lượng năng lượng sóng điện từ tới nó Như vậy, albedo

chính là giá trị của mức độ phản xạ Trước tiên, ảnh albedo được tính toán trên

từng date riêng biệt Ảnh kết quả được tạo bởi phép trừ hai anh albedo sẽ thé

hiện những khu vực có mức độ phản xạ thay đôi

Có nhiều phương pháp khác nhau dé tính được anh albedo Một điều dễ thay làcác phương pháp này đều đòi hỏi phải nắn chỉnh khí quyền cho ảnh (thì mới cóthể qui giá tri thu nhận được ở vệ tinh thành giá tri phản xạ thực sự tại mặt đất

và tính toán được albedo) Một số phương pháp đòi hỏi phải có số liệu khítượng, một số phương pháp chỉ đòi hỏi dit liệu Landsat [69,88]

Phân tích thành phan chính (principal component analysis)

Phân tích thành phan chính là kỹ thuật phân tích đa biến phổ biến để làm phi

tương quan các dữ liệu đa phô Hai kỹ thuật phân tích thành phan chính có théđược áp dụng trong theo dõi biến động từ ảnh vệ tinh là phân tích thành phần

chính đa thời gian và phân tích thành phần chính đơn ảnh

Phân tích thành phần chính đa thời gian là áp dụng kỹ thuật phân tích thànhphần chính cho ảnh đa thời gian Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hầu hết cáckhu vực biến động được thể hiện trong các kênh thành phần chính chứa ítthông tin (kênh PC3 hoặc PC4) Ảnh được sử dụng dé phân tích thành phanchính có thé rất phong phú, từ ảnh gốc, ảnh albedo

Phân tích thành phần chính đơn ảnh sử dụng kỹ thuật phân tích thành phần

chính cho từng ảnh riêng biệt trong cặp ảnh và sau đó các thành phần chính

này được so sánh với nhau Kỹ thuật so sánh cũng rất đa dạng, có thé là trừ

ảnh hoặc chia ảnh.

Kỹ thuật phân tích thành phần chính hoàn toàn không dựa vào sự so sánh theotừng pixel Sự biến động nhận được là sự biến động trên cơ sở so sánh toan

ảnh chứ không phải từng pixel Tuy còn nhiều đánh giá khác nhau về áp dụng

kỹ thuật phân tích thành phần chính trong theo dõi lớp phủ thực vật, nhưng có

33

thé nhận thay rang đây là một phương pháp phức tạp, đòi hỏi người phân tíchphải năm rõ đặc tính của ảnh vệ tinh cũng như đối tượng được đánh giá, đặcbiệt là trong việc đoán nhận sự thay đôi Và, kỹ thuật này cũng có thể đòi hỏiphải có các phân tích tiếp theo.

Một số tác giả đã thử nghiệm kết hợp cả hai phương pháp trên (phân loại và

so sánh thay đôi phổ) dé đánh giá biến động lớp phủ thực vật, điển hình là công bốcủa Ding Yuan et al Các tác giả đã sử dụng phương pháp so sánh phổ dé loại bỏnhững khu vực không có sự khác biệt đáng ké và áp dụng phương pháp phân tíchsau phân loại vào những khu vực có thê có sự thay đổi [40]

Trong đề tài nghiên cứu cơ bản 74 05 02 [4], nhóm tác giả đã phân tích ưu,nhược điểm của phương pháp xử lý ảnh số cũng như giải đoán mắt thường và đề

xuất một phương án kết hợp, theo đó việc phân loại ảnh số được tiến hành, sau đó

“khái quát hoá” kết quả bằng mắt thường Theo công bố của nhóm nghiên cứu, đây

là một phương pháp có nhiều ưu điểm [4] Cũng trong một đề tài nghiên cứu cơ bảnkhác năm 2002, nhóm tác giả cho biết “thông số về sinh khối rừng được xác định

bang chỉ số thực vật trên ảnh SPOT”[IS]

Tuy nhiên, dù bằng cách nào, theo quan điểm của tác giả luận án, sự “thayđổi” và “không thay đổi” trong tự nhiên không bao giờ có ranh giới rõ ràng vì mọiđối tượng đều biến đổi liên tục theo thời gian, đều “vô thường” Tat cả những ranhgiới đặt ra dé miêu tả sự “thay đôi” hay “không thay đổi” đều chi mang tính chat

tương đối, vì vậy chúng ta sẽ phải chấp nhận những kết quả có tính chính xác tươngđối Và dé kết luận, chúng ta có thé sử dụng ý kiến sau đây của Wellens: dù sao đi

nữa, không có một phương thức “chuẩn” nào có thé áp dụng được cho moi vùngtrên thế giới, nghĩa là từng phương pháp chỉ áp dụng tốt cho từng hoàn cảnh cụ thé

và chỉ có ý nghĩa tham khảo khi áp dụng vào các khu vực khác [89].

34