Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh SPOT 5 trong phân loại các trạng thái rừng tỉnh bắc kạn tt

Nghiên cứu thứ ba có ưu điểm đã sử dụng phương pháp phân loại hướng đối tượng và thực hiện trên những vùng sinh thái khác nhau nhưng bị hạn chế vì phân loại trên ảnh đã tổ hợp màu tự nhi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

Luận án được hoàn thành tại:

Trường Đại học Lâm nghiệp

Xuân Mai, Chương Mỹ, Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án

cấp Trường họp tại: Trường Đại học Lâm nghiệp

Vào hồi… giờ… ngày… tháng.….năm 2015

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện

Quốc gia và Thư viện trường Đại học Lâm nghiệp

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết

Tại Việt Nam, trạm thu ảnh vệ tinh SPOT-5 chính thức vận hành vào tháng 7 năm 2009 Từ năm 2002 đến nay đã có 5.112 cảnh ảnh SPOT-5 (tỷ lệ mây dưới 20%) [62] chụp lãnh thổ Việt Nam tương đương gần 24 lần lãnh thổ được lưu trữ tại Công ty SPOT và Cục Viễn thám Quốc gia Đây là nguồn ảnh vệ tinh chất lượng tốt nhất phủ kín cả nước từ năm 2002 đến năm 2015, có khả năng sử dụng để giải đoán xây dựng bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1/10.000 tại nhiều thời điểm trong quá khứ và hiện tại

Tuy nhiên, kỹ thuật và khả năng sử dụng ảnh SPOT-5 để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng tại Việt Nam còn hạn chế Cho đến nay mới có ba nghiên cứu điển hình ứng dụng ảnh SPOT-5 trong xây dựng bản đồ rừng tại Việt Nam gồm:

- Lê Anh Hùng và cộng sự nghiên cứu tại huyện Đình Lập và Lộc Bình, tỉnh Lạng Sơn;

- Nguyễn Thanh Hương nghiên cứu tại huyện Đăk RLấp, tỉnh Đăk Nông;

- Vũ Tiến Điển và cộng sự nghiên cứu tại huyện Cư Jút, tỉnh Đăk Nông, huyện Con Cuông tỉnh Nghệ An và huyện Mai Sơn, tỉnh Sơn La

Trong đó, hai nghiên cứu đầu sử dụng phương pháp phân loại ảnh truyền thống theo điểm ảnh (pixel based) Nhiều nghiên cứu cho

thấy phương pháp phân loại điểm ảnh đối với ảnh phân giải cao đưa

ra độ chính xác thấp hơn phương pháp hướng đối tượng (object based) Nghiên cứu thứ ba có ưu điểm đã sử dụng phương pháp phân loại hướng đối tượng và thực hiện trên những vùng sinh thái khác nhau nhưng bị hạn chế vì phân loại trên ảnh đã tổ hợp màu tự nhiên (chỉ có 3 kênh được trộn từ 4 kênh ảnh đa phổ) do không có dữ liệu

ảnh đa phổ SPOT-5 Trước thực trạng nêu trên, luận án “Nghiên cứu

sử dụng ảnh vệ tinh SPOT-5 trong phân loại các trạng thái rừng tỉnh Bắc Kạn” được tiến hành với mục tiêu cơ bản là: góp phần

hoàn thiện cơ sở lý luận, thực tiễn xây dựng bản đồ hiện trạng rừng, đất lâm nghiệp dựa trên ảnh vệ tinh phân giải cao trong điều kiện địa hình đồi núi và khí hậu nhiệt đới ẩm vùng miền núi phía bắc Việt Nam

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Phương pháp phân loại hướng đối tượng (object-based) đã được Luận án nghiên cứu đối với ảnh vệ tinh độ phân giải không gian cao Ngoài giá trị xám độ ảnh thuần túy mà phương pháp điểm ảnh (pixel-based) sử dụng, nhiều chỉ tiêu thống kê về cấu trúc không gian giá trị xám độ ảnh trong lô rừng và đất rừng được nghiên cứu nhằm nâng cao khả năng phân loại các trạng thái như độ lệch chuẩn, mức độ đồng nhất (Homogeneity), mức độ khác biệt (Dissimilarity), mức độ ngẫu nhiên (Entropy) phân bố giá trị xám độ ảnh

Kết quả nghiên cứu đóng góp cho thực tiễn giải đoán ảnh vệ tinh về hệ thống trạng thái rừng và đất lâm nghiệp có thể phân biệt được trên ảnh SPOT-5, mức độ tách biệt các trạng thái để từ đó định hướng kiểm tra, chỉnh lý bản đồ kết quả giải đoán ở ngoài thực địa giúp giảm chi phí, nhân công hiện trường

Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp hoàn thiện biện pháp kỹ thuật, định mức kinh tế kỹ thuật giải đoán ảnh vệ tinh xây dựng bản

đồ hiện trạng rừng Hơn nữa, nghiên cứu đã chỉ ra có thể dùng những ngưỡng xám độ, đặc trưng xám độ ảnh vệ tinh để giải đoán trên nhiều cảnh ảnh thay vì giải đoán từng cảnh ảnh độc lập trước đây

Các đặc trưng ảnh vệ tinh tính theo phương pháp hướng đối tượng trong luận án là tiền đề nghiên cứu phân loại hiện trạng rừng đối với những ảnh vệ tinh độ phân giải cao đang và sẽ được ứng dụng tại Việt Nam như ảnh SPOT-6, SPOT-7, VNREDSat-1,

3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chung: Đánh giá được khả năng phân loại các trạng

thái rừng và đất lâm nghiệp tỉnh Bắc Kạn dựa vào ảnh vệ tinh

SPOT-5 góp phần xây dựng cơ sở lý luận và thực tiễn ứng dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao trong điều tra tài nguyên rừng Việt Nam

Mục tiêu cụ thể:

- Đề xuất được phương pháp phù hợp hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5 tỉnh Bắc Kạn

- Xây dựng được bản đồ trữ lượng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5 theo phương pháp nhóm điểm quan sát gần giá trị xám độ nhất (k-nn)

- Phân loại được các trạng thái rừng và đất rừng tỉnh Bắc Kạn dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5

- Xây dựng được quy trình giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 thiết lập bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp

4 Những đóng góp mới

Hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5 theo phương pháp thống kê bán thực nghiệm hệ số c cho kết quả phù hợp hơn thống kê thực nghiệm trong điều kiện tỉnh Bắc Kạn

Trong trường hợp quan hệ giữa xám độ ảnh vệ tinh SPOT-5

và trữ lượng gỗ yếu hoặc không có tương quan, bản đồ trữ lượng gỗ cho từng điểm ảnh xây dựng theo phương pháp nhóm điểm quan sát gần giá trị xám độ nhất (k-nn) có độ chính xác không cao

Theo phương pháp phân loại ảnh vệ tinh SPOT-5 hướng đối tượng, ngoài giá trị xám độ, chỉ số cấu trúc không gian xám độ cho đối tượng như Homogeneity, Dissimilarity và Entropy đóng góp quan trọng để phân loại trạng thái rừng và đất lâm nghiệp

Xây dựng được 60.827 tổ hợp xám độ và chỉ số cấu trúc không gian xám độ ảnh SPOT-5 làm khóa để giải đoán ảnh vệ tinh xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp

5 Đối tƣợng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: các nội dung nghiên cứu được thực hiện trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn Đối tượng nghiên cứu là tất cả các trạng thái rừng và đất lâm nghiệp

Giới hạn nghiên cứu: nghiên cứu thực hiện trên 278.941 ha rừng và đất lâm nghiệp trong vùng ảnh vệ tinh không bị ảnh hưởng mây, bóng mây, bóng núi, trên tổng diện tích tự nhiên 485.944 ha tỉnh Bắc Kạn

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Qua đánh giá cho thấy Việt Nam đã luôn đi song song về ứng

dụng công nghệ viễn thám với những tiến bộ trên thế giới Cách thức

tiếp cận vừa học, nghiên cứu vừa ứng dụng trong sản xuất đã đẩy

nhanh tốc độ ứng dụng, nâng cao năng lực cán bộ và gắn lý thuyết

với thực hành Bên cạnh những mặt mạnh của cách tiếp cận trên cũng

bộc lộ hạn chế về chuyên môn như chưa có đầy đủ nghiên cứu trước

khi áp dụng đại trà, cụ thể như:

- Nghiên cứu tiền xử lý ảnh, xử lý ảnh trước khi sử dụng ảnh

để phân loại xây dựng bản đồ hiện trạng rừng chưa quan tâm tới điều

kiện địa hình Diện tích đất lâm nghiệp chủ yếu phân bố ở những

vùng miền núi với địa hình đồi núi liên tục và độ dốc lớn Tuy nhiên

số lượng nghiên cứu nhằm hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến

chất lượng ảnh vệ tinh còn quá ít Chính vì vậy quá trình phân loại

ảnh vệ tinh trong phòng có độ chính xác chưa cao hoặc nói cách khác

là chưa tận dụng được tối đa thông tin từ ảnh vệ tinh

- Liên quan đến hệ thống phân loại đang được Việt Nam sử

dụng còn có tiêu chí trữ lượng gỗ Khi dùng các phương pháp phân loại

trạng thái thông thường chủ yếu phát hiện hiện trạng bề mặt lớp phủ mà

khó có thể nhận biết được thông tin về trữ lượng gỗ Chính vì vậy,

phương pháp tính trữ lượng gỗ từ ảnh viễn thám nên được tách riêng rồi

sau đó với kết hợp lại cùng với phương pháp phân loại trạng thái để đưa

ra hệ thống phân loại theo đúng yêu cầu của các nhà quản lý

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

Nhằm đạt được mục tiêu đề ra, luận án thực hiện bốn nội dung nghiên cứu cơ bản sau đây:

2.1.1 Hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5

- Hiệu chỉnh xám độ do ảnh hưởng của địa hình theo phương pháp thống kê thực nghiệm

- Hiệu chỉnh xám độ do ảnh hưởng của địa hình theo phương pháp bán thực nghiệm - hệ số c

- Đánh giá kết quả hiệu chỉnh xám độ từ hai phương pháp

2.1.2 Ước lượng trữ lượng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5

Nội dung nghiên cứu nhằm tạo ra bản đồ trữ lượng gỗ làm thông tin đầu vào cho nội dung tiếp theo trong quá trình phân loại trạng thái rừng

- Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình trên ảnh vệ tinh cho tất

cả các cảnh ảnh

- Ghép các ảnh trong vùng nghiên cứu

- Xử lý số liệu các ô tiêu chuẩn

- Xây dựng bản đồ trữ lượng gỗ cho vùng nghiên cứu theo những phương án khác nhau

- Đánh giá độ chính xác và quyết định chọn bản đồ trữ lượng

gỗ thành quả

2.1.3 Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5

- Chuẩn hóa bản đồ kết quả kiểm kê rừng tỉnh Bắc Kạn theo thời gian chụp ảnh vệ tinh, loại vùng bị mây, bóng núi, ranh giới không liên quan đến trạng thái (ranh giới hành chính, tiểu khu, khoảnh, chủ quản lý)

- Khảo sát giá trị xám độ ảnh vệ tinh và trạng thái rừng, đất lâm nghiệp

- Đánh giá khả năng nhận biết trạng thái rừng và đất lâm nghiệp dựa trên ảnh vệ tinh SPOT-5

- Đánh giá khả năng nhận biết trạng thái rừng và đất lâm nghiệp dựa trên ảnh vệ tinh SPOT-5 và bản đồ trữ lượng gỗ

- Xây dựng bộ quy tắc phân loại trạng thái rừng và đất dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5

2.1.4 Đề xuất quy trình giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 xây dựng bản đồ hiện trạng rừng

- Phân tích các bước thực hiện trong từng công đoạn

- Đề xuất quy trình giải đoán ảnh xây dựng bản đồ hiện trạng rừng

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu được thực hiện tuần tự theo bốn nội dung của luận án Nội dung thứ nhất nghiên cứu để chọn ra phương pháp phù hợp hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình trên ảnh vệ tinh Dữ liệu đầu vào thực hiện cho bước này gồm ảnh vệ tinh đã được hiệu

chỉnh hình học trực ảnh và bản đồ nền địa hình khu vực nghiên cứu Ảnh vệ tinh được hiệu chỉnh giá trị xám độ dựa vào thông tin độ dốc, hướng dốc tính từ bản đồ nền địa hình và góc mặt trời tại thời điểm chụp ảnh Nghiên cứu áp dụng hai phương pháp hiệu chỉnh khác nhau là thống kê thực nghiệm và bán thực nghiệm để đánh giá và rút

ra phương pháp hiệu chỉnh phù hợp cho vùng nghiên cứu nói riêng

và điều kiện địa hình phức tạp của Việt Nam nói chung

Phương pháp hiệu chỉnh phù hợp rút ra từ nội dung thứ nhất được áp dụng hiệu chỉnh trên các cảnh ảnh vùng nghiên cứu để làm

dữ liệu đầu vào xây dựng bản đồ trữ lượng gỗ trong nội dung thứ hai Các cảnh ảnh ghép lại thành một cảnh thống nhất kết hợp với giá trị trữ lượng gỗ tại các ô tiêu chuẩn để xây dựng bản đồ trữ lượng gỗ cho từng điểm ảnh trên toàn vùng nghiên cứu

Bước thứ ba sử dụng dữ liệu từ bước thứ hai gồm ảnh vệ tinh

đã ghép, bản đồ trữ lượng gỗ và bản đồ kết quả kiểm kê rừng tỉnh Bắc Kạn để phân tích khoảng giá trị xám độ ảnh cho từng trạng thái rừng và đất lâm nghiệp Kết quả phân tích đánh giá mức độ tách biệt

về xám độ ảnh đối với các trạng thái Nếu hai trạng thái có khoảng giá trị xám độ khác nhau có nghĩa là ảnh vệ tinh nhận biết hai đối tượng tốt và ngược lại

Quá trình xử lý từ bước thứ nhất, thứ hai và thứ ba được tổng hợp để xây dựng quy trình xử lý ảnh, giải đoán bản đồ hiện trạng rừng của nội dung nghiên cứu thứ tư

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5

Đánh giá kết quả hiệu chỉnh thông qua mối quan hệ giữa xám

độ ảnh và hướng dốc

Mối quan hệ giữa giá trị xám độ của bốn kênh ảnh đa phổ với hướng dốc đều cao hơn nhiều so với ảnh đã được hiệu chỉnh theo cả hai phương pháp Như vậy, cả hai phương pháp hiệu chỉnh đều đã giảm được sự ảnh hưởng của địa hình đến giá trị xám độ ảnh Mối quan hệ giữa xám độ ảnh và hướng dốc gần như không còn

Sau khi hiệu chỉnh, hệ số tương quan giữa xám độ ảnh và hướng dốc của kênh 1 và kênh 4 theo phương pháp hiệu chỉnh bán thực nghiệm cao hơn phương pháp thống kê thực nghiệm Trong khi với kênh 2 và kênh 3 thì ngược lại Như vậy chưa thể kết luận phương pháp nào hiệu quả hơn

Hình 3.1: Hệ số tương quan xám độ ảnh và hướng dốc

Đánh giá kết quả hiệu chỉnh thông qua độ lệch chuẩn giá trị xám độ giữa các hướng dốc

Khoảng chênh lệch (biến thiên) độ lệch chuẩn giữa các hướng dốc trên từng kênh của phương pháp hiệu chỉnh bán thực nghiệm thấp hơn phương pháp thống kê thực nghiệm ở kênh 1, kênh 3 và kênh 4 Kênh 2 thì ngược lại nhưng không cao hơn nhiều Trên diện tích nghiên cứu rộng, các đối tượng không có sự khác biệt lớn giữa các hướng dốc Vì vậy, độ lệch chuẩn giá trị xám độ trên các hướng tương đồng nhau, không có sự khác biệt lớn Như vậy, kết quả đã chỉ

ra hiệu chỉnh bán thực nghiệm hệ số c cho kết quả tốt hơn hiệu chỉnh thống kê thực nghiệm

Hình 3.2: Đánh giá độ lệch chuẩn xám độ theo hướng dốc

3.2 Ước lượng trữ lượng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5

Nghiên cứu đã xây dựng được 16 bản đồ trữ lượng gỗ cho từng điểm ảnh trên vùng nghiên cứu theo những phương án khác nhau về cách tính giá trị xám độ trung bình trên ô vuông 900m2, 2.500m2, số điểm k là 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25 và 29 Các bản đồ đều được xây dựng dựa vào bộ số liệu 584 ô tiêu chuẩn gồm: 315 ô rừng

gỗ tự nhiên (272 ô núi đất, 43 ô núi đá), 198 ô rừng gỗ trồng và 71 ô đất trống

Các bản đồ trữ lượng được đánh giá độ chính xác thông qua

hệ thống 65 ô tiêu chuẩn/điểm kiểm chứng độc lập gồm: 32 ô rừng

gỗ tự nhiên (28 ô núi đất, 4 ô núi đá), 23 ô rừng trồng gỗ và 10 ô đất trống

Bảng 3.1: Sai trung phương bản đồ trữ lượng gỗ theo các

phương án

1 Ảnh chưa hiệu chỉnh, xám độ 9 điểm 100,4 59,2 54,8 53,6 51,7 50,7 50,4 50,1

2 Ảnh chưa hiệu chỉnh, xám độ 25 điểm 98,8 64,3 55,0 53,2 51,3 50,7 50,5 51,3

3 Ảnh hiệu chỉnh, xám độ 9 điểm 93,5 57,6 53,1 49,4 46,8 46,0 46,1 46,2

4 Ảnh hiệu chỉnh, xám độ 25 điểm 89,7 50,7 46,9 45,8 44,8 44,3 43,2 43,2

Kết quả đánh giá độ chính xác cho thấy:

- Cùng phương án về số điểm gần nhất (k) thì bản đồ trữ lượng được xây dựng dựa vào ảnh đã hiệu chỉnh xám độ do ảnh

hưởng của địa hình có độ chính xác cao hơn (sai số trung phương thấp) ảnh chưa hiệu chỉnh Như vậy cho thấy ảnh hiệu chỉnh xám độ

do ảnh hưởng của địa hình đã nâng độ chính xác của bản đồ trữ lượng được xây dựng

- Giá trị xám độ ảnh được tính từ ô vuông 25 điểm ảnh cho kết quả độ chính xác cao hơn xám độ tính từ ô vuông 9 điểm ảnh

- Sai số trung phương của bản đồ trữ lượng có xu hướng giảm mạnh khi tăng số điểm quan sát từ 1 lên 5 và 9 Xu hướng này tiếp tục giảm nhẹ khi tăng k lên từ 9 đến 13, 17, 21 và 25 Số điểm quan sát tăng từ 25 lên 29 cho thấy sai số của bản đồ trữ lượng được tạo ra vẫn giữ nguyên hoặc có chiều hướng tiếp tục giảm

- Độ chính xác cao nhất của bản đồ trữ lượng được tạo ra từ phương án ảnh hiệu chỉnh xám độ 25 điểm với k là 25 hoặc 29 là

Hình 3.3: Trữ lƣợng gỗ cho từng điểm 10m * 10m

3.3 Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5

Diện tích tự nhiên tỉnh Bắc Kạn là 485.944 ha tương ứng với 182.397 lô trong bản đồ kết quả kiểm kê rừng Trong đó có 207.033 ha (119.253 lô) không tham gia vào nghiên cứu phân tách trạng thái rừng gồm 11.939 ha bị mây và bóng mây phủ trên ảnh vệ tinh, 94.226 ha các lô bị ảnh hưởng bởi bóng núi và 100.847 ha diện tích đất khác, đất không xác định trạng thái rừng và đất lâm nghiệp Diện tích tham gia nghiên cứu là 278.941 ha (63.126 lô) với 14 trạng thái rừng và 3 trạng thái không phải rừng (đất trống cây gỗ, đất trống, mặt nước)

Hình 3.4: Vai trò đặc trƣng ảnh

Trong số bốn nhóm đặc trưng ảnh, chỉ tiêu Homogeneity có ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng nhận biết đối tượng Thiếu chỉ tiêu