Ứng dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để đánh giá thảm rừng vườn quốc gia chư mom ray tỉnh kon tum

Ứng dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để đánh giá thảm rừng vườn quốc gia chư mom ray tỉnh kon tum

1 1.Mở đầu 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Rừng là một trong những bộ phận quan trọng nhất của sinh quyển trên hành tinh chúng ta, nó không chỉ mang lại giá trị kinh tế to lớn mà còn có ý nghĩa đối với toàn nhân loại. Ngoài ra, rừng còn có chức năng cân bằng sinh thái, bảo vệ môi trờng, và cảnh quan du lịch, Sự phát triển của nền văn minh nhân loại gây nên sức ép lớn đối với rừng và làm tăng thêm tính phức tạp trong mối quan hệ phụ thuộc của con ngời vào môi trờng. Hiện nay, quá trình công nghiệp hoá, hoá học hoá và đô thị hoá ở các nớc trên thế giới đang tác động mạnh đến sự cân bằng sinh thái môi trờng. Bên cạnh đó, tình trạng du canh, du c và khai thác rừng bất hợp lý, đã huỷ diệt những diện tích rừng rộng lớn, phá huỷ các thành phần sinh học cần thiết cho sự tồn tại của con ngời, gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng về thiên tai. ở Việt Nam, tổng diện tích đất tự nhiên khoảng gần 33 triệu ha [30, tr.1], trong đó gần ba phần t diện tích là đồi và núi.Trong nửa thế kỷ qua, do chiến tranh tàn phá và thiên tai cùng với các hoạt động phá rừng, khai thác lâm sản bừa bãi, đốt nơng làm rãy đã làm mất đi khoảng triệu ha rừng (trung bình xấp xỉ 100.000 ha/năm)[30], [19], để lại nhiều hậu quả xấu không chỉ làm giảm sút khả năng cung cấp của rừng, mà còn gây ra tai hoạ cho đời sống con ngời nh lũ lụt, hạn hán, xói mòn dẫn đến suy kiệt đất đai, phá huỷ các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, giao thông và ô nhiễm môi trờng sống. Những năm gần đây, mặc dù Nhà nớc đã có những chính sách cho việc khôi phục rừng, nhng kết quả cha đủ bù đắp phần diện tích rừng bị mất hàng năm, trong khi đó chất lợng rừng tiếp tục bị suy thoái nghiêm trọng. 2 Trớc mắt, nhiệm vụ bảo vệ, phát triển và kinh doanh rừng không chỉ là vấn đề riêng của ngành Lâm nghiệp, của các chuyên gia về rừng mà nó đã trở thành một vấn đề của toàn xã hội. Vờn quốc Gia Ch Mom Ray (VQGCMR) nằm ở Cao nguyên miền trung Việt Nam, phân bố trên cả hai huyện Sa Thầy và Ngọc Hồi của tỉnh Kon Tum có diện tích 56.621 ha. Đây là một khu bảo tồn thiên nhiên nổi bật có nhiều loại thảm thực vật nguyên sinh, trong đó chứa khoảng 187 loài đang bị đe doạ ở cấp quốc gia, nhiều loài trong số đó đợc liệt kê là bị đe doạ trên toàn cầu. Hệ động vật của VQGCMR cũng đa dạng không kém với ít nhất 97 loài thú và 210 loài chim khác nhau.(Văn phòng VQGCMR [5]) Việc cần có các thông tin và số liệu điều tra rừng phục vụ cho quản lý và phát triển một cách nhanh chóng, kịp thời, bảo đảm độ chính xác đồng bộ cho VQGCMR, đồng thời phải thờng xuyên theo dõi đánh giá mức độ biến động thảm rừng là một việc làm hết sức cần thiết. Hiện nay có nhiều phơng pháp cũng nh cách tiếp cận khác nhau để theo dõi, đánh giá sự thay đổi thảm rừng. Trong đó, ứng dụng viễn thám, hệ thống thông tin địa lý (GIS) là phơng pháp hiện đại và là những công cụ mạnh, có khả năng giúp giải quyết những vấn đề về không gian ở tầm vĩ mô trong một thời gian ngắn và trên một diện tích rộng. Sử dụng ảnh vệ tinh có độ phân giải cao và kỹ năng xử lý số liệu của hệ thống thông tin địa lý (GIS) chúng ta hoàn toàn có cơ sở để xác định sự thay đổi thảm rừng cả về số lợng và vị trí phân bố. Đánh giá về sự thay đổi thảm rừng qua các thời điểm khác nhau đã có nhiều tác giả đề cập trong nhiều các công trình và đề tài nghiên cứu. Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể cũng rất cần đợc nghiên cứu để tìm ra cách tiếp cận hợp lý cũng nh đánh giá khả năng ứng dụng của chúng một cách đúng đắn. 3 Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn nêu trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: ứng dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để đánh giá thảm rừng Vờn Quốc Gia Ch Mom Ray - Tỉnh Kon Tum. 1.2. Mục đích đối tợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1.2.1.Mục đích nghiên cứu - Đánh giá sự thay đổi các loại thảm rừng VQGCMR ở hai thời điểm 1989 và 2001. 1.2.2. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thảm rừng VQGCMR bằng sử dụng các loại ảnh vệ tinh, công nghệ viễn thám và GIS ( Geographical information systems). - Đề tài tập trung nghiên cứu toàn bộ phạm vi ranh giới VQGCMR ở hai thời điểm 1989 và 2001. 1.3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ở nớc ta trong những năm gần đây, nạn phá rừng bừa bãi đã gây nhiều hậu quả xấu không chỉ làm giảm sút khả năng cung cấp của rừng mà còn gây ra hoặc làm trầm trọng thêm tai hoạ cho đời sống con ngời nh lũ lụt, hạn hán dẫn đến suy kiệt đất đai, phá huỷ các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, giao thông, ô nhiễm môi trờng VQGCMR nằm trong khu vực núi, là một phần của dãy Trờng sơn. Đây là khu vực đầu nguồn quan trọng và cung cấp nớc cho hồ chứa nhà máy thuỷ điện Ya Ly và Sê San. Tại khu vực mà ở đó rừng đã bị khai thác và chặt, khu rừng của Vờn Quốc Gia(VQG) giúp cho điều hoà khí hậu và thời tiết. 4 Các nguồn tài nguyên sinh học của VQG là một nguồn lu trữ gen rất quan trọng và nuôi dỡng sinh thái của vùng đệm. Các quần thể của VQG bổ sung cho các quần thể ở vùng đệm đã bị thu hẹp và thực vật và động vật của VQG rất quan trọng để bổ sung cho các khu bảo vệ khác ở Việt Nam. Do đó, việc theo dõi tài nguyên rừng là việc làm rất cần thiết để các nhà lãnh đạo có căn cứ đa ra các hoạch định để sử dụng, bảo vệ tài nguyên rừng một cách hợp lý nhằm góp phần bảo toàn tính đa dạng sinh học và phát triển bền vững ở VQGCMR nói riêng và Việt Nam nói chung. Đề tài đa ra quy trình cụ thể về khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám và hệ thông tin địa lý, kỹ thuật xử lý ảnh số trong đánh giá thảm rừng vào thực tiễn ở VQGCMR. 1.4. Những đóng góp của đề tài Góp phần khẳng định khả năng ứng dụng kỹ thuật xử lý số có giám định trên t liệu vệ tinh có độ phân giải cao (LANDSAT.TM) để phân loại trạng thái rừng ở VQGCMR nói riêng và rừng nói chung. Xây dựng đợc một hệ thống phân loại thảm rừng tơng đối phù hợp với khả năng nhận biết và phân loại các đối tợng của phơng pháp xử lý số trên t liệu viễn thám. Đã chỉ ra sự thay đổi cụ thể của các loại thảm rừng trong VQGCMR tại thời điểm năm 1989 và năm 2001. 5 2.Tổng quan vấn đề nghiên cứu Một trong những ứng dụng quan trọng của viễn thám là nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và môi trờng. Viễn thám - tiếng Anh là the remote sensing- có thể coi nh một phơng thức thu nhận thông tin về các đối tợng từ một khoảng cách nhất định, mà không cần những tiếp xúc trực tiếp với chúng. Phơng pháp viễn thám đợc dựa trên nguyên lý cơ bản là: Các đối tợng tự nhiên trên bề mặt trái đất đã hấp thụ, phản xạ hoặc bức xạ sóng điện từ trên các dải phổ khác nhau với cờng độ khác nhau[15], [23]. Các tín hiệu này đợc những thiết bị đặt trên phơng tiện bay trên không tiếp nhận ghi lại hoặc chuyển về các trạm thu trên mặt đất để xử lý. Hay nói cách khác: Các thông tin thu đợc là kết quả của việc giải mã hoặc đo đạc những biến đổi mà đối tợng tác động tới môi trờng xung quanh. Trên cơ sở nguyên lý cơ bản này, phơng pháp viễn thám nói chung, viễn thám trong điều tra rừng nói riêng đã đợc hình thành và phát triển ngày càng hoàn thiện trong sự phát triển không ngừng của các lĩnh vực kỹ thuật có liên quan (các thiết bị bay, chụp, truyền thông tin, hệ thống in ấn, sao chụp , xử lý ảnh .). Nh vậy hiểu một cách đầy đủ, phơng pháp viễn thám đợc tổ chức thực hiện cả ở tầng không trung và ngay trên mặt đất. Sự phối hợp bổ sung thông tin giữa các tầng sẽ tạo ra sự hiểu biết sâu sắc, chính xác và ngày càng toàn diện tài nguyên thiên nhiên nói chung và tài nguyên rừng nói riêng[16]. Do tất cả các đối tợng tự nhiên trên bề mặt trái đất, ở một góc độ nào đó đều đợc phản ánh một phần đặc điểm, nội dung trên t liệu viễn thám, nên kỹ thuật viễn thám thực chất là một kỹ thuật liên ngành bao gồm nhiều lĩnh vực nội dung, kỹ thuật của các chuyên môn phức tạp khác nhau, đồng thời ứng dụng của chúng cũng vô cùng phong phú. Dới đây chúng tôi trình bày những nét cơ bản nhất về lịch sử phát triển kỹ thuật viễn thám nói chung và viễn thám ứng dụng 6 trong Lâm nghiệp nói riêng cùng một số công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nớc. 2.1. Lợc sử nghiên cứu về viễn thám Lịch sử về viễn thám cho thấy, sự phát triển của kỹ thuật viễn thám luôn gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật chụp ảnh. Bức ảnh đầu tiên đợc chụp vào năm 1839, tới năm 1849 Aime Laussedat ngời Pháp đã khởi đầu một chơng trình sử dụng ảnh cho mục đích thành lập bản đồ địa hình[31]. Đến giữa thế kỷ thứ 19 ngời ta đã sử dụng kinh khí cầu để chụp ảnh từ trên không và bức ảnh hàng không đầu tiên đợc chụp từ kinh khí cầu cũng là do Laussedat chụp vào năm 1858. Sang đầu thế kỷ thứ 20 ngời ta đã thử nghiệm chụp ảnh từ trên không bằng máy bay và bức ảnh đầu tiên đợc chụp từ máy bay đã đợc Wibur Wright thực hiện năm 1909 trên vùng Centocalli, Italia[15]. Theo Nguyễn Đình Dơng[15], Phạm Vọng Thành[23], vào giữa những năm 1930 ngời ta đã chụp ảnh màu và tiến hành nhiều cuộc nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp cảm quang nhạy với bức xạ gần hồng ngoại có tác dụng hữu hiệu trong việc loại bỏ ảnh hởng tán xạ và mù khí quyển. Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai ngời ta đã nghiên cứu các tính chất phản xạ phổ của bề mặt địa hình và chế thử các lớp cảm quang cho việc chụp ảnh màu hồng ngoại. Đến năm 1956 việc thử nghiệm khả năng chụp ảnh hồng ngoại từ máy bay đã đợc tiến hành trong việc phân loại và phát hiện các kiểu loại thực vật. Năm 1960 đợc sự bảo trợ của cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ, nhiều cuộc thử nghiệm về ứng dụng ảnh hồng ngoại màu và ảnh đa phổ đã đợc tiến hành. Những thành tựu trong lãnh vực này đã đa đến sự phóng vệ tinh Landsat vào những năm 1970. Việc ứng dụng vệ tinh nhân tạo đã tạo ra khả năng thu nhận thông tin có tính toàn cầu và các hành tinh trong đó có cả trái đất và môi trờng xung quanh chúng. Hiện nay t liệu viễn thám vệ tinh 7 đợc sử dụng rộng rãi nhất là các vệ tinh khí tợng và vệ tinh tài nguyên. Vệ tinh NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) đợc phóng lần đầu tiên lên quỹ đạo năm 1978 và đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải không gian 1,1 km. Từ năm 1972 tới nay Hoa Kỳ đã phóng 5 vệ tinh tài nguyên. Hai vệ tinh đầu trang bị bộ cảm đa phổ 4 kênh MSS với độ phân giải 80m. Vệ tinh Landsat3 đã đợc trang bị bổ xung thêm một kênh hồng ngoại với độ phân giải 240m. Ngoài t liệu MSS vệ tinh Landsat 4 và 5 còn cung cấp thêm loại t liệu là TM với 7 kênh phổ, trong đó có 6 kênh độ phân giải không gian là 30m ở dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần, 1 kênh độ phân giải không gian 120m cho dải sóng hồng ngoại nhiệt. Năm 1985 Pháp cũng đã phóng vệ tinh SPOT với bộ cảm HRV có 3 kênh phổ độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc có độ phân giải 10m. Gần đây, năm 1988 Nhật bản phóng vệ tinh quan sát biển MOS-1, vệ tinh này trang bị bộ cảm MESSR có độ phân giải không gian 50m. ấn Độ cũng đã phóng thành công vệ tinh tài nguyên với bộ cảm có các thông số kỹ thuật tơng đơng với MSS. Đến tháng 8 năm 1996 cơ quan thiết kế kỹ thuật chính là NASDA của Nhật Bản đã phóng vệ tinh ADEOS lên quỹ đạo với mục đích chủ yếu là giải quyết các vấn đề về môi trờng khí hậu thế giới. Với mục đích này ADEOS mang nhiều loại bộ cảm phục vụ nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó bộ cảm AVNIR có mục đích rất quan trọng nhằm nghiên cứu trạng thái lớp phủ thực vật[15], [23]. Mới đây Pháp đã phóng tiếp vệ tinh SPOT.4 vào tháng 3 năm 1998. Vệ tinh này khác với SPOT.3 là có thêm đầu chụp với tên Vegetation gồm 4 kênh phổ độ phân giải 1km. Đến tháng 4 năm 1999 Mỹ đã phóng vệ tinh LANDSAT.7 với đầu chụp có tên ETM gồm 7 kênh phổ giống LANDSAT.TM và 1 kênh toàn sắc độ phân giải 15mét. Trong vùng sóng dài của sóng điện từ, các hệ thống siêu cao tần chủ động radar đã đợc sử dụng ngay từ đầu thế kỷ 20 cho việc theo dõi và phát hiện các vật thể chuyển động và nghiên cứu tầng ion. Ngày nay sự ứng dụng 8 của nó đã trở nên rất đa dạng và phong phú trong lĩnh vực thăm dò tài nguyên. Ngời ta đã sử dụng viễn thám radar để nghiên cứu đại dơng, khí quyển, các cấu trúc trên bề mặt và gần bề mặt của vỏ trái đất. Gần đây viễn thám radar chủ động càng phát triển mạnh mẽ có khả năng nghiên cứu xác định đợc sinh khối của thực vật. Vì vậy các ứng dụng của viễn thám radar chủ động rất đa dạng, phong phú và có nhiều triển vọng. Nói chung, sự ra đời và phát triển của khoa học kỹ thuật viễn thám luôn gắn liền với lịch sử ra đời và phát triển của viễn thám trong Lâm nghiệp. Dới đây là tóm tắt một số các công trình nghiên cứu của các tác giả trên thế giới và trong nớc. 2.1.1. Trên thế giới Mặc dầu bức ảnh hàng không đầu tiên đợc chụp bằng kinh khí cầu do một ngời Pháp có tên Laussedat chụp từ năm 1858, nhng mãi đến tháng 9 năm 1887 mới có một kỹ s Lâm nghiệp ngời Đức thử nghiệm đoán đọc cây rừng trên ảnh hàng không[11]. Theo GS.TS Vũ Tiến Hinh, TS.Phạm Ngọc Giao thì Spurr.S đã chia lịch sử viễn thám trong Lâm nghiệp trên thế giới thành ba giai đoạn chính [31], nh sau: "- Giai đoạn một: Từ cuối thế kỷ thứ 19 đến trớc chiến tranh thế giới lần thứ nhất, đánh dấu bằng sự ra đời ảnh hàng không, kính lập thể và những thử nghiệm lẻ tẻ ban đầu về ứng dụng của chúng trong Lâm nghiệp. Thí dụ một số thí nghiệm của Rudolf Kobsa và Ferdinand Wang (áo1892), Hugershoff.R (Đức-1911), Hans Dock (áo-1913). - Giai đoạn hai: Từ chiến tranh thế giới lần thứ nhất đến cuối chiến tranh thế giới lần thứ hai. Giai đoạn này đã ghi nhận thành công của một số tác giả ở một số nớc: Xây dựng bản đồ rừng từ ảnh hàng không ở vùng Maurice thuộc Canada, bản đồ thực vật rừng ở Anh(1924), điều tra trữ lợng 9 rừng từ ảnh hàng không ở Mỹ(1940). Thí nghiệm các phơng pháp đo tán, đo chiều cao .trên ảnh của Seely, Hugershoff . Tuy nhiên giai đoạn này vẫn cha xây dựng hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng nh các phơng pháp đoán đọc ảnh hàng không. - Giai đoạn ba: Từ chiến tranh thế giới lần thứ hai đến nay: Cùng với sự phát triển về khoa học và kỹ thuật, việc nghiên cứu ứng dụng viễn thám ngày càng phát triển rộng rãi ở nhiều nớc. Kỹ thuật viễn thám phát triển theo chiều hớng ngày càng phong phú, tinh vi, chính xác và cập nhật hơn với hai hệ thống chính là Interkosmos và Landsat. Song song với hai hệ thống trên là hệ thống các trạm thu và xử lý thông tin có ở nhiều nớc trên thế giới nh Canada, Brasin, ấn Độ, Thái Lan, Trung Quốc Gần đây hệ thống vệ tinh và ảnh Spot, ảnh ADEOS đã nâng cao hơn nữa khả năng của kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong Lâm nghiệp". Song song với sự cải tiến về thiết bị bay chụp và tính năng thông tin, các kỹ thuật xử lý thông tin cũng không ngừng đạt đợc những tiến bộ về mặt phơng pháp. Từ những kỹ thuật xử lý khai thác thông tin dựa trên nguyên tắc quang cơ và nhận biết bằng mắt, đến xử lý tự động theo nguyên tắc xử lý số. Ngày nay kỹ thuật xử lý số ảnh viễn thám có khả năng liên kết với hệ thông tin địa lý nên rất thuận lợi trong việc khai thác thông tin tạo ra các tờ bản đồ chuyên đề thứ cấp mang những thông tin theo ý muốn. Đặc biệt là khả năng lu trữ kết quả phân loại rất đơn giản. Đây là khả năng mà những phơng pháp truyền thống không thể làm đợc. Phơng pháp xử lý ảnh số (Digital image processing) đã đợc nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến ngay từ những năm 1970 ở nhiều nớc tiên tiến trên thế giới nh: Mỹ, Canada, Thuỵ Điển, Pháp, Nhật Bản, Bỉ . Sau đó nhanh chóng phổ cập tại các nớc trong khu vực châu á nh: ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan, Indonesia, Philipine, Malaysia[11] Tại các quốc gia này, 10 xử lý ảnh số đã đợc ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh: Lâm nghiệp, Nông nghiệp, Địa chất, Phát triển đô thị . Trong Lâm nghiệp, bằng phơng pháp này, hàng loạt các loại bản đồ khác nhau đợc thành lập nh: Bản đồ sinh thái thảm rừng, bản đồ che phủ rừng .Đồng thời sử dụng t liệu đa thời gian để theo dõi đánh giá biến động. Cùng với hệ thống phơng pháp mới, các công cụ tơng ứng đã đợc thiết kế và đa vào sử dụng rất có hiệu quả nh các máy tính có cấu hình mạnh. Bên cạnh đó, các chơng trình xử lý ảnh chuyên dụng có các tính năng mạnh cũng đợc phát triển ngày càng nhiều nh: Pericolor, Dragon, DID, PCI Một số năm gần đây đã xuất hiện một số chơng trình phần mềm tổng hợp bao gồm cả xử lý ảnh và làm bản đồ nh : Idrisi, ilwis, erdas . Điều này chứng tỏ Viễn thám và GIS đã đợc cấu thành trong một hệ thống chặt chẽ. Đồng thời hệ thống xử lý, phân tích và quản lý số liệu cũng đã đợc xem xét và đã hình thành trong những chức năng cơ bản của các phần mềm. Trong hội nghị khoa học quốc tế bàn về vấn đề theo dõi lớp phủ thực vật từ ngày 29 đến ngày 31 tháng 8 năm 1995 tại Chiba Nhật Bản có rất nhiều báo cáo xung quanh việc sử dụng t liệu viễn thám trong nghiên cứu các phơng pháp, kỹ thuật và công nghệ để phân loại các đối tợng, phân tích môi trờng, nghiên cứu biến động và xây dựng bản đồ. Ví dụ: Việc sử dụng t liệu vệ tinh MOS-1 với chỉ số thực vật KVI để nghiên cứu, kiểm tra phát hiện nạn phá rừng ở Luzon Philippin[34], Sử dụng chỉ số thực vật trên t liệu vệ tinh kết hợp với Hệ thông tin địa lý (GIS) để lập kế hoạch chống xói mòn đất và nghiên cứu sự phục hồi rừng[40] Trong hội nghị này còn đề cập đến nhiều báo cáo đã sử dụng t liệu viễn thám đa thời gian để nghiên cứu sự biến động thực vật và diện tích mặt nớc hồ[42], nghiên cứu biến động của đồng cỏ[64], xây dựng bản đồ sản lợng và bản đồ cây trồng nông nghiệp[36]. . đề tài: ứng dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để đánh giá thảm rừng Vờn Quốc Gia Ch Mom Ray - Tỉnh Kon Tum. 1.2. Mục đích đối tợng và phạm vi nghiên. học tự nhiên và công nghệ Quốc gia (sử dụng ảnh vệ tinh MODIS). 2.2. Rừng Việt Nam và rừng Vờn Quốc Gia Ch Mom Ray 2.2.1. Những đặc trng cơ bản và một số