Nghiên cứu kỹ thuật xác định trữ lượng rừng từ ảnh vệ tinh tại tỉnh đắk nông

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP PHẠM VĂN DUẨN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH TRỮ LƯỢNG RỪNG TỪ ẢNH VỆ TINH TẠI TỈNH ĐẮK NÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP HÀ NỘI, 2019 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP PHẠM VĂN DUẨN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH TRỮ LƯỢNG RỪNG TỪ ẢNH VỆ TINH TẠI TỈNH ĐẮK NÔNG Ngành: Điều tra quy hoạch rừng Mã số: 9620208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN TRỌNG BÌNH TS NGUYỄN THANH HOÀN HÀ NỘI, 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ Lâm nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật xác định trữ lượng rừng từ ảnh vệ tinh tỉnh Đắk Nông” chuyên ngành: Điều tra quy hoạch rừng, mã số 9620208 công trình nghiên cứu riêng tơi Các kết nêu Luận án hoàn toàn trung thực, khách quan chưa công bố công trình tác giả khác Tơi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ lời cam đoan Hà Nội, tháng… năm 2019 Tác giả luận án Phạm Văn Duẩn ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án Tiến sĩ Lâm nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật xác định trữ lượng rừng tỉnh Đắk Nông” chuyên ngành: Điều tra quy hoạch rừng, mã số 9620208 tác giả gặp khơng khó khăn, với nỗ lực thân giúp đỡ tận tình q Thầy, Cơ giáo đồng nghiệp gia đình đến Luận án hồn thành nội dung nghiên cứu theo mục tiêu đặt Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học là: PGS.TS Nguyễn Trọng Bình TS Nguyễn Thanh Hồn khuyến khích, hỗ trợ, định hướng cung cấp sở lý luận thực tiễn quan trọng để tác giả hoàn thành Luận án Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến q thầy/cơ, chuyên gia: GS.TS Vương Văn Quỳnh, GS.TS Vũ Tiến Hinh, PGS.TS Trần Quang Bảo, TS Phạm Ngọc Giao, TS Vũ Thế Hồng, TS Ngô Văn Tú, TS Phạm Thế Anh, TS Vũ Tiến Hưng, TS Nguyễn Hồng Hải… định hướng cung cấp nhiều tài liệu có giá trị khoa học thực tiễn Xin chân thành cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau Đại học, Viện Sinh thái rừng Môi trường… tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cung cấp thơng tin thời gian tác giả thực Luận án Cuối cùng, xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn tới tồn thể gia đình người thân động viên tạo điều kiện thuận lợi vật chất, tinh thần cho suốt thời gian qua Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2019 Tác giả luận án Phạm Văn Duẩn iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nghĩa AIRSAR RADAR hàng không độ mở thực (Airborne Synthetic Aperture Radar) ALOS Vệ tinh quan sát đất đai nâng cao (Advanced Land Observation Satellite) Nhật Bản ALOS PALSAR Radar độ mở thực kênh L kiểu mảng pha (The Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar) ANN Mạng neuron nhân tạo (Artificial Neural network) ASAR Radar độ mở thực tiên tiến (Advanced Synthetic Aperture Radar) ASTER Thiết bị đo phổ phản xạ xạ nhiệt tiên tiến (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) D1.3 Đường kính vị trí cách mặt đất 1,3m DEM Mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model) DLR Trung tâm hàng không vũ trụ Đức ENVISAT Vệ tinh môi trường Châu Âu (ENVIronment SATellite) ERSDAC Trung tâm phân tích liệu viễn thám trái đất Nhật Bản (Earth Remote Sensing Data Analysis Center) ERS Vệ tinh viễn thám Radar ERS Cơ quan vũ trụ Châu Âu (European Remote Sensing) ESA Cơ quan vũ trụ Châu Âu (European Space Agency) FAO Tổ chức Nông Lương Liên hợp quốc FCCC (UNFCCC) Công ước Khung Liên hợp quốc Biến đổi khí hậu FORMOSAT Vệ tinh FORMOSAT Đài Loan GDEM Mơ hình số độ cao tồn cầu (Global Digital Elevation Model) GPS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu Hoa Kỳ Hvn Chiều cao từ mặt đất đến đỉnh sinh trưởng iv Ký hiệu Nghĩa IKONOS Vệ tinh độ phân giải siêu cao IKONOS Hoa Kỳ IPCC Ủy ban liên phủ biến đổi khí hậu Liên hiệp quốc IRS Viễn thám Ấn Độ (India Remote Sensing) JAXA Cục khai thác hàng không vũ trụ Nhật Bản JERS-1 Vệ tinh tài nguyên Nhật Bản (Japanese Earth Resources Satellite (JERS-1)) K-NN Thuật toán ước lượng giá trị dựa vào số điểm quan sát gần giá trị (k-nearest neighbors) LANDSAT Chương trình quan trắc trái đất vệ tinh Hoa Kỳ LIDAR Công nghệ đo khoảng cách Laze (Light Detection And Ranging) LRRL Rừng rộng rụng LRTX Rừng rộng thường xanh M Trữ lượng rừng MODIS Hệ thống chụp ảnh viễn thám độ phân giải trung bình (Moderate Resolution Imaging Spectroradiomete) N Số lâm phần NASA Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Hòa Kỳ (National Aeronautics and Space Administration) NDVI Chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa (Normalized Difference Vegetation Index) NOAA Cục khí tượng đại dương Hoa Kỳ (National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)) MAE Sai số tuyệt đối (Mean absolute error) MAE(%) Sai số tương đối OTC OTC xây dựng thực địa để thu thập số liệu PCA Phân tích thành phần (Principal Component Analysis) v Ký hiệu Nghĩa QUICKBIRD Vệ tinh độ phân giải siêu cao Hoa Kỳ RADAR Viễn thám siêu cao tần hay hệ thống chụp ảnh sử dụng sóng điện từ trường siêu cao tần (Radio Detection and Ranging) RADARSAT-1 Vệ tinh RADARSAT-1 Canada REED + Chương trình giảm khí thải rừng suy thoái rừng RF Thuật toán rừng ngẫu nhiên (Random Forest) RMSE Sai số trung bình tồn phương (Root Mean Square Error) RMSE(%) Sai số trung bình tồn phương tương đối SAR Radar độ mở tổng hợp (Synthetic Aperture Radar) SPOT Vệ tinh độ phân giải cao Pháp SRTM Chương trình thành lập mơ hình số độ cao bay quét Radar tàu thoi Hoa Kỳ TERRASAR-X Vệ tinh Radar độ phân giải siêu cao Đức V Thể tích thân (m3) WORLDVIEW Vệ tinh độ phân giải siêu cao Hoa Kỳ vi MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT iii MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH xi TRANG THƠNG TIN VỀ NHỮNG ĐĨNG GÓP MỚI VỀ MẶT HỌC THUẬT, LÝ LUẬN CỦA LUẬN ÁN xiv MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết luận án Mục tiêu luận án 2.1 Mục tiêu tổng quát 2.2 Mục tiêu cụ thể 3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu luận án Những đóng góp luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Trên giới 1.1.1 Nghiên cứu xác định trữ lượng rừng ảnh quang học 1.1.2 Nghiên cứu xác định trữ lượng rừng ảnh siêu cao tần (RADAR) 13 1.1.3 Nghiên cứu xác định trữ lượng rừng kết hợp ảnh quang học ảnh siêu cao tần 18 1.2 Tại Việt Nam 20 vii 1.2.1 Nghiên cứu xác định trữ lượng rừng ảnh quang học 20 1.2.2 Nghiên cứu xác định trữ lượng rừng ảnh siêu cao tần 21 1.3 Đánh giá tổng quan định hướng vấn đề nghiên cứu 23 1.3.1 Đánh giá tổng quan 23 1.3.2 Định hướng vấn đề nghiên cứu 30 Chương ĐIỀU KIỆN CƠ BẢN CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ ĐẶC ĐIỂM TƯ LIỆU ẢNH VỆ TINH SỬ DỤNG 33 2.1 Điều kiện tỉnh Đắk Nông liên quan đến vấn đề nghiên cứu 33 2.1.1 Điều kiện địa hình khí hậu 33 2.1.2 Điều kiện rừng đất lâm nghiệp 34 2.2 Đặc điểm tư liệu ảnh vệ tinh sử dụng nghiên cứu 35 2.2.1 Lựa chọn tư liệu ảnh vệ tinh sử dụng nghiên cứu 35 2.2.2 Đặc điểm chung loại ảnh vệ tinh sử dụng nghiên cứu 36 2.2.3 Đặc điểm cảnh ảnh mơ hình số độ cao sử dụng nghiên cứu 38 Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 3.1 Nội dung nghiên cứu 40 3.2 Phương pháp nghiên cứu 40 3.2.1 Cơ sở phương pháp luận 40 3.2.2 Phương pháp thu thập phân tích tài liệu thứ cấp 42 3.2.3 Phương pháp nghiên cứu chuyên ngành 42 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 59 4.1 Xác định trữ lượng rừng vị trí OTC thăm dò mối quan hệ trữ lượng với biến số từ ảnh phi ảnh 59 4.1.1 Xác định trữ lượng rừng vị trí OTC 59 4.1.2 Thăm dò mối quan hệ trữ lượng rừng với biến số từ ảnh phi ảnh 60 4.1.3 Thăm dò mối quan hệ biến độc lập lựa chọn biến số đầu vào để xây dựng mơ hình 64 4.2 Xây dựng mơ hình xác định trữ lượng rừng hàm hồi quy đa biến 66 4.2.1 Xây dựng mơ hình với ảnh LANDSAT-8 66 4.2.2 Xây dựng mơ hình với ảnh ALOS-2/PALSAR-2 73 4.2.3 Xây dựng mơ hình kết hợp ảnh LANDSAT-8 với ALOS-2/PALSAR-2 78 viii 4.2.4 Lựa chọn, kiểm chứng mơ hình xác định M xây dựng cho loại ảnh kết hợp hai loại ảnh 93 4.3 Xây dựng mơ hình xác định M thuật toán phi tham số 95 4.3.1 Xây dựng xác định sai số mơ hình 95 4.3.2 Kiểm chứng mơ hình 96 4.4 Kết hợp ảnh vệ tinh với ranh giới lơ kiểm kê để xây dựng mơ hình xác định M 97 4.4.1 Xây dựng xác định sai số mơ hình 98 4.4.2 Kiểm chứng mơ hình 99 4.5 Lựa chọn, hiệu chỉnh, đánh giá mơ hình xác định M 103 4.5.1 Lựa chọn, hiệu chỉnh mơ hình xác định M 103 4.5.2 Đánh giá mơ hình xác định M 111 4.6 Quy trình xác định M từ ảnh vệ tinh tỉnh Đắk Nơng 116 4.6.1 Quy trình xác định M theo mơ hình 4.20 116 4.6.2 Quy trình xác định M theo mơ hình 4.21 125 4.7 Thảo luận 129 4.7.1 Lựa chọn ảnh sử dụng để xác định trữ lượng rừng 130 4.7.2 Thu thập tính tốn trữ lượng rừng thực địa 136 4.7.3 Lựa chọn biến từ ảnh vệ tinh để xây dựng mơ hình xác định M 138 4.7.4 Lựa chọn thuật toán sử dụng để xác định M từ ảnh 141 4.7.5 Sai số xác định trữ lượng rừng từ ảnh vệ tinh 143 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KHUYẾN NGHỊ 149 Kết luận 149 Tồn 150 Khuyến nghị 150 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ BIỂU ... nghiên cứu kỹ thuật xác định M từ ảnh vệ tinh nghiên cứu bước kỹ thuật điều kiện áp dụng bước kỹ thuật để từ ảnh xác định M, gồm kỹ thuật: Lựa chọn ảnh; Xử lý ảnh; Lựa chọn biến từ ảnh; Xác định. .. trạng rừng trữ lượng xác định đến lô rừng cần phải liên tục cập nhật theo định kỳ điều tra, kiểm kê rừng Từ lý trên, luận án Nghiên cứu kỹ thuật xác định trữ lượng rừng từ ảnh vệ tinh tỉnh Đắk Nông ... hình xác định yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến độ xv xác mơ hình xác định trữ lượng rừng; Xác định trữ lượng rừng đến điểm ảnh; Xác định trữ lượng rừng đến lô rừng Thông qua kết luận án, khẳng định