Ứng dụng viễn thám GIS nghiên cứu, đánh giá rừng phục vụ giảm phát thải rừng suy thoái rừng (REDD+) Trần Duy Mạnh1, Nguyễn Vũ Giang2 , Phạm Việt Hòa2 Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Hà Nội, Việt Nam Email: manhtranduy1993@gmail.com; nvgiang@sti.vast.vn Tóm tắt— Công nghệ viễn thám GIS xem công cụ hữu hiệu khách quan việc giám sát, đánh giá biến động rừng, phục vụ chương trình giảm phát thải rừng, suy thối rừng Ở Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng viễn thám GIS theo hướng phục vụ REDD+ hạn chế mức dự án thí điểm Trong nghiên cứu này, ảnh vệ tinh đa phổ SPOT5 khu vực Ngọc Hiển, Cà Mau hai năm 2004, 2013 sử dụng để phân loại, xác định diện tích rừng bị biến động, suy thoái phục hồi Kết hợp với số liệu đo đếm carbon từ thực địa, trữ lượng phát thải, hấp thụ CO2 rừng ngập mặn khu vực nghiên cứu tính tốn, định lượng Kết nghiên cứu cho thấy tiềm việc ứng dụng công nghệ viễn thám GIS nghiên cứu, đánh giá rừng phục vụ REDD+ Các loại hình biến động rừng xác định rõ ràng từ ảnh vệ tinh có độ phân giải 10m Theo đó, diện tích rừng ngập mặn khu vực xã Viên An Đơng, huyện Ngọc Hiển phục hồi tốt sau năm Lượng hấp thụ CO2 thực tế từ rừng ngập mặn khu vực 66.882 REDD+ đòi hỏi xây dựng đường phát thải sở (còn gọi baseline Rel) cho quốc gia, khu vực hay vùng dự án Đây sở để dự báo phát thải CO2 từ rừng thông qua liệu khứ, từ xác định nỗ lực nước, tỉnh, dự án việc quản lý bảo vệ rừng để giảm phát thải từ suy thoái rừng Lượng giảm phát thải tính thành tín Carbon làm sở cho việc chi trả Diễn đàn liên Chính phủ Biến đổi khí hậu – IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) xác định cơng nghệ viễn thám GIS đóng vai trò quan trọng khách quan giám sát, đánh giá biến động rừng.Việc xây dựng baseline Rel địi hỏi có số liệu diễn biến rừng khứ 5-10 năm yếu tố kinh tế xã hội, sách liên quan để thiết lập mơ hình rừng q khứ, làm sở dự báo [2] REDD+ (Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation) cịn gọi giảm phát thải từ suy thối rừng rừng ý tưởng để giảm lượng phát thải CO2 từ ngành rừng REDD+ có tiềm to lớn, khơng mang lại lợi ích trực tiếp giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, mà cịn tác động tích cực cho bảo tồn đa dạng sinh học, xố đói giảm nghèo, phát huy quyền người dân địa thúc đẩy phát triển bền vững Rừng ngập mặn hệ sinh thái phân bố dọc bờ biển nhiệt đới, có giá trị kinh tế, sinh thái môi trường Trữ lượng carbon rừng ngập mặn cao bao gồm sinh khối mặt đất [3] Việc ứng dụng viễn thám GIS nghiên cứu sinh khối trữ lượng carbon giúp giảm thiểu phát thải ngăn chặn suy thoái rừng Thay phải trực tiếp vào rừng để điều tra chi tiết trước đây, công nghệ viễn thám kết hợp với kỹ thuật lấy mẫu điều tra thực địa làm tăng tính khách quan giảm đáng kể chi phí sức lao động Kết điều tra giúp bảo vệ rừng, xây dựng đồ diện tích rừng qua giai đoạn, đồng thời từ việc xác định trữ lượng carbon rừng tính tốn vấn đề chi trả dịch vụ mơi trường rừng Giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính từ phá rừng suy thối rừng (REDD) nước phát triển sáng kiến toàn cầu Hội nghị nước thành viên lần thứ 13 (COP13) Công ước khung Liên hợp quốc biến đổi khí hậu (UNFCCC) nghị định thư Kyoto thông qua Ba-li, Indonesia năm 2007 Nghị định thư đưa thỏa thuận quốc tế cho giai đoạn 2008-2012 nhằm làm chậm trình biến đổi khí hậu Theo nghị định thư, nước cơng nghiệp trí giảm 5,2% tổng lượng khí nhà kính họ thải so với mức năm 1990 [1] Ở Việt Nam, Cà Mau tỉnh có diện tích rừng ngập mặn lớn nước.Tuy nhiên, diện tích rừng có biến động đáng kể diện tích trữ lượng bao gồm nghĩa tiêu cực tích cực Việc ứng dụng REDD+ cho tỉnh có lượng rừng ngập mặn phong phú Cà Mau có tiềm Trong phạm vi nghiên cứu này, phương pháp tiếp cận đánh giá diễn biến xác định lượng phát thải, hấp thụ CO2 từ rừng ngập mặn công nghệ viễn thám GIS trình bày thảo luận, làm tiền đề cho việc xác định tín phát thải hay tham gia vào chương trình REDD+ Từ khóa— REDD+; viễn thám, rừng ngập mặn; CO2; phát thải carbon I MỞ ĐẦU II KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU cứu này, trình phân loại ảnh SPOT khu vực Nhưng Miên sử dụng phương pháp phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại kết hợp với điều khiển kiểm soát chuyên gia, dựa hiểu biết thực địa để xác định nhóm phân loại Nghiêu cứu thực phạm vi rừng thuộc địa phận quản lý Ban quản lý Rừng phòng hộ Nhưng Miên, địa bàn xã Viên An Đông, huyện Ngọc Hiển, tỉnh Cà Mau Phía Đơng giáp với xã Tân Ân Tây xã Tân An, phía Tây giáp với xã Viên An, phía Bắc giáp với huyện Năm Căn phía Nam giáp với biển Huyện Ngọc Hiển nơi có Mũi Cà Mau Vườn quốc gia Mũi Cà Mau với giá trị sinh thái đặc trưng rừng ngập mặn Loại hình kinh tế nơng nghiệp chủ yếu khu vực nuôi trồng thủy sản kết hợp với trồng bảo vệ rừng Mặt khác, vài đặc trưng đối tượng hệ thống giải thể sau Rừng dầy khu vực có mật độ tập trung dày hay có cấp tuổi lớn 10 năm tuổi Bên cạnh đó, rừng thưa lại bao gồm có cấp tuổi thấp có mật độ phân bố thưa thớt dẫn đến mức độ phản xạ phổ thấp so với đối tượng rừng dầy Do vậy, hình ảnh thu ảnh vệ tinh khu vực rừng thưa có màu sắc nhạt so với màu sắc khu vực rừng dầy số tổ hợp màu giả Đối tượng dân cư thường có cấu trúc lốm đốm, phân bố bám sát dọc theo kênh, rạch Khu vực nuôi trồng thủy sản khu vực thường gần khu vực dân cư, thành lập để nuôi trồng thủy sản nhằm mục đích kinh tế Sau phân loại, kết so sánh, đối chiếu với vùng mẫu từ thực địa Độ xác kết phân loại thể dạng ma trận tương quan chéo Ma trận thống kê tổng số pixel phân loại pixel lẫn sang đối tượng khác Ngoài ra, độ xác kết phân loại cịn đánh giá dựa vào hệ số Kappa Khi Kappa 1, độ xác phân loại tuyệt đối Hệ số Kappa = A/B Trong đó: A = số pixel phân loại - số pixel phân loại sai B = tổng số pixel phân loại Hình 1: Bản đồ khu vực xã Viên An Đông Để đánh giá diễn biến rừng địa bàn nghiên cứu, tư liệu ảnh vệ tinh SPOT5 sử dụng với độ phân giải 10m (kênh đa phổ) hai năm 2004 2013 Ảnh vệ tinh sử dụng chụp vào mùa khô để hạn chế sai khác mùa sinh trưởng yếu tố khác ảnh hưởng đến q trình giải đốn ảnh Ảnh năm 2004 chụp ngày tháng ảnh năm 2013 chụp ngày 26 tháng Khi đạt yêu cầu độ xác, kết phân loại hai thời điểm sử dụng để đánh giá, phân tích biến động sử dụng cơng cụ chồng xếp, phân tích không gian GIS Do ảnh vệ tinh sử dụng có khơng bao trùm trọn khu vực xã Viên An Đơng, nghiên cứu này, để đảm bảo tính thống nhất, khu vực chồng phủ ảnh thời điểm đưa vào chồng xếp, phân tích, đánh giá thống kê III PHƯƠNG PHÁP Cuối cùng, lượng phát thải, hấp thụ CO2 tương ứng với loại rừng giai đoạn xác định dựa giá trị sinh trưởng, sinh khối hấp thụ bon điều tra, xây dựng cho rừng ngập mặn Cà Mau xác định theo công thức (1) Theo đó, ∑ tổng lượng hấp thụ carbon loại rừng i tổng diện tích loại rừng nhân với khả hấp thụ carbon chúng: Trong nghiên cứu này, ảnh vệ tinh sử dụng để phân loại, đánh giá biến động, rừng, suy thối rừng Từ đó, xác định, tính toán lượng phát thải hấp thụ CO2 từ rừng ngập mặn Phân loại ảnh có kiểm định q trình phân chia cách có giám sát giá trị phản xạ pixel ảnh theo nhóm đơn vị lớp phủ mặt đất việc sử dụng máy tính thuật tốn Để thực việc phân loại có kiểm định, phải tạo “chìa khố phân tích phổ”, tức tìm tính chất phổ đặc trưng cho đối tượng lớp phủ thực vật đặt tên cho chúng Công việc xác định chìa khố phân tích phổ gọi tạo vùng mẫu Từ vùng này, pixel khác toàn ảnh xem xét theo nguyên tắc “giống nhất” để đưa nhóm đối tượng đặt tên Trong nghiên ∑ =∑ × (1) Trong đó, ∑ : tổng lượng hấp thụ carbon loại rừng i (tấn) Si: diện tích loại rừng i (ha) Ci: khả hấp thụ carbon loại rừng i (tấn/ha) rừng trồng tăng từ 3775,53ha (Bảng 3) tương ứng với 31% năm 2004 lên 5687,77ha (Bảng 4) chiếm 47% tổng diện tích khu vực năm 2013 IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN A Độ xác kết phân loại Dưới bảng ma trận sai số thể độ xác sau phân loại năm khu vực xã Viên An Đông Đất nuôi trồng thủy sản chủ yếu biến động sang rừng ngập mặn, phân bố rộng khắp toàn xã Viên An Đơng Có 2842,32ha diện tích rừng khơi phục (reforestation) diện tích ni trồng thủy sản Biến động lớp phủ khu vực ven biển Cà Mau cho thấy dải rừng ngập mặn hình thành phát triển phía biển từ khu ni trồng thủy sản cũ (Hình 6) Điều cho thấy số diện tích ni trồng thủy sản ven biển tái trồng rừng ngập mặn, đảm bảo chức tính liên tục đai rừng phịng hộ ven biển Trong số diện tích rừng bị (deforestation), biến động sang loại hình lớp phủ khác, phần lớn chuyển sang ni trồng thủy sản (934,76ha) Diện tích bị chuyển đổi phân bố khắp toàn xã, từ phía sau dải rừng phịng hộ ven biển kéo dài lên phía Bắc Đặc biệt, phần diện tích rừng biến động thành nước khu vực ven bờ biển cho thấy tượng xói lở sóng biển tác động lên khu vực sau năm mức lớn (Bảng 5, Hình 6), diện tích rừng biến động thành đối tượng nước 172,78ha Bên cạnh đó, có phần khơng nhỏ diện tích rừng bị thối hóa (forest degradation) từ rừng dầy thành rừng thưa, với tổng diện tích 310,7ha Ở chiều ngược lại, diện tích tương đối lớn tương ứng với 523,94ha (Bảng 5) phần diện tích rừng khoanh ni phát triển tốt từ rừng thưa thành rừng dầy (forest restoration) Bảng Ma trận sai số năm 2004 Lớp Lớp phủ khác Rừng dầy Rừng thưa NTTS Thủy hệ Dân cư Rừng dầy 0,68 97,42 0,55 1,27 0,08 Rừng thưa 1,52 1,25 97,14 0,09 0 NTTS 3,37 0 96,62 0 Thủy hệ 0,16 0 6,77 92,61 0,46 Dân cư 6,38 0 0 93,62 Bảng Ma trận sai số năm 2013 Lớp Lớp phủ khác Rừng dầy Rừng thưa NTTS Thủy hệ Dân cư Rừng dầy 96,18 2,65 1,16 0 Rừng thưa 7,01 91,72 1,27 0 NTTS 0,45 0 96,55 2,99 Thủy hệ 0,10 0,07 0,13 5,25 94,4 0,06 Dân cư 1,82 1,82 1,82 94,55 - Kết đánh giá độ xác kết phân loại năm 2004 là: độ xác toàn thể đạt 95.5669%; hệ số kappa đạt 0.9409 - Kết đánh giá độ xác kết phân loại năm 2013 là: độ xác tồn thể đạt 95.6945%; hệ số kappa đạt 0.9368 Bảng Thống kê diện tích đối tượng năm 2004 Đối tượng Rừng dầy Rừng thưa NTTS Thủy hệ Dân cư Tổng - Kết đánh giá độ xác phân loại ảnh vệ tinh năm 2004 2013 Bảng Bảng cho thấy mức độ nhầm lẫn lớp phân loại đạt yêu cầu sử dụng để thành lập đồ trạng phân tích biến động B Bản đồ trạng Kết phân loại trạng rừng sử dụng đất khu vực xã Viên An Đông năm 2004 2013 thể thống kê tương ứng Hình 2, Qua cho thấy rừng diện tích ni trồng thủy sản (NTTS) hai loại hình lớp phủ chiếm ưu 90% khu vực khu dân cư chiếm diện tích khơng đáng kể (Hình 4, 5) Diện tích rừng phát triển tập trung khu vực ven biển, nơi quy hoạch rừng phòng hộ ven biển bảo vệ nghiêm ngặt Đất nuôi trồng thủy sản phân bố rộng khắp, từ phía sau đai rừng ngập mặn trở vào đất liền, nơi có dân cư sinh sống Sự phát triển dân cư hoạt động kinh tế tạo sức ép lớn đến công tác trồng bảo vệ rừng ngập mặn khu vực Diện tích (ha) 1434,35 2341,18 7718,92 633,02 88,52 12215,99 % 12 19 63 100 Bảng Thống kê diện tích đối tượng năm 2013 Đối tượng Diện tích (ha) % Rừng dầy 2513,74 21 Rừng thưa 3174,03 26 NTTS 5639,49 46 Thủy hệ 768,47 Dân cư 120,26 12215,99 Tổng 100 Bảng Ma trận biến động lớp đối tượng (ha) 2013 Rừng dầy 2004 Rừng dầy 784,79 C Phân tích biến động Lĩnh vực ni trồng thủy sản chiếm phần lớn diện tích tồn khu vực Tuy nhiên, sau năm, diện tích sử dụng có dấu hiệu bị thu hẹp, từ 63% tổng diện tích năm 2004 xuống 46% năm 2013 (Hình 4, 5), giảm 2079,43ha Trong đó, diện tích rừng khu vực lại có dấu hiệu mở rộng rõ rệt Tổng diện tích rừng bao gồm rừng trưởng thành Rừng thưa NTTS Thủy hệ Dân cư Tổng 2013 523,94 1202,78 2,24 0,00 2513,74 Rừng NTTS Thủy hệ Dân cư thưa 310,70 223,52 109,97 5,36 Tổng 2004 1434,35 1221,33 525,28 1639,54 4837,26 62,81 7,82 2341,18 21,23 18,11 7718,92 574,45 0,45 633,02 88,52 88,52 2,46 53,42 0,00 0,00 0,00 3174,03 5639,49 768,47 120,26 12215,99 Hình Bản đồ trạng rừng năm 2004 Hình Bản đồ trạng rừng năm 2013 Biểu đồ phần trăm diện tích đối tượng năm 2004 5% 1% 12% Rừng dày Rừng thưa 19% NTTS Thủy hệ 63% Dân cư Hình Biểu đồ phần trăm diện tích đối tượng năm 2004 Biểu đồ phần trăm diện tích đối tượng năm 2013 6% 1% 21% Rừng dày Rừng thưa NTTS 46% 26% Thủy hệ Dân cư Hình Bản đồ biến động rừng khu vực Nhưng Miên, giai đoạn 2004-2013 Hình Biểu đồ phần trăm diện tích đối tượng năm 2013 D Tính lượng phát thải CO2 Bảng Trữ lượng hấp thụ phát thải CO2 thực tế rừng ngập mặn khu vực nghiên cứu giai đoạn 2004-2013 Theo Vũ Tấn Phương [4], qua việc nghiên cứu xác định sinh khối rừng phịng hộ chắn sóng huyện Ngọc Hiển Phú Tân tỉnh Cà Mau, trữ lượng carbon rừng trồng đước xác định tương ứng với cấp tuổi liệt kê Bảng Trong đó, rừng đước có cấp tuổi 10 năm có giá trị sinh khối cao nhiều so với rừng có cấp tuổi thấp Loại rừng Rừng dầy Rừng thưa Bảng Trữ lượng hấp thụ phát thải rừng ngập mặn D H Trữ lượng hấp thụ (Tấn CO2/ha) 3,50 1,08 11,18 Tuổi 3,51 6,26 47,51 13 7,35 11,23 187,32 16 8,94 12,40 312,86 Trữ lượng trung bình 649,55 121673,71 47,51 832,85 39568,70 1119,85 53204,07 1912,24 241760,04 1769,40 174877,78 66882,26 V KẾT LUẬN Phương pháp phân loại ảnh viễn thám có độ xác cao kết hợp với phân tích biến động GIS nghiên cứu cho thấy khả ứng dụng viễn thám GIS công tác lâm nghiệp thành lập đồ trạng, giám sát đánh giá biến động rừng Kết phân tích cho thấy có biến động rừng lớn khu vực xã Viên An Đông, huyện Ngọc Hiển, tỉnh Cà Mau Diện tích rừng ngập mặn tăng lên giảm chủ yếu chuyển đổi qua lại loại hình sử dụng đất rừng ngập mặn ni trồng thủy sản Bên cạnh đó, kết phân loại tượng xói lở diễn mạnh bán đảo Cà Mau sau năm, từ 2004 đến 2013 Việc sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian với độ phân giải với phương pháp tiếp cận phù hợp hoàn toàn đủ khả cho phép xác định diện tích rừng theo tiêu chí REDD+ phục vụ giám sát giảm phát thải rừng suy thoái rừng Bên cạnh đó, trữ lượng hấp thụ phát thải CO2 xác định xác với số liệu điều tra đo đếm carbon, làm tiền đề cho việc tính tốn chi trả dịch vụ sinh thái rừng hướng tới bảo vệ môi trường phát triển bền vững Với giả thiết trên, trữ lượng hấp thụ rừng ngập mặn khu vực xã Viên An Đơng giai đoạn 2004-2013 ước tính Bảng Tổng lượng khả hấp thụ phát thải rừng ngập mặn tương ứng với năm 374.557,94 CO2 năm 2004 tăng 160.922,02 thành 535.479,96 CO2 năm 2013 Bên cạnh đó, thực tế, tổng diện tích lớp phủ rừng tăng, hecta rừng dầy/già lượng hấp thụ phát thải giảm đáng kể so với hecta rừng tăng lên rừng thưa, rừng non trồng Nếu xét riêng diện tích loại rừng tăng lên bị từ năm 2004 đến năm 2013 Bảng 8, ta thấy lượng hấp thụ phát thải tăng lên thực tế năm 2013 66.882,26 CO2 (Trữ lượng hấp thụ phát thải tăng trừ Trữ lượng hấp thụ phát thải giảm) LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu thực sở sử dụng phần liệu ảnh vệ tinh cung cấp Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế - IUCN kết hợp với kết điều tra thực địa đề tài điều tra “Điều tra, xây dựng thư viện phổ phản xạ phục vụ công tác điều tra, thành lập đồ rừng ngập mặn từ ảnh vệ tinh” chủ trì Viện Cơng nghệ Vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Bảng Trữ lượng hấp thụ phát thải CO2 rừng ngập mặn khu vực nghiên cứu 2004 Tổng 202191,33 136,6 ± 23,81 - Theo kết điều tra thực địa cho thấy, rừng ngập mặn khu vực nghiên cứu thường khai thác sau khoảng 12-15 năm Do đó, nghiên cứu này, trữ lượng hấp thụ rừng dầy/già tính tương ứng với cấp tuổi 13 Rừng dầy Rừng thưa 1079,39 Tổng - Vì giá trị hấp thụ phát thải rừng đước với cấp tuổi năm khác không lớn rừng cấp tuổi 13 năm (Bảng 6), diện tích rừng thưa/non năm 2004 2013 giả thiết có cấp tuổi trung bình Loại rừng 187,32 Lượng hấp thụ tăng thực tế năm 2013 (Tổng Trữ lượng Tăng - Tổng Trữ lượng Giảm) Trong nghiên cứu này, giá trị hấp thụ CO2 tương ứng với trạng thái lớp phủ rừng tính với giả thiết sau: Giá trị hấp thụ Diện tích (Tấn /ha) (ha) Tăng Giảm Giá trị hấp Trữ lượng Trữ lượng hấp thụ Diện tích hấp thụ phát Diện tích thụ phát thải (Tấn/ha) thải (ha) (ha) (Tấn) (Tấn) 2013 Trữ lượng hấp thụ phát thải (Tấn) Diện tích (ha) Trữ lượng hấp thụ phát thải (Tấn) 187,32 1434,35 268682,44 2513,74 470873,78 47,51 2341,18 111229,46 3174.03 150798,17 3775,53 379911,90 379911,90 621671,94 Tài liệu tham khảo [1] CIFOR’s guide to forests, climate change and REDD Center for International Forestry Research (CIFOR) [2] IPCC, 2003 Good practice guidance for land uses, land use change and forestry IPCC National Greenhouse Gas Inventories Programme [3] Daniel C Donato, J Boone Kauffman, Daniel Murdiyarso, Sofyan Kurnianto, Melanie Stidham Markku Kanninene, 2012 Rừng ngập mặn kiểu rừng giàutrữ lượng carbonnhất vùng nhiệt đới CIFOR [4] Vũ Tấn Phương Nguyễn Viết Xuân, “Giá trị hấp thụ carbon rừng phịng hộ chắn sóng Kiên Giang Cà Mau”, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Viện Nghiên cứu Sinh thái Môi trường rừng ... pixel khác toàn ảnh xem xét theo nguyên tắc “giống nhất” để đưa nhóm đối tượng đặt tên Trong nghiên ∑ =∑ × (1) Trong đó, ∑ : tổng lượng hấp thụ carbon loại rừng i (tấn) Si: diện tích loại rừng i... pháp phân loại ảnh viễn thám có độ xác cao kết hợp với phân tích biến động GIS nghiên cứu cho thấy khả ứng dụng viễn thám GIS công tác lâm nghiệp thành lập đồ trạng, giám sát đánh giá biến động... thưa/non năm 2004 2013 giả thiết có cấp tuổi trung bình Loại rừng 187,32 Lượng hấp thụ tăng thực tế năm 2013 (Tổng Trữ lượng Tăng - Tổng Trữ lượng Giảm) Trong nghiên cứu này, giá trị hấp thụ CO2 tương