3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
1.3.2. Những nghiên cứu trong nước về GIS trong phòng chống cháy rừng
Theo Phạm Văn Cự (1997), đã đánh dấu bước khởi động về hoạt động nghiên cứu viễn thám ở Việt Nam bằng việc Việt Nam tham gia dự án hợp tác nghiên cứu viễn thám với cộng đồng châu Âu. Cũng năm đó, họ có gửi một trạm thu vệ tinh xách tay lắp đặt thử nghiệm tại Việt Nam và những bức ảnh viễn thám đầu tiên ở Việt Nam đã được thu thành công. Đây là tiền đề cho dự án xây dựng trạm thu tín hiệu vệ tinh viễn thám ở Việt Nam. Mặc dù vậy phải tới 5 năm sau đó những công nghệ này mới được ứng dụng thực sự ở Việt Nam (mùa khô năm 2002). Công nghệ thu ảnh vệ tinh để dự báo điểm cháy rừng từ ảnh NOAA-AVHRR dựa vào nguyên lý đó là tìm ra các dị thường về nhiệt, so sánh với các chỉ thị điểm cháy, điểm nóng để đưa ra cảnh báo.
Năm 2002, từ thảm họa cháy rừng đã bao phủ lên Vườn Quốc gia U Minh, lần đầu tiên tư liệu ảnh vệ tinh MODIS nhận được từ trạm thu đặt tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã được sử dụng để theo dõi, quan sát thảm hoạ này.
Năm 2003, Cục Kiểm lâm đã phối hợp với Trường Đại học lâm nghiệp thiết kếvà đưa vào sử dụng cơ sở dữ liệu cảnh báo cháy rừng. Kết quả được đưa lên thông tin đại chúng hàng ngày bằng cách tô màu các khu vực có cấp cảnh báo khác nhau từ số liệu khí tượng: nhiệt đô, độ ẩm, lượng mưa của hơn 100 trạm đo khí tượng trên toàn quốc.
Năm 2007, khoa Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Đại học Lâm nghiệp đã xây dựng thành công phần mềm cảnh báo nguy cơ cháy rừng và dự báo cháy rừng ở Tây Nguyên. Phần mềm do Vương Văn Quỳnh làm chủ nhiệm có đặc trưng kỹ thuật tự động cập nhật, lưu trữ, xử lý thông tin thu được từ nhiều trạm khí tượng,dự báo nguy cơ cháy rừng, tư vấn về giải pháp phòng chống cháy rừng cho các địa phương. Phần mềm sẽ cung cấp thông tin hàng ngày về nguy cơ cháy rừng ở các địa phương cho đài phát thanh và truyền hình, cung cấp lên mạng internet thông tin về quá trình diễn biến thời tiết và nguy cơ cháy rừng của các vùng trên lãnh thổ. Nhưng chỉ dừng lại ở việc cung cấp vùng nguy cơ cháy ở ranh giới hành chính chưa chỉ rõ là khu vực nào.
CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu đối tượng là: - Rừng và đất rừng ở huyện A Lưới.
- Công nghệ GIS và viễn thám.
- Các nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ và phân cấp nguy cơ cháy rừng.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi không gian: Đề tài thực hiện tại huyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế. - Phạm vi thời gian: Thực hiện từ tháng 07/2015 đến tháng 02/2016.
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu đề ra, đề tài đã tiến hành những nội dung chủ yếu sau:
2.2.1. Nghiên cứu đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu
2.2.2. Đánh giá tình hình cháy rừng và công tác phòng chống chữa cháy rừng huyện A Lưới huyện A Lưới
2.2.3. Phát triển và nghiên cứu các ứng dụng HTHTQĐ GIS trong nghiên cứu lửa rừng ở huyện A Lưới rừng ở huyện A Lưới
2.2.3.1. Thiết lập bản đồ và đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy rừng
+ Nhân tố/lớp bản đồ thảm thực vật rừng + Nhân tố/lớp bản đồ chỉ số thực vật (NDVI) + Nhân tố/lớp bản đồ tiếp cận mạng lưới đường + Nhân tố/lớp bản đồ tiếp cận khu dân cư + Nhân tố/lớp bản đồ mật độ lưới sông
+ Nhân tố/lớp bản đồ địa hình (độ dốc và độ cao tuyệt đối) + Nhân tố/lớp bản đồ khí hậu (nhiệt độ và chỉ số khô hạn)
2.2.3.2. Đánh giá biến động của các lớp thảm thực vật rừng giai đoạn 2005-2010 và giai đoạn 2010-2015
2.2.4. Nghiên cứu các chức năng của HTHTQĐ GIS trong quản lý lửa rừng ở huyện A Lưới huyện A Lưới
- Hiển thị dữ liệu và tạo bản đồ chuyên đề - Liên kết dữ liệu GIS với dữ liệu GPS - Thực hiện tóm tắt thông kê
- Cập nhật và thay đổi dữ liệu
2.2.5. Đề xuất một số biện pháp PCCCR phù hợp trên địa bàn nghiên cứu2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phương pháp thu thập số liệu
+ Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
- Số liệu điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội huyện A Lưới.
- Số liệu nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa từ các trạm quan trắc trong nhiều năm của tỉnh Thừa Thiên Huế.
- Các khu vực thường xảy ra cháy rừng trên địa bàn và những phương án PCCR hàng năm của tỉnh.
+ Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp
- Thu thập các loại bản đồ số: Bản đồ hiện trạng, bản đồ địa hình, bản đồ 3 loại rừng, bản đồ phân bố lượng mưa, bản đồ hành chính.
- Tư liệu ảnh viễn thám (Landsat) năm 2005, 2010, 2015, ảnh vệ tinh Spot.
2.3.2. Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu sau khi thu thập ở các nguồn khác nhau, sau đó tiến hành tổng hợp và đồng bộ hóa và đưa vào phần mềm ENVI, Ecognition Developper, ArcGis và Mapinfo để xử lý.
2.3.3. Phương pháp xây dựng Hệ thống hỗ trợ quyết định
Trình tự các bước phát triển Hệ thống hỗ trợ quyết định trong nghiên cứu lửa rừng được thể hiện qua sơ đồ sau.
đồ địa hình đồ hiện trạng hành chính vệ tinh điều tra kê thủy văn trạng rừng kê khí hậu
Raster Vector Xây dựng cơ sở dữ liệu nghiên cứu lửa rừng
CSDL không gian CSDL thuộc tính Hệ thống hỗ trợ quyết định (HTHTQD)
Giao diện người dùng
Chức năng Ứng dụng Thiết lập bản đồ chuyên đề Truy vấn và cập nhật dữ liệu Kết xuất dữ liệu Thu thập dữ liệu Lưu trữ dữ liệu Hiển thị lớp bản đồ Phân tích dữ liệu
Lập kế hoạch quản lý và giám sát lửa rừng
Xây dựng bản đồ phân cấp nguy cơ cháy rừng
Vị trí tọa độ các điểm cháy và hệ thống cảnh báo cháy rừng Đánh giá biến động lớp thảm thực vật
Thành lập bản đồ chuyên đề Nhập dữ liệu
Hình 2.1. Trình tự các bước phát triển HTHTQĐ quản lý lửa rừng
2.3.3.1. Phương pháp xây dựng bản đồ bằng phần mềm GIS
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:
+ Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý. + Hệ quản trị cơ sở dưc liệu (DBMS).
+ Công cụ hỗ trợ hỏi đáp phân tích và hiển thị địa lý.
+ Giao diện đồ họa người – máy để truy cập các công cụ dễ dàng.
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quan làm bản đồ bằng GIS
Ứng dụng các chức năng cơ bản của GIS để xác định được các trọng số các yếu tố nghiên cứu và xây dựng được các lớp thuộc tính cho các lớp bản đồ: lớp bản đồ băng nhiệt, lớp bản đồ mật độ sông suối, lớp bản đồ độ cao, lớp độ dốc, lớp hướng dốc, bản đồ vùng trọng điểm cháy, bản đồ quy hoạch công trình PCCCR.
2.3.3.2. Phương pháp xây dựng bản đồ hiện trạng rừng từ ảnh vệ tinh Landsat
Tiến hành nghiên cứu giải đoán ảnh bằng các phần mềm, các công cụ đã lựa chọn để đưa ra được kết quả giải đoán tốt nhất. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phân loại có kiểm định theo xác suất cực đại (Maximum likelihood) (Nguyễn Văn Lợi 2007) và kiểm định thực địa. Đánh giá kết quả giải đoán và chỉnh sửa bản đồ thành quả.
Số liêu ngoại nghiệp Bản đồ Tư liệu ảnh viễn thám
Bàn phím Bản đồ số hóa Máy quét Băng đĩa từ
GIS
BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM
Màn hình
Trình tự các bước được thể hiện qua sơ đồ sau:
Hình 2.3. Quy trình giải đoán ảnh viễn thám bằng phần mềm ENVI
Chồng lớp Nắn ảnh
Cắt ảnh theo khu vực nghiên cứu
Lựa chọn phương pháp phân loại ảnh phù hợp
- Phân loại và giải đoán ảnh - Xây dựng mẫu phân loại Bản đồ 3 loại
rừng
Lấy mẫu phân loại ở hiện trường
Kiểm tra mẫu phân loại
Phân loại ảnh Ảnh sau phân loại
năm 2005
Ảnh sau phân loại năm 2010
Ảnh sau phân loai năm 2015
Kiểm tra hiệu chỉnh sau phân loại
Bản đồ che phủ năm 2005
Bản đồ che phủ năm 2010 Bản đồ che phủ năm 2015
Bản đồ biến động hiện trạng tài nguyên rừng
2.3.3.3. Phương pháp xây dựng bản đồ chỉ số thực vật (NDVI)
Chỉ số thực vật (NDVI) là một đại lượng thay thế về số lượng thực vật và điều kiện sống. Chỉ số này liên kết với đặc điểm độ che phủ của thực vật như là sinh khối, chỉ số diện tích lá và phần trăm thực phủ.
Chỉ số thực vật (NDVI) được xác định dựa trên sự phản xạ khác nhau của thực vật thể hiện giữa kênh phổ khả biến và kênh phổ cận hồng ngoại, dùng để biểu thị mức độ tập trung của thực vật trên mặt đất.
Chỉ số thực vật được tính theo công thức sau: NDVI = (BIR - BR)/( BIR + BR) (2.1)
Trong đó: NDVI là chỉ số thực vật
BIR là kênh hồng ngoại BR là kênh đỏ
Giá trị của chỉ số thực vật là dãy số từ -1 đến +1. Nếu giá trị NDVI càng cao thì khu vực có độ che phủ thực vật cao. Nếu giá trị NDVI thấp thì khu vực đó độ che phủ thấp. Nếu giá trị NDVI âm cho thấy khu vực không có thực vật.
Từ tài liệu thu thập được như: Ảnh vệ tinh, bản đồ hiện trạng, bản đồ nền của huyện A Lưới, tiến hành xây dựng bản đồ chỉ số thực vật thông qua phần mềm Ecognition và Mapinfo. Trình tự các bước được thể hiện ở sơ đồ sau:
Hình 2.4. Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ chỉ số thực vật.
Bản đồ cơ sở Tư liệu ảnh vệ tinh
Lớp bản đồ hiện trạng rừng Lớp bản đồ nền Lớp bản đồ segmentation Chồng lớp, nội suy BẢN ĐỒ CHỈ SỐ THỰC VẬT (NDVI)
2.3.3.3. Phương pháp xây dựng bản đồ khí hậu (nhiệt độ không khí, ẩm độ không khí, độ ẩm bão hòa, mưa, chỉ số khô hạn)
Khí hậu được xem là một nhân tố có ảnh hưởng lớn đến cháy rừng bao gồm các yếu tố nhiệt độ không khí, ẩm độ không khí, mưa, chỉ số khô hạn…Sau khi tiến hành thu thập số liệu các yếu tố trên, tiến hành xây dựng các bản đồ đơn tính và chồng xếp các lớp bản đồ dựa trên cơ sở phân tích không gian của phần mềm Arcgis. Trình tự các bước được thể hiện ở hình 2.5.
.
Hình 2.5. Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ khí hậu.
2.3.3.4. Phương pháp xây dựng bản đồ thủy văn
Yếu tố thủy văn cũng ảnh hưởng tới cháy rừng. Mật độ sông ngòi dày thưa, dài ngắn đều ảnh hưởng khác nhau tới quá trình cháy rừng cũng như công tác PCCCR.
Lớp lượng mưa Lớp ẩm độ không khí Lớp độ ẩm bão hòa Lớp nhiệt độ Bản đồ hành chính Lớp chỉ số khô hạn Nội suy Lớp bản đồ nhiệt độ Lớp bản đồ chỉ số khô hạn Lớp bản đồ ranh giới Nội suy Chồng lớp, tính điểm BẢN ĐỒ KHÍ HẬU
Xây dựng bản đồ thủy văn dựa vào tài liệu quan trắc thu thập được và mô hình số độ cao (DEM) của huyện A Lưới, sử dụng công cụ trong phần mềm Arcgis hiệu chỉnh chồng xếp các lớp bản đồ đơn tính để tạo ra bản đồ thành quả. Trình tự các bước được thể hiện ở hình 2.6.
Hình 2.6. Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ thủy văn.
2.3.3.5. Phương pháp xây dựng bản đồ tiếp cận khu rừng từ mạng lưới đường khu dân cư
Mạng lưới đường giao thông, khu dân cư gần rừng là những nhân tố quan trọng liên quan đến lửa rừng kể cả về mặt tích cực lẫn tiêu cực. Người dân đốt nương làm rẫy, khai thác rừng trái phép vô ý làm cháy rừng, đốt thực bì, hun khói bắt ong, đốt dọn vệ sinh ven đường, hệ thống đường giao thông kém đi lại khó khăn…đó là những mặt tiêu cực gây ra cháy rừng cũng như công tác phòng chống cháy. Ngược lại mạng lưới đường giao thông thuận lợi, nâng cao ý thức của người dân gần rừng là những mặt tích cực trong công tác PCCCR. Từ những số liệu thu thập được kết hợp với phần
Lớp ranh giới Lớp đường bình độ Lớp điểm độ cao Bản đồ thủy văn Lớp bề mặt DEM Lớp bản đồ lưu vực sông suối Lớp bản đồ mạng lưới sông suối Nội suy Chồng lớp, tính điểm BẢN ĐỒ THỦY VĂN
mềm chuyên dụng Arcgis, tiến hành hiệu chỉnh và chồng xếp các lớp bản đồ đơn tính để tạo ra bản đồ tiếp cận khu rừng, được thể hiện ở hình 2.7.
Hình 2.7. Sơ đồ các bước xây dựng bản đồ tiếp cận khu rừng.
2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CÁC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA HTHTQĐ GIS 2.4.1. Phương pháp đánh giá biến động diện tích của lớp thảm thực vật giai đoạn 2.4.1. Phương pháp đánh giá biến động diện tích của lớp thảm thực vật giai đoạn 2005 - 2010 và gia đoạn 2010 - 2015
Dữ liệu sau khi được thu thập từ các nguồn, phân tích, xử lý dữ liệu, tiến hành giải đoán, thành lập bản đồ hiện trạng các năm 2005,2010 và 2015 được thể hiện ở sơ đồ 2.8. Tiến hành chồng xếp bản đồ theo từng giai đoạn 2005-2010 và 2010-2015 Tổng kết và đánh giá kết quả. Toàn bộ phương pháp đánh giá biến động được thể hiện ở hình sau. Bản đồ hiện trạng rừng năm 2005 Bản đồ hiện trạng rừng năm 2010 Bản đồ hiện trạng rừng năm 2015 Chồng xếp, xử lý Kết quả biến động rừng theo từng giai đoạn
Bản đồ hành chính Tư liệu ảnh Landsat năm 2014
Lớp bản đồ phân bố dân cư Lớp bản đồ mạng lưới đường giao thông Lớp bản đồ ranh giới hành chính Lớp trạng thái rừng Chồng lớp, tính điểm BẢN ĐỒ TIẾP CẬN KHU RỪNG TỪ MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG, KHU DÂN CƯ
Hình 2.8. Sơ đồ các bước xây dựng thống kê biến đổi hiện trạng rừng.
2.4.2. Phương pháp xây dựng bản đồ phân cấp nguy cơ cháy rừng
2.4.2.1. Ứng dụng AHP để xác định trọng số các nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy
AHP dựa vào 3 nguyên tắc: (i) Phân tích vấn đề ra quyết định (thiết lập thứ bậc), (ii) Đánh giá so sánh các thành phần, (iii) Tổng hợp các độ ưu tiên.
Để tính toán mức độ ưu tiên giữa các chỉ tiêu, giả sử ta có Xn chỉ tiêu cần giả định thì một ma trận được giả thuyết như sau:
Bảng 2.1. Ma trận so sánh cặp đôi tầm quan trọng giữa các nhân tố
X1 X2 … Xn X1 a11 a12 … a1n X2 a21 a22 … a2n
… … … … …
Xn an1 an2 … ann
Để điền vào ma trận trên, sử dụng thang đánh giá từ 1- 9 của Saaty trong đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy rừng ở vùng nghiên cứu như sau:
Bảng 2.2: Thang so sánh cặp nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy rừng
Điểm giá trị Mức độ quan trọng
1 Hai nhân tố có tầm quan trọng như nhau 3 Nhân tố này quan trọng hơn nhân tố kia
5 Nhân tố này quan trọng hơn nhiều so với tiêu chí kia 7 Nhân tố này quan trọng hơn rất nhiều so với nhân tố kia 9 Nhân tố này tuyệt đối quan trọng hơn nhân tố kia
2,4,6,8 Khoảng trung gian ở giữa các mức độ trên
Sử dụng ma trận so sánh cặp đôi tính toán các trọng số của các nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy rừng thông qua các đại lượng sau đây:
Wi=[(ai1)x(ai2)x...x(aim)]1/m (2.2) Nwi= I (2.3)
Dựa trên kết quả tính toán theo phương trình (2.2) và (2.3) ta có ma trận 2 như sau:
Bảng 2.3.Ma trận trọng số các nhân tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy rừng
X1 X2 X3 X4 Xn X1 w11 w12 w13 w14 w1n X2 w21 w22 w23 w24 w2n X3 w31 w32 w33 w34 w3n