PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM KẾT HỢP GIS VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG 2.4.1. Thành lập bản đồ và nghiên cứu biến động rừng bằng phương pháp Viễn thám kết hợp với GIS
Ngay từ những ngày đầu tiên của sự phát triển công nghệ viễn thám, việc ứng dụng để thành lập bản đồ lớp phủ và theo dõi diễn biến của lớp phủ đã được
đề cập. Với bản chất của việc “chụp” ảnh là đo giá trị phần trăm phản xạ của năng lượng sóng điện từ của các đối tượng trên mặt đất nên viễn thám có ưu thế cơ bản trong theo dõi lớp phủ thực vật. Các lớp phủ thực vật lức đó sẽ phản ánh các loại hình sử dụng đất tương ứng như đồng cỏ, rừng, mặt nước, ruộng,.… và các loại hình sử dụng đất này sẽ phản ánh lại các hoạt động của con người. Do đó, viễn thám ngày càng có vai trò to lớn hơn và có mặt nhiều hơn trong các nghiên cứu liên quan tài nguyên thiên như ngiên cứu lớp phủ thực vật, tài nguyên đất, tài nguyên nước,…. Nhu cầu thông tin về lớp phủ thực vật ngày càng tăng trong các bài toán nghiên cứu, quản lý các vấn đề môi trường như mất rừng, thoái hoá đất, trong việc quy hoạch sử dụng đất cũng như hoạch định các chính sách trong việc bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Một trong những ưu thế của rõ rệt nhất của phương pháp sử dụng dữ liệu viễn thám trong thành lập bản đồ thực vật nói riêng và các loại bản đồ chuyên đề nói chung là khả năng đem lại các thông tin ở những vùng mà khó có thể sử dụng phương pháp mặt đất, ngoài ra yếu tố giá thành hạ của sản phẩm cũng là ưu điểm nổi bật của phương pháp viễn thám.
Với đòi hỏi ngày càng cao của các nhu cầu nghiên cứu khoa học nhất là đòi hỏi phải có thông tin chi tiết và tương đối thường xuyên ở các vùng khó tiếp cận của các nhà quản lý, nghiên cứu tài nguyên và sinh thái thì viễn thám đã dần trở thành một công cụ không thể thiếu. Tuy nhiên trong thực tế ứng dụng, rất nhiều trường hợp đòi hỏi các thông tin rất chi tiết và điều này đang là một khó khăn thách thức đối với viễn thám do đó việc kết hợp giữa thông tin từ ảnh viễn thám với các thông tin từ thực địa đang trở thành xu hướng của việc sử dụng ảnh viễn thám.
Một trong những điểm cần lưu ý khi ứng dụng viễn thám vào trong việc thành lập bản đồ lớp phủ thảm trong việc quản lý tài nguyên đất đai là phân biệt khái niệm lớp phủ bề mặt với khái niệm hiện trạng sử dụng đất. Lớp phủ bề mặt phản ánh các điều kiện và trạng thái tự nhiên trên bề mặt Trái đất như rừng, trảng cỏ,sa mạc,… trong khi đó sử dụng đất lại phản ánh các hoạt động của con người trong việc sử dụng đất như các khu công nghiệp, sân gôn, đất thổ cư, các loại đất hoa mầu canh tác…Tóm lại có thể nói hiện trạng sử dụng đất nhấn mạnh đến các thông tin về mục đích sử dụng của thửa đất, trong khi lớp phủ bề mặt lại dùng để miêu tả trạng thái lớp phủ thực vật của thửa đất ấy. Các thông tin có thể thấy
trạng sử dụng đất. Tuy nhiên, giữa hiện trạng sử dụng đất và hiện trạng lớp phủ có nhiều sự tương quan chặt chẽ nên từ bản đồ hiện trạng lớp phủ chúng ta có thể làm cơ sở để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất. Cũng như vậy đối với thảm phủ rừng và đất rừng ta cần phân biệt đất rừng là đất có rừng, còn thảm phủ rừng là đất rừng có cây che phủ.
Việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật phân tích không gian của GIS cũng có những ảnh hưởng to lớn trong việc thành lập bản đồ thảm phủ rừng và các quá trình giải đoán ảnh, có thể nói quan hệ giữa viễn thám và GIS là mối quan hệ khăng khít và trong ứng dụng bản đồ thảm phủ rừng không thể được hoàn thành nếu thiếu các kỹ thuật phân tích không gian của GIS.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các vệ tinh có thể chụp được số kênh nhiều hơn và cũng đồng nghĩa với việc các thông tin sẽ được cung cập một lượng to lớn hơn. Dựa trên ưu thế này, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu để có thể thu thập nhiều nhất các thông tin mà ảnh vệ tinh đem lại như nghiên cứu về cấu trúc tán lá, nghiên cứu về thổ nhưỡng,.. mà với các điều tra thông thường thường mất nhiều thời gian và nhân lực.
Bảng 2.5. So sánh một số phương pháp thành lập bản đồ
Đo vẽ Ảnh hàng không Ảnh vệ tinh
Giới hạn phân giải Dưới 1 m 1-20 m 0,5m tới 1 km
Độ phủ Tùy khả năng nguồn lực km x 102 Toàn cầu
Kiểu bản đồ Hiện trạng sử dụng đất, hiện trạng lớp phủ
Hiện trạng lớp phủ Hiện trạng lớp phủ
Khả năng tách đối
tượng Từng đối tượng Cấu trúc thực vật
Lớp hiện trạng lớp phủ
Chu kì lặp thông tin Tùy nguồn lực Tùy nguồn lực và thời tiết
Hàng ngày tới 20 ngày, phụ thuộc thời tiết Phương pháp lập bản đồ Quan sát thực địa Giải đoán bằng mắt thường Đoán đọc bằng mắt hay xử lý ảnh số Chi phí trên đơn vị
diện tích Cao Trung bình Thấp
Để nghiên cứu biến động thảm phủ ta phải có ít nhất hai ảnh viễn thám chụp cùng một khu vực tại hai thời điểm khác nhau. Lý tưởng mà nói, điều tra biến động nên dùng các tư liệu ảnh được thu cùng một bộ cảm, có cùng độ phân giải không gian, độ cao bay chụp, các băng phổ, trong cùng một giờ và cùng một ngày (trong năm). Trong thực tế các tư liệu ảnh khó có thể thỏa mãn gây khó khăn trong việc nghiên cứu biến động. Nếu các tư liệu ảnh không thỏa mãn các
điều kiện trên thì phải tiến hành thêm các bước xử lý ảnh như hiệu chỉnh phổ, hiệu chỉnh khí quyển và nắn chỉnh hình học. Đối với nghiên cứu biến động, cần phải nắn chỉnh các ảnh với độ chính xác nhỏ hơn 1/2 pixel (nắn chỉnh hình học trên 1 pixel sẽ gây ra nhiều sai lầm khi so sánh các ảnh với nhau).
Hình 2.1. Quy trình thành lập bản đồ biến động đất bằng phương pháp viễn thám kết hợp với GIS
2.4.2. Ứng dụng công nghệ Viễn Thám và GIS trên thế giới và tại Việt Nam
2.4.2.1. Một số ứng dụng của công nghệ viễn thám và GIS trên thế giới
Ngày nay công nghệ viễn thám có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
1. Viễn thám ứng dụng trong quản lý sự biến đổi môi trường bao gồm: Điều tra về sự biến đổi sử dụng đất và lớp phủ; Vẽ bản đồ thực vật; Nghiên cứu
Ảnh thời kỳ 2 Tư liệu bản đồ
Ảnh thời kỳ 1 Giải đoán ảnh 1 Bản đồ hiện trạng 1 Giải đoán ảnh 2 Bản đồ hiện trạng 2 Chồng xếp bản đồ các thời kỳ Bản đồ biến động
2. Viễn thám ứng dụng trong điều tra đất bao gồm: Xác định và phân loại các vùng thổ nhưỡng; Đánh giá mức độ thoái hoá đất, tác hại của xói mòn, quá trình muối hoá.
3. Viễn thám trong lâm nghiệp, diễn biến của rừng bao gồm: Điều tra phân loại rừng, diễn biến của rừng, biến động đất rừng trong từng giai đoạn; Nghiên cứu về côn trùng và sâu bệnh phá hoại rừng, cháy rừng.
4. Viễn thám trong quản lý sử dụng đất bao gồm: Thống kê và thành lập bản đồ sử dụng đất; Điều tra giám sát trạng thái mùa màng và thảm thực vật.
2.4.2.2. Một số ứng dụng của viễn thám và GIS ở Việt Nam
Từ những năm 1990 trở lại đây, nhận thức được vai trò to lớn của ảnh vệ tinh, nhiều Bộ ngành, viện nghiên cứu, trường đại học như Bộ Nông nghiệp & phát triển nông thôn; Bộ tài nguyên môi trường; Tổng cục khí tượng thuỷ văn; …. Đã đầu tư ảnh, trang thiết bị, đào tạo con người và thường xuyên ứng dụng công nghệ này phục vụ cho nhiều mục nghiên cứu cũng như phục vụ đời sống dân sinh kinh tế xã hội. Cho đến nay, Việt Nam đã có nhiều công trình khoa học và các ứng dụng công nghệ GIS và Viễn thám về nghiên cứu đây một vài công trình được biết đến như:
- Xây dựng bản đồ diễn biến rừng tỷ lệ 1/100.000 ở Lâm Đồng, Nghệ An, Lai Châu (1998) - trung tâm tư vấn Thông tin lâm nghiệp (CFIC), Viện Điều tra Quy Hoạch Rừng.
- Thiết lập vận hành trạm thu ảnh vệ tinh viễn thám NOAA phục vụ phân tích diễn biến rừng, theo dõi cháy rừng, xây dựng cở sở dữ liệu trường nhiệt mặt biển (1999), đề tài nhà nước KHCN01-11 - Trung tâm tư vấn Thông tin Lâm Ngiệp (CFIC), Viện Điều Tra Quy Hoạch rừng.
- Ứng dụng tư liệu viễn thám độ phân giải trung bình phục vụ giám sát và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường khu vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ (2002) của Nguyễn Đình Dương, Viện Địa Lý - Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia (sử dụng ảnh vệ tinh MODIS).
- Lại Huy Phương và cộng sự (2005) cũng đã áp dụng GIS trong thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu theo dõi diễn biến tài nguyên rừng và đất lâm nghiệp tại một số tỉnh như Thanh Hóa, Quảng Ninh, Lạng Sơn…
- Chu Thị Bình và cs. (2005) đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM cùng với các số liệu thu thập dưới mặt đất để tiến hành đánh giá lớp phủ thực vật tại Lương Sơn – Hòa Bình giai đoạn 1984 – 1992 – 2001.
- Ứng dụng công nghệ GIS và Viễn thám nghiên cứu sự thay đổi thảm thực vật rừng giai đoạn 1990 – 2010 ở lưu vực sông Ngàn Sâu, tỉnh Hà Tĩnh (2010) của Vũ Văn Lương, Nguyễn Huy Anh và Hồ Đắc Thái Hoàn, theo Kỷ yếu hội thảo ứng dụng GIS Toàn quốc năm 2014 tại Cần Thơ.
- Ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu, đánh giá rừng phục vụ giảm phát thải do mất rừng và suy thoái rừng (REDD+) (Trần Duy Mạnh và cs., 2014).
- Ứng dụng viễn thám và GIS thành lập bản đồ biến động các loại thực phủ địa bàn thành phố Huế - Tỉnh Thừa Thiên Huế (2013) (Nguyễn Xuân Trung Hiếu, 2014).
- Ứng dụng viễn thám trong theo dõi rừng tại huyện đảo Phú Quốc giai đoạn 1993 – 2013 (2013) (Phạm Nhựt Trường và Võ Quốc Tuấn, 2014).
- Đánh giá biến động lớp phủ rừng huyện Côn Đảo, tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu bằng công nghệ viễn thám và GIS (2012) (Trần Anh Tuấn, 2012).
- Ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu, đánh giá rừng phục vụ giảm phát thải do mất rừng và suy thoái rừng (REDD+) (Trần Duy Mạnh và cs., 2014).
PHẦN 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU
Địa điểm nghiên cứu là huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai.
3.2. THỜI GIAN NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tại 2 thời điểm là năm 2005 và năm 2014
3.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1- Đánh giá điều kiện tự nhiên – Kinh tế xã hội huyện Bảo Yên. 2 - Khái quát tình hình chung về quản lý và sử dụng đất rừng.
3 - Xác định sự biến động rừng của huyện Bảo Yên tỉnh Lào Cai giai đoạn 2005 - 2014.
+ Thành lập bản đồ hiện trạng rừng năm 2005, năm 2014.
+ Thành lập bản đồ biến động rừng huyện Bảo Yên giai đoạn 2005 - 2014. + Đánh giá biến động rừng huyện Bảo Yên.
+ Một số nguyên nhân biến động rừng huyện Bảo Yên.
3.4. PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU 3.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 3.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
- Thu thập ảnh vệ tinh (ảnh Landsat) của khu vực nghiên cứu tại 2 thời điểm năm 2005 và năm 2014
- Thu thập các tài liệu, số liệu về điều kiện tự nhiên, tình hình phát triển kinh tế- xã hội huyện năm 2015.
- Thu thập các tài liệu, số liệu về tình hình quản lý sử dụng đất lâm nghiệp, đất rừng.
- Thu thập các tài liệu, số liệu kiểm kê đất đai.
- Thu thập các loại bản đồ của vùng nghiên cứu như bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ quy hoạch sử dụng đất.
3.4.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp
Đây là phương pháp được tiến hành ngoài thực địa nhằm kiểm tra lại các thông tin, sự kiện thu thập được trong quá trình điều tra nội nghiệp, đồng thời bổ xung những thông tin còn thiếu để hoàn chỉnh thông tin số liệu:
- Sử dụng GPS cầm tay đi thực địa xác định loại hình sử dụng đất lâm nghiệp, chọn mẫu các loại hình sử dụng đất (chụp ảnh thực địa, xác định toạ độ bằng GPS để thành lập khóa giải đoán ảnh).
3.4.3. Phương pháp giải đoán ảnh Viễn Thám
- Cắt ảnh theo vùng nghiên cứu bằng phần mềm ENVI. - Tăng cường chất lượng ảnh
- Hiệu chỉnh ảnh - Giải đoán ảnh vệ tinh
+ Nhập dữ liệu thực địa thu thập được từ GPS vào máy tính theo phương pháp truyền dữ liệu để lấy mẫu ảnh.
+ Xây dựng tệp dữ liệu mẫu các loại hình đất.
Nhờ các thông tin về vị trí, loại thảm rừng thu thập được ngoài thực địa bằng GPS, tệp dữ liệu mẫu được xác định trên ảnh vệ tinh bằng phần mềm Envi.
+ Đánh giá mức độ tin cậy của tệp mẫu theo phương pháp xây dựng ma trận nhầm lẫn.
Ma trận nhầm lẫn được xây dựng trên cơ sở số lượng pixel lấy mẫu cho mỗi loại tín hiệu, số lượng pixel phân loại đúng, số lượng pixel nhầm lẫn sang các loại tín hiệu khác. Sau khi xây dựng ma trận nhầm lẫn, cần đánh giá độ chính xác tệp mẫu, nếu độ chính xác cao hơn 90% thì có thể dùng tệp mẫu để phân loại ảnh vệ tinh. Ngược lại, chúng ta phải điều chỉnh hoặc xây dựng lại tệp mẫu.
+ Dùng phần mềm Envi để tiến hành phân loại ảnh theo thuật toán xác xuất cực đại.
+ Đánh giá độ chính xác ảnh phân loại
Để đánh giá độ chính xác ảnh phân loại chúng tôi đã sử dụng phương pháp kiểm chứng ảnh dựa vào kết quả điều tra thực địa. Kết quả kiểm chứng ảnh phân loại được xác định dựa vào số điểm trùng khớp và số điểm không trùng khớp từ quá trình đi thực địa được bằng GPS cầm tay.
3.4.4. Phương pháp đánh giá độ chính xác của phép phân loại có kiểm định
Đánh giá độ chính xác là thuật toán xác định độ tin cậy của sự phân loại ảnh. Độ chính xác của ảnh được phân loại dựa vào khu vực mà nó đặt dữ liệu tham khảo (ground truth map). Hầu hết những phương pháp để đánh giá độ chính xác sự phân loại bao gồm một ma trận được xây dựng từ 2 loại dữ liệu (ở
đây gồm có dữ liệu bản đồ và dữ liệu điều tra thực địa). Độ chính xác còn thể hiện mức độ phù hợp giữa những gì quan sát được và thực tế (thường là dưới dạng phần trăm). Một ma trận sai số là một ma trận vuông được sắp xếp theo hàng và cột chỉ rõ số lượng các mẫu pixel được gán cho một lớp riêng biệt liên quan tới các lớp hiện thời, được thực hiện bởi việc tham khảo dữ liệu. Độ chính xác toàn diện được tính bởi tổng pixel phân loại chính xác và tổng số pixel tách rời ra. Trong nghiên cứu này, phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên được dùng để đánh giá độ chính xác sự phân loại. Để đánh giá độ chính xác của sự phân loại thảm phủ, những mẫu ngẫu nhiên được mô tả cho mỗi lớp thực vật riêng biệt. Độ chính xác rất cao của phép phân loại thường được chấp nhận phổ biến là trên 0,85 (85%), độ chính xác vừa phải thì nằm trong khoảng 0,4÷0,8. Các thông số này do Cục Địa chất Mỹ quy định. Hệ số Kappa được sử dụng là thước đo đánh giá độ chính xác phân loại. Trái ngược hẳn với độ chính xác toàn diện được miêu tả ở trên, đây là hệ số tiện ích của tất cả các nguyên tố từ ma trận ở trên. Nó là sự khác nhau cơ bản giữa những gì có thực về sai số độ lệch của ma