2.2.1. Cơ sở vất lý
Ánh sáng mặt trời nằm trong giải phổ từ 10-8 - 1010 micromet, khi ánh sáng gặp vật cản trong khí quyển thì một phần lọt qua, còn một phần bị khuyếch tán , một phần bị vật thể hấp thụ điều đó làm cho năng lượng mặt trời thay đôỉư rất nhiều. Vật sẽ tiếp nhận ánh sáng dưới 2 dạng trực tiếp và bức xạ ánh sáng. Do đó khả năng thu nhận hoặc phản xạ ánh sáng của vật thể khác nhau là khác nhau.
Góc chiếu của mặt trời khi chụp ảnh tạo nên hiện tượng bóng ảnh.
Cấp độ xám: Độ tương phản trắng đen bóng ảnh là những căn cứ cần thiết để đoán đọc ảnh.
Các vật được chụp ảnh nhận được ánh sáng mặt trời ở những góc độ khác nhau nên độ tương phản giữ ánh sáng và bóng râm của chúng cũng khác nhau .
2.2.2. Cơ sở sinh vật học
- Các đặc điểm phân bố và hình thái của đối tượng điều tra - Quy luật kết cấu
2.2.3. Cơ sở sinh lý học
2.3. Lựa cho ̣n tư liê ̣u viễn thám
Việc lựa chọn tư liệu ảnh viện thám để theo dõi sự biến động của lớp phủ thảm thực vật rừng được coi là một khâu đóng vai trò hết sức quan trọng. Đây sẽ là tư liệu ảnh viễn thám được sử dụng để theo dõi sự biến động của lớp phủ thảm thực vật rừng.
Do đó căn cứ vào các tiêu chí phản ánh chất lượng ảnh như đã được trình bày ở phần phương pháp và cùng với việc sử dụng phương pháp đánh giá hiệu quả tổng hợp. Để lựa chon ra tư liệu ảnh viễn thám phù hợp nhất vào việc theo dõi sự biến động của lớp phủ thảm thực vật rừng.
Ảnh hàng không bắt đầu được áp dụng từ đầu thế kỷ 20 để khoanh vẽ các trạng thái rừng. Ảnh hàng không thường được lưu trên giấy ảnh hoặc ảnh số. Từ những thử nghiệm lẻ tẻ về ứng dụng ảnh hàng không trong lâm nghiệp vào thời gian đầu, đã có nhiều tác giả sử dụng thành công ảnh hàng không để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng ở các nước như Canada, Mỹ và Anh (Bickford, 1952). Ảnh hàng không thường được giải đoán bằng mắt thường với sự hỗ trợ của các thiết bị quang học như kính lúp, kính lập thể, máy tổng hợp màu để các định đối tượng. Các trạng thái rừng khác nhau trên ảnh được khoanh vẽ dựa trên một số tiêu chí sau (Olson,1960): cấp độ sáng (tone); kích thước (size) và hình dáng (shape) của tán cây; biến đổi trong cấu trúc tán cây (texture); phân bố không gian của tán cây (pattern); bóng cây (shadow).
Ưu điểm của việc sử dụng ảnh hàng không so với điều tra mặt đất là: cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố của rừng trên một diện tích rộng; lưu giữ được những biến đổi về động thái của rừng theo thời gian; ảnh hàng không có thể chụp với bước sóng từ tia cực tím đến hồng ngoại gần (0.3m – 0.9m), vì vậy có thể phản ánh những thông tin mà mắt thường không thấy được. Nhược điểm của ảnh hàng không là rất khó chụp, lưu giữ, hiệu chỉnh và giải đoán. Ngoài ra việc giải đoán bằng mắt là rất chủ quan phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm người giải đoán, kết quả không đồng nhất, khó triển khai trên diện rộng, thời gian thực hiện lâu và tốn kém nhiều nhân lực. Ở Việt Nam, công nghệ giải
đoán bằng mắt cũng đã và đang được áp dụng đối với ảnh vệ tinh trong phân loại rừng và đã bộc lộ rất nhiều tồn tại.
Trong vòng khoảng 35 năm trở lại đây, ảnh vệ tinh với phương pháp xử lý số đã được sử dụng rộng rãi và dần thay thế ảnh hàng không trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra và kiểm kê rừng (Lambin, 2001) . Phương pháp xử lý số có ưu điểm nổi bật là thời gian xử lý ngắn, việc phân loại các đối tượng được tiến hành nhanh chóng trên phạm vi rộng mà không cần công đi thực địa, công việc được thực hiền hoàn toàn dựa vào cấp độ xám của các pixel, nên kết quả thu được khách quan không phụ thuộc vào chủ quan của nguời giải đoán. Tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng, ảnh vệ tinh sẽ cho phép xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng với quy mô và tỷ lệ khác nhau một cách nhanh chóng, hoặc đánh giá được biến động của hiện trạng rừng ở hiện tại so sánh với các thời điểm trong quá khứ.
Với những ưu điểm như vậy, đã có rất nhiều chuyên gia và các nhà nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh để khoanh vẽ và theo dõi biến đô ̣ng của lớp phủ thực vật trên bề mặt trái đất từ quy mô nhỏ đến toàn cầu (Yichun et al., 2008) . Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều vệ tinh cung cấp ảnh có độ phân giải không gian, bước sóng, số lượng kênh phổ và chu kỳ bay chụp khác nhau, từ các ảnh đa phổ (multispectral sensors) tới ảnh siêu phổ (hyperspectral), bước sóng biến động từ nhìn thấy tới sóng siêu cao tần, độ phân giải không gian từ <1m tới vài km, chu kỳ bay chụp có thể từ 30 phút tới tuần hoặc tháng. Navulur (2006) đã phân nhóm các loại ảnh vệ tinh theo độ phân giải không gian như sau: (i) ảnh có độ phân giải thấp > 30m, (ii) ảnh có độ phân giải trung bình 2m - 30m; (iii) ảnh có độ phân giải cao 0.5 – 2.0 m; (iv) ảnh có độ phân giải rất cao < 0.5m. Mỗi loại ảnh vệ tinh khác nhau lại có đặc điểm về độ phân giải không gian, bước sóng, chu kỳ bay chụp, giá thành khác nhau. Đề tài tổng hợp mô ̣t số thông số kỹ thuâ ̣t và ứng du ̣ng chủ yếu của mô ̣t số ảnh vê ̣ tinh mà đề tài có thể sử du ̣ng.
Bả ng 2.1. Bảng tổng hợp thông số kỹ thuâ ̣t và khả năng ứng du ̣ng củ a mô ̣t số loa ̣i ảnh viễn thám
Loại ảnh Thông số kỹ thuật
Ứng dụng trong phân loại và theo dõi biến đô ̣ng
1. Ảnh đa phổ có độ phân giải thấp (Multispectral Low Resolution Sensors
MODIS
Độ phân giải thấp (250m – 1000m); Trường phủ 2330km; Chu kỳ bay chụp 1-2 ngày; Ảnh có từ 2000 (vệ tinh Terra) hoặc 2002 (vệ tinh Aqua) đến nay.
- Quy mô bản đồ: toàn cầu, lục địa hoặc quốc gia
- Phân loại lớp phủ và theo dõi biến đô ̣ng của lớ p phủ (vd: rừng, độ thị, mặt nước...)
AVHRR
Độ phân giải thấp 1km từ các vệ tinh NOAA; Trường phủ 2400km x 6400km; Ảnh có từ 1980 đến nay.
2. Ảnh đa phổ có độ phân giải trung bình (Multispectral Moderate Resolution Sensors)
Landsat TM
Độ phân giải thấp đến trung bình (30m -120m); Trường phủ 185km x 185km; Chu kỳ bay chụp 16 ngày; Ảnh từ năm 1982 đến nay;
- Quy mô bản đồ: khu vực
- Phân loại và theo dõi biến đô ̣ng của lớp phủ Landsat
ETM+ (Landsat 7)
Độ phân giải thấp đến trung bình (15m - 120m); Trường phủ 185km x 185km. Chu kỳ bay chụp 16 ngày; Ảnh có từ 1999 đến nay;
- Quy mô bản đồ: khu vực
- Phân loại và theo dõi biến đô ̣ng của lớp phủ, xác đi ̣nh mô ̣t số đối tượng có thể nhâ ̣n biết rõ.
ASTER
Độ phân giải trung bình (15-90m) với 14 kênh phổ từ bước sóng nhìn thấy tới hồng ngoại gần; Trường phủ 60km x 60km. Ảnh có từ năm 2000 đến nay.
Loại ảnh Thông số kỹ thuật
Ứng dụng trong phân loại và theo dõi biến đô ̣ng
3. Ảnh đa phổ có độ phân giải cao (Multispectral High-spatial Resolution Sensors – Hyperspatial )
SPOT
Độ phân giải cao đến trung bình, từ 2.5m đến 20m (với SPOT VGT là 1km); Trường phủ 60km x 60km (với SPOT VGT là 1000km x 1000 km); SPOT 1, 2, 3, 4 và 5 có ảnh tương ứng từ 1986, 1990, 1993, 1998 và 2002. Dữ liệu ảnh cung cấp trong 1-2 ngày Hiện nay SPOT 1 và 3 đã ngừng cung cấp ảnh.
- Quy mô bản đồ: địa phương, khu vực (hoặc lớn hơn đối với SPOT VGT)
- Phân loại rừng ở cấp độ quần xã hoặc các loài cụ thể
- Ứng dụng tốt trong việc theo dõi biến đô ̣ng củ a lớp phủ.
IKONOS
Độ phân giải rất cao (1m – 4m); Trường phủ 11km x 11km; Chu kỳ bay chụp 3-5ngày
- Quy mô bản đồ: khu vực, địa phương hoặc nhỏ hơn
- Phân loại rừng chi tiết ở cấp độ quần xã hoặc các loài cụ thể;
- Thường được sử dụng để kiểm tra kết quả phân loại từ các nguồn khác. QuickBird
Độ phân giải rất cao (0.6m – 2.4m); Trường phủ 16.5km x 16.5km. Chu kỳ bay chụp 1-3.5 ngày tuỳ thuộc vào vĩ độ.
4. Ảnh siêu phổ (Hyperspectral Sensors)
AVIRIS
Ảnh siêu phổ với 224 kênh từ bước sóng nhìn thấy tới sóng ngắn hồng ngoại; Tuỳ thuộc vào vĩ độ của vệ tinh
- Quy mô bản đồ: khu vực, địa phương hoặc nhỏ hơn;
Loại ảnh Thông số kỹ thuật
Ứng dụng trong phân loại và theo dõi biến đô ̣ng
mà ảnh có độ phân giải > 1m, trường phủ > 1km.
- Phân loại rừng chi tiết ở cấp độ quần xã hoặc các loài cụ thể; ảnh chỉ chụp theo yêu cầu 1 lần, vì vậy không thích hợp với theo dõi diễn biến củ a các đối tượng.
Hyperion
Ảnh siêu phổ với 220 kênh từ bước sóng nhìn thấy tới sóng ngắn hồng ngoại; Độ phân giải không gian 30m; Ảnh có từ năm 2003.
- Quy mô bản đồ: khu vực
- Phân loại rừng chi tiết ở cấp độ quần xã hoặc các loài có nhận biệt rõ.
OrbView
Ảnh có 200 kênh phổ, với đô ̣ phân giải không gian là 8m, đô ̣ lă ̣p la ̣i của mô ̣t điểm trên mă ̣t đất là 3 ngày. Ảnh có từ năm 2001
- Quy mô bản đồ: khu vực hoă ̣c đi ̣a phương. - Ứng dụng để nghiên cứ u các kiểu vâ ̣t chất trên trái đất và phu ̣c vu ̣ cho quân đô ̣i Mỹ trong việc giám sát thông tin trái đất
ARIES
Ảnh có số kênh phổ là 105 kênh trên dải sóng từ 0,49 đến 0,25m, cho đô ̣ phân giải là 30m với đô ̣ phủ mă ̣t đất là 15km x 15km, đô ̣ nhìn lă ̣p mô ̣t điểm là 7 ngày.
- Quy mô bản đồ: khu vực hoă ̣c đi ̣a phương - Ứng dụng trong viê ̣c khai khoáng, nghiên cứu nông nghiê ̣p, rừng, đất
Loại ảnh Thông số kỹ thuật
Ứng dụng trong phân loại và theo dõi biến đô ̣ng
ẩm và điều tra môi trường
Theo báo cáo phân tích đánh giá diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoa ̣n 19976-1990-1995 thì trong lâm nghiê ̣p, khi đánh giá tài nguyên rừng, người ta thường sử du ̣ng hai nhóm chỉ tiêu là biến đô ̣ng về số lượng và biến đô ̣ng về chất lượng. Trong đó biến đô ̣ng về số lượng được phân ra làm các loa ̣i biến đô ̣ng sau :
-Biến đô ̣ng về tổng diê ̣n tích rừng
- Biến đô ̣ng của mô ̣t số kiểu rừng chủ yếu
- Biến đô ̣ng rừng theo ba lĩnh vực sản xuất, phòng hô ̣ và đă ̣c du ̣ng - Biến đô ̣ng do chuyển hóa rừng thành các loa ̣i đất khác.
- Biến đô ̣ng rừng theo đai cao, theo các vùng sinh thái.
- Biến đô ̣ng theo hê ̣ thống đường giao thông, khu dân cư tâ ̣p trung - Biến đô ̣ng rừng theo hình thức quản lý
Như vâ ̣y, lĩnh vực nghiên cứu của đề tài thuô ̣c lĩnh vực xác đi ̣nh biến đô ̣ng rừng về diện tích rừng, cu ̣ thể ở đây là biến đô ̣ng lớp thảm thực vật rừng.
Để lựa chọn ảnh vệ tinh thích hợp trong viê ̣c theo dõi biến đô ̣ng của lớp thảm thực vật rừng cần phải cân nhắc kỹ, thường dựa vào những căn cứ sau: (1) mục tiêu của bản đồ, (2) giá thành của ảnh, (3) điều kiện khí quyển, (4) những yêu cầu kỹ thuật trong việc giải đoán ảnh. Do vâ ̣y, những loại ảnh viễn thám có ứng du ̣ng tốt trong lĩnh vực nghiên cứu của đề tài là: ảnh Landsat TM và ETM+, SPOT, MODIS, NOAA-AVHRR, IKONOS và QuickBird.
Căn cứ theo những phân tích trên, đề tài lựa cho ̣n sử du ̣ng ảnh SPOT 5 để phát hiê ̣n sự thay đổi của lớp phủ thảm thực vật rừng tại xã Cẩm Mỹ thuộc Khu bảo tồn TN Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh.
Chương 3
MỤC TIÊU - NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Mục tiêu
3.1.1. Mục tiêu chung
- Góp phần quản lý rừng bền vững khu Bảo Tồn Thiên Nhiên Kẻ Gỗ - Hà Tĩnh
3.1.2. Mục tiêu cụ thể
- Đề xuất một số giải pháp thích hợp để hạn chế suy thoái rừng ở xã Cẩm Mỹ thuộc khu Bảo Tồn Thiên Nhiên Kẽ Gỗ
3.2. Nội dung
Để đạt được mục tiêu đề ra, nội dung đề tài được xác định như sau:
1. Nghiên cứu đặc điểm các trạng thái rừng và tư liệu ảnh SPOT5 của khu
vực nghiên cứu.
2. Nghiên cứu đặc điểm biến động các kênh phổ trong khu vực nghiên cứu.
3. Nghiên cứu phương pháp xây dựng bản đồ phân bố trạng thái rừng trên tư liệu ảnh SPOT 5.
4. Nghiên cứu đánh giá biến động các diện tích rừng tại khu vực nghiên cứu
5. Nghiên cứu đề xuất quản lý tài nguyên rừng bền vững ở khu vực nghiên cứu
3.3. Phạm vi nghiên cứu
Các thông tin trên tư liệu ảnh viễn thám rất đa dạng, phong phú, việc khai thác các thông tin cũng có nhiều phương pháp, thuật toán xác định khác nhau. Trong khuôn khổ luận văn để phù hợp với thực tiễn sản xuất của nghành lâm nghiệp, chúng tôi chỉ giới hạn ở việc ứng dụng phương pháp pháp hiện sự biến đổi của lớp phủ thảm thực vật rừng
3.4. Phương pháp nghiên cứu 3.4.1. Phương phá p thu thâ ̣p số liê ̣u 3.4.1. Phương phá p thu thâ ̣p số liê ̣u
Đề tài sử du ̣ng các nguồn thông tin sau để phu ̣c vu ̣ quá trình nghiên cứu: - Đề tài sử du ̣ng bản đồ quy hoa ̣ch rừng năm 2006 của Đoàn điều tra quy hoạch rừng để lựa cho ̣n các mẫu điều tra, các điểm khống chế. Xác đi ̣nh tọa đô ̣ chính xác của các mẫu điều tra ngoài thực đi ̣a bằng máy đi ̣nh vi ̣ GPS. Bản đồ hiện tra ̣ng rừng là cơ sở để đề tài thiết lâ ̣p các ô tiêu chuẩn trên các lớp phủ mă ̣t đất khác nhau. Ngoài ra, bản đồ hiê ̣n tra ̣ng năm 2006 cũng được sử du ̣ng để kiểm định tính chính xác của kết quả phân loa ̣i theo ảnh theo khóa phân loa ̣i.
- Đề tài nghiên cứu đă ̣c điểm kỹ thuâ ̣t của các loa ̣i ảnh viễn thám được hiện đang được sử du ̣ng phổ biến và sẵn có để lựa cho ̣n tư liê ̣u ảnh phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài. Các đă ̣c điểm chính của tư liê ̣u ảnh viễn thám là đô ̣ phân giải không gian, chu kỳ bay chu ̣p, khả năng ứng du ̣ng trong thực tiễn và giá thành của ảnh.
3.4.2. Phương phá p xử lý số liê ̣u
3.4.2.1. Phương phá p Nghiên cứu xây dựng bản đồ phân bố trạng thái rừng trên tư liệu ảnh SPOT 5
Nhằm thực hiện được nội dung trên đề tài được thực hiện qua các bước sau.
Bước 1: Sử dụng các bản đồ phân bố trạng thái rừng mới nhất của đoàn
Điều Tra Quy Hoạch Rừng Hà Tĩnh. Để lựa chọn các vị trí điển hình cho các trạng thái rừng khác nhau. Mỗi điểm mẫu là trung tâm của một trạng thái rừng có diện tích lớn hơn 100 ha.
Bước 2: Sử dụng các ảnh SPOT 5 đã được tải về và xác định gía trị các
kênh phổ tại tất cả các điểm mẫu đã lựa chọn trên bản đồ
Bước 3: Phân tích đặc điểm giá trị các kênh phổ của mỗi trạng thái rừng
để xây dựng khoá giải đoán ảnh cho các trạng thái rừng từ ảnh SPOT 5.
Bước 4: Sử dụng khoá ảnh để giải đoán ảnh SPOT 5 và xây dựng bản đồ
Bước 5: So sánh bản đồ phân bố rừng được xây dựng từ ảnh SPOT 5 với
bản đồ hiện trạng rừng tại khu vực nghiên cứu do Đoàn Điều tra Quy Hoạch rừng Hà Tĩnh cung cấp.