- Xây dựng được mô hình xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel- 1 và Sentinel-2 tại huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương.
- Xây dựng được bản đồ trữ lượng rừng dựa vào tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2 cho huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương.
- Đề xuất được kỹ thuật đánh giá trữ lượng rừng từ tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2.
2.2. Đối tƣợng v phạm vi nghiên cứu
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu
- Các kiểu trạng thái rừng tại huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương.
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu
-Phạm vi về nội dung:
+ Về tư liệu ảnh: Tư liệu Sentinel-1:
S1A_IW_GRDH_1SDV_20160422T224449_20160422T224514_010940_01 0694_84BE được chụp ngày 22 tháng 04 năm 2016.
Tư liệu Sentinel-2:
S2A_OPER_PRD_MSIL1C_PDMC_20160404T091452_R075_V20160403T 031824_20160403T031824 được chụp ngày 04 tháng 04 năm 2016.
Tư liệu ảnh Sentinel phù hợp với hiện trạng rừng tại thời điểm thực hiện dự án điều tra, kiểm kê rừng tại huyện Phú Giáo – tỉnh Bình Dương.
+ Về kiểu trạng thái rừng: lựa chọn hai kiểu trạng thái rừng điển hình là: rừng trồng keo, rừng trồng cao su và rừng thường xanh phục hồi.
- Phạm vi không gian: Đề tài được thực hiện tại huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương là khu vực tương đối bằng phẳng, độ dốc nhỏ. Mục đích là hạn chế ảnh hưởng của địa hình đến tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2.
2.3. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, luận văn đặt ra những nội dung nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu đặc điểm hiện trạng rừng tại huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương
- Nghiên cứu xây dựng mô hình xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2 tại huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương.
- Thử nghiệm xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2 tại huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương.
- Đề xuất kỹ thuật xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp kế thừa tư liệu
Trong quá trình thực hiện, luận văn kế thừa những tài liệu và các dữ liệu cơ sở sau:
- Tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội;
- Bản đồ quy hoạch ba loại rừng năm 2014; Ranh giới hành chính, bản đồ kết quả kiểm kê đất đai năm 2015 của tỉnh Bình Dương;
- Số liệu điều tra trên 102 ô tiêu chuẩn và mẫu khóa ảnh tại huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Dương năm 2015-2016;
- Tư liệu Sentinel-1 (mức xử lý 1c) và Sentinel-2 (mức xử lý 2c) năm 2016 tại khu vực nghiên cứu.
2.4.2. Phương pháp nghiên cứu cụ thể
2.4.2.1. Phương pháp điều tra và xử lý số liệu ngoại nghiệp a) Phương pháp thu thập số liệu ngoại nghiệp
Luận văn sử dụng 102 ô tiêu chuẩn mà dự án Điều tra, kiểm kê rừng đã thu thập tại tỉnh cuối năm 2015 và đầu năm 2016. Kết quả của quá trình điều tra mặt đất phục vụ cho nội dung xây dựng mô hình xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2, và đánh giá độ chính xác của các mô hình bằng chỉ số RMSE.
Phương pháp điều tra ô tiêu chuẩn của dự án như sau: • Xác định ô tiêu chuẩn:
Vị trí của các ô tiêu chuẩn được xác định bằng máy GPS với độ chính xác từ 3m – 5m, độ cao tuyệt đối được xác định bằng bản đồ địa hình, độ dốc bình quân được xác định bằng địa bàn.
Ô tiêu chuẩn điều tra trữ lượng rừng có hình chữ nhật diện tích 1.000 m2, kích thước 33,3m*30m. Trong mỗi ô tiêu chuẩn có 4 ô phụ kích thước 5m*5m ở các góc ô tiêu chuẩn.
Ô tiêu chuẩn chính dùng để điều tra toàn bộ tầng cây cao ở rừng gỗ có mật độ nhỏ hơn 3.000 cây/ha, và để đếm số bụi tre nứa ở rừng tre nứa mọc theo bụi.
Ô tiêu chuẩn phụ ở rừng gỗ dùng để đo đếm cây tái sinh và đo đếm tầng cây cao trong trường hợp mật độ vượt quá 3000 cây/ha. Ô tiêu chuẩn phụ ở rừng tre nứa dùng để đo đếm cây tái sinh, số cây tre nứa trong 1 bụi hoặc số cây tre nứa mọc phân tán. Với rừng hỗn giao gỗ tre nứa, tre nứa gỗ tự nhiên các ô tiêu chuẩn phụ được sử dụng với mục đích của cả hai trường hợp rừng gỗ và rừng tre nứa.
Số liệu thu thập tại thực địa trên tại các ô tiêu chuẩn được nhập vào máy tính và xử lý như sau:
+ Xác định thể tích của từng cây/ô (V)
V= (2.1)
Trong đó: C là chu vi và h là chiều cao của từng cây; f là hình số lấy cho rừng tự nhiên bằng 0,45
+ Xác định trữ lượng trên ô tiêu chuẩn (M/ô) bằng tổng thể tích của tất cả các cây trên ô tiêu chuẩn
M/ô= (2.2)
Trong đó: M/ô là trữ lượng trên ô tiêu chuẩn; Vi là thể tích cây trong ô tiêu chuẩn; n là số cây đo đếm trong ô tiêu chuẩn.
+ Xác định trữ lượng lâm phần:
M/ha= (2.3)
Trong đó: M/ha là trữ lượng lâm phần; M/ô là trữ lượng trên ô tiêu chuẩn; S là diện tích ô tiêu chuẩn (1000 m2)
+ Tạo danh sách các ô tiêu chuẩn gồm các chỉ tiêu: Thứ tự ô tiêu chuẩn, ký hiệu ô tiêu chuẩn, vị trí ô tiêu chuẩn (x,y), trạng thái, trữ lượng.
Danh sách các ô tiêu chuẩn xây dựng được sẽ sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo của luận án.
2.4.2.2. Phương pháp xây d ng mô hình xác định tr lư ng r ng b ng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2
Mục tiêu của phương pháp xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2 là khai thác được nhiều thông tin hơn, phân biệt được nhiều đối tượng trên bề mặt hơn so với từng loại ảnh riêng biệt, làm cho việc giải đoán hoặc phân loại ảnh d dàng hơn. Để thực hiện nhiệm vụ này cần xây
dựng các tổ hợp giữa Sentinel-1 và Sentinel-2, thực hiện các phép biến đổi để tạo ra các kênh ảnh dẫn xuất làm nổi bật một số đối tượng nhất định từ ảnh bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2.
a) Định chuẩn tư liệu Sentinel-1
Các thông tin số trên tư liệu Sentinel-1 được mã hóa 16 bit và thể hiện bằng độ xám trên ảnh. Vì vậy, hàng loạt các ảnh hưởng của môi trường và của thiết bị đã được trung bình hóa”. Việc khôi phục lại thông tin ban đầu dưới dạng phản hồi đo bằng dB (deci-Ben) từ giá trị năng lượng hay biên độ của tư liệu Sentinel-1 thực chất là quá trình định chuẩn. Đây là công việc phức tạp nhưng lại đặc biệt quan trọng cho việc phân loại một cách có cơ sở các đối tượng có phản hồi tương tự hoặc gần nhau. Vì việc thống kê theo hàm logarit tính theo dB có khả năng phân dị thông tin cao hơn hàm tuyến tính (tính theo giá trị năng lượng hoặc biên độ) do đó sẽ mang lại nhiều thông tin về sự biến đổi của các đối tượng mặt đất.
Trong quá trình này giá trị độ xám trên ảnh gốc sẽ được tính chuyển về giá trị phản hồi tính theo đơn vị dB. Tùy theo mỗi loại ảnh sẽ có các công thức và các tham số riêng để tính chuyển. Các thao tác định chuẩn tư liệu Sentinel-1 được thực hiện trên trên phần mềm SNAP. Công thức định chuẩn tư liệu Sentinel-1:
0
(dB) = 10*log10(abs(DN)) Trong đó:
+ 0
(Sigma Nought) là giá trị tán xạ ngược radar tính bằng dB + DN (Digital Number) là giá trị điểm ảnh.
b) Lọc nhiễu cho tư liệu Sentinel-1
Do bản chất của tư liệu Sentinel-1 chứa nhiều nhi u nên sau khi nắn chỉnh hình học cần tiến hành lọc nhi u cho tư liệu Sentinel-1. Cần sử dụng
các phin lọc tương tác như lọc Lee, Sigma hay Frost để lọc nhi u cho tư liệu Sentinel-1. Các thao tác được thực hiện trên trên phần mềm SNAP.
Nhìn chung các phin lọc này đều có khả năng lọc nhi u tương đối tốt, tuy nhiên theo kết quả nghiên cứu của đề tài này phin lọc Sigma Lee là cho kết quả khả quan hơn cả. Khi tiến hành lọc có thể chọn các cửa sổ lọc có kích thước khác nhau như 3x3, 5x5, 7x7 ... hoặc 11 x11, cũng có thể tiến hành lọc nhiều lần với các cửa sổ có kích thước giống hoặc khác nhau nhưng sau mỗi lần lọc cần kiểm tra kết quả xem có bị mất nhiều chi tiết hay không để có sự điều chỉnh phù hợp.
c) Xử lý tư liệu Sentinel-2
Tư liệu Sentinel-2 gồm 12 kênh ảnh trong đó, tổ hợp các kênh 4, 3, 2 sẽ cho ảnh màu tự nhiên để thể hiện các đặc điểm của lớp phủ bề mặt. Các kênh này kết hợp với kênh 5 để tạo ra kênh ảnh NDVI (chỉ số khác biệt về thực vật). Các thao tác kỹ thuật tạo kênh ảnh NDVI được thực hiện bằng phần mềm SNAP. Công thức tính NDVI:
NDVI = (NIR-RED) / (NIR+RED) Trong đó:
+ NDVI là chỉ số khác biệt thực vật (Normalize Different Vegistable Index)
+ NIR: Kênh cận hồng ngoại (Band 5) + RED là kênh đỏ (Band 4)
Giá trị rất thấp của NDVI (0.1 trở xuống) tương ứng với khu vực cằn cỗi của đá, cát, hoặc tuyết, mặt nuớc. Giá trị NDVI vừa phải đại diện cho cây bụi và đồng cỏ (0,2-0,3), trong khi giá trị cao cho thấy rừng nhiệt đới và nhiệt đới (0,6-0,8), cụ thể qua bảng 2.1:
Bảng 2.1. Phân loại NDVI theo chất lƣợng thực vật trong lớp phủ bề mặt đất
Giá trị NDVI Lớp phủ bề mặt đất
< 0,1 Khu vực đá; cát; mặt nước; bê tông 0,1 - 0,2 Đất đá cằn cỗi, cây bụi
0,2 - 0,3 Cây bụi và trảng cỏ; đất nông nghiệp để trống 0,3 - 0,6 Trảng cỏ, cây trồng nông nghiệp, rừng thưa
> 0,6 Rừng nhiệt đới
(Nguồn: NASA 2013)
d) Xây d ng mô hình xác định tr lư ng r ng b ng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2
Bước 1: Trích xuất giá trị điểm ảnh NDVI, Sig_VH, Sig_VV vào các trường thông tin của điểm điều tra mặt đất.
Bước 2: Tác giả sử dụng 73 điểm điều tra mặt đất xác định mối quan hệ NDVI, Sig_VH, Sig_VV với trữ lượng rừng bằng phương pháp thống kê toán học trên phần mềm Exel.
Bước 3: Từ kết quả của bước 2 tác giả xác định được phương trình có mối tương quan gần nhất giữa NDVI, Sig_VH, Sig_VV với trữ lượng rừng, và xây dựng được mô hình xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2.
d) Kiểm tra, đánh giá độ chính xác c a mô hình
Để so sánh độ chính xác của các thử nghiệm, dữ liệu độc lập (dữ liệu không tham gia ước lượng) được dùng để đánh giá bằng tiêu chuẩn sai số trung phương:
RMSE (X X’)2 n
Trong đó: RMSE là sai số trung phương; X là giá trị trữ lượng được nội suy; X’ là giá trị trữ lượng được thu thập trên thực địa; n là ô mẫu dùng để đánh giá.
2.4.2.3. Phương pháp thử nghiệm xác định tr lư ng r ng b ng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2
Từ kết quả xác định mô hình xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2, tác giả tính toán trữ lượng rừng cho huyện Phú Giáo – tỉnh Bình Dương. Dựa trên nguyên tắc, khi áp dụng công thức từ mô hình ta thu được trữ lượng rừng trên từng điểm ảnh tương ứng với giá trị của điểm ảnh đó của tư liệu ảnh Sentinel-1 và Sentinel-2. Các thao tác được thực hiện trên phần mềm ArcGIS.
Luận văn tiến hành xác định tổng diện tích, tổng trữ lượng rừng: mỗi điểm ảnh có diện tích 10m x 10m=100m2
, và dựa vào số lượng điểm ảnh, ta có thể xác định được tổng diện tích rừng của huyện Phú Giáo – tỉnh Bình Dương. Tương tự như vậy, mỗi điểm ảnh có một giá trị trữ lượng trung bình, dựa vào diện tích của mỗi điểm ảnh và tổng số điểm ảnh ta xác định được tổng trữ lượng rừng rừng cho huyện Phú Giáo – tỉnh Bình Dương. Các thao tác được thực hiện trên phần mềm ArcGIS.
2.4.2.4. Đề xuất qu trình xác định tr lư ng r ng cho huyện Phú Giáo, tỉnh Bình Duơng
Từ kết quả nghiên cứu ở trên, đề tài sẽ đề xuất kỹ thuật xác định trữ lượng rừng bằng tư liệu Sentinel-1 và Sentinel-2 cho khu vực nghiên cứu và các vùng khác có điều kiện tương tự.
Sơ đồ quá trình nghiên cứu:
Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu
Lọc nhi u cho tư liệu Sentinel-1
Định chuẩn tư liệu Sentinel-1 Xử lý tư liệu Sentinel-2
Xác định trữ lượng rừng
Kiểm tra, khảo sát ngoại nghiệp
Chƣơng 3
ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ - XÃ HỘI 3.1. Điều kiện tự nhiên
3.1.1. Vị trí địa lý
Phú Giáo là một huyện nằm phía đông bắc của tỉnh Bình Dương, cách thành phố Hồ Chí Minh khoảng 70km.
Phía Đông Bắc: giáp huyện Đồng Phú (Bình Phước) Phía Tây Bắc: giáp huyện Chơn Thành (Bình Phước) Phía Đông: giáp huyện Vĩnh Cửu (Đồng Nai)
Phía Tây: giáp huyện Bàu Hàng Phía Nam: giáp huyện Bắc Tân Uyên
3.1.2. Hành chính
Hiện nay, huyện Phú Giáo là một trong những huyện có diện tích tự nhiên lớn của tỉnh, đồng thời là cửa ng lưu thông kinh tế giữa ba tỉnh Bình Dương, Bình Phước và Đồng Nai.
Huyện có 11 đơn vị hành chính gồm 10 xã và 1 thị trấn: thị trấn Phước Vĩnh, và các xã An Bình, An Linh, An Long, An Thái, Phước Hoa, Phước Sang, Tam Lập, Tân Hiệp, Tân Long, Vĩnh Hòa.
3.1.3. Địa hình
Huyện Phú Giáo nằm trên địa hình đồi thoải lượn sóng có các dải đất hẹp ven Sông Bé. Đất có độ cao trung bình thấp và tương đối bằng phẳng nên tạo điều kiện thuận lợi để phát triển kinh tế. Đất bazan xám ở Phú Giáo rất thích hợp cho các cây công nghiệp như: điều, cao su, tiêu và các loại cây ăn quả. Riêng dải đất ven Sông Bé là đất phù xa mới, trồng lúa và các loại rau đậu tốt.
3.1.4. Khí hậu
Khí hậu Phú Giáo có 2 mùa, mùa mưa và mùa khô với khí hậu ôn hòa. Không khí có độ ẩm cao, lượng mưa trung bình trên địa bàn huyện là 1.947,7 mm.
3.2. Điều kiện dân sinh, kinh tế, xã hội
3.2.1. Kinh tế - Xã hội
3.2.1.1. Kinh tế a) Nông nghiệp
Toàn huyện có hơn 500 trang trại trồng trọt, chăn nuôi, tạo lợi thế đưa nền nông nghiệp của huyện đi lên theo hướng sản xuất lớn.
Tốc độ tăng trưởng kinh tế huyện Phú Giáo hàng năm đạt 12,44%. Cơ cấu kinh tế ngành ngành 2016 là chiếm 40% nông nghiệp-lâm nghiệp. Cụ thể, trong 9 tháng đầu năm 2016, giá trị sản xuất nông, lâm nghiệp toàn huyện đạt hơn 2.374 tỷ đồng; bằng 66,78% kế hoạch năm và tăng 7,7% so với cùng kỳ năm 2015.
Riêng giá trị thu từ nông, lâm nghiệp và thủy sản của các trang trại trồng trọt, chăn nuôi trên địa bàn huyện đạt hơn 1.330 tỷ đồng; giá trị sản phẩm và dịch vụ nông, lâm, thủy sản bán ra đạt hơn 1.325 tỷ đồng. Cơ cấu ngành nông nghiệp tiếp tục chuyển dịch theo hướng tăng dần tỷ trọng ngành chăn nuôi,
giảm dần tỷ trọng ngành trồng trọt; trong đó chăn nuôi chiếm 30,1% và trồng trọt chiếm 69,9%, tăng và giảm 0,3% so với đầu năm 2015.
Tổng diện tích gieo trồng của Phú Giáo hiện đạt hơn 40.770 ha; trong đó diện tích trồng cây hàng năm đạt 2.850,53 ha, giảm 6,45 ha so với cùng kỳ; diện tích cây lâu năm chiếm hơn 37.922 ha, tăng 1.044,76 ha, trong đó diện tích cây cao su hơn 36.249 ha, tăng 998,9 ha, diện tích cao su cho sản phẩm hơn 29.615 ha, sản lượng ước đạt hơn 39.622 tấn; diện tích cây điều hơn 641 ha, tăng 45 ha; diện tích cây tiêu hơn 352 ha, tăng 3 ha. Diện tích cây lâu năm biến động mạnh trên địa bàn xã An Thái, với tổng diện tích tăng hơn 998 ha cây cao su.
Tổng đàn chăn nuôi trên địa bàn huyện trong 9 tháng đầu năm tương đối ổn định theo hướng phát triển và tăng nhanh với 1,8 tỷ con. Trong đó, đàn heo hơn 165.000 con, tăng 40,97% so với cùng kỳ, với sản lượng thịt xuất chuồng