.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá được trữ lượng cacbon trên mặt đất bằng ảnh viễn thám Radar tại khu RNM Cần Giờ- Thành phố Hồ Chí Minh.
.1. . Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu các đặc trưng của RNM khu vực nghiên cứu;
- Nghiên cứu cách tiếp cận ứng dụng ảnh RADAR băng L để xác định sinh khối và trữ lượng Các bon RNM;
- Đánh giá khả năng thực tiễn của việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong việc tính trữ lượng CO2 tại khu RNM Cần Giờ.
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
. .1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là thân cây sống trên mặt đất khu RNM Cần Giờ và ảnh vệ tinh RADAR chụp tại khu RNM Cần Giờ.
. . . Phạm vi nghiên cứu
- Về tư liệu ảnh sử dụng: tư liệu radar ảnh vệ tinh ALOS PALSAR 2; - Về địa điểm thực tập: khu vực RNM huyện Cần Giờ.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
.3.1. Phương pháp kế thừ tư li u
Trong quá trình thực hiện, tác giả kế thừa những tài liệu và dữ liệu sau đây: - Tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội;
- Bản đồ quy hoạch ba loại rừng năm 2010; Ranh giới hành chính, bản đồ kết quả kiểm kê đất đai năm 2014 của Thành phố Hồ Chí Minh;
- Bản đồ kết quả kiểm kê rừng thành phố Hồ Chí Minh năm 2016, Số liệu điều tra trên các ô tiêu chuẩn tại khu RNM huyện Cần Giờ;
- Tư liệu Radar (ALOS PASLSAR 2) thời điểm chụp ngày 19 tháng 1 năm 2016 mức xử lý 1.5 của huyện Cần Giờ.
.3. . Phương pháp nghiên cứu cụ thể
2.3.2.1. Phương pháp điều tr và xử lý số li u ngoại nghi p
. Phương pháp thu thập số li u ngoại nghi p
Tiến hành điều tra, khảo sát thực tế tại Khu RNM Cần Giờ Thành Phố Hồ Chí Minh để thu thập các nguồn dữ liệu, thông tin, khảo sát thực tiễn về tình hình phân bố tài nguyên rừng, đặc điểm rừng và những tác động đến tài nguyên rừng ở địa phương.
Tác giả sử dụng 96 ô tiêu chuẩn mà dự án Điều tra, kiểm kê rừng đã thu thập tháng 3, 4 năm 2016 tại khu RNM Cần Giờ
-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 máy GPS, độ dốc bình quân được xác định bằng địa bàn.
- Điều tra ô tiêu chuẩn
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 5 ô dạng bản thước 10m*10m ở bốn góc ô tiêu chuẩn và tâm OTC. Trong ô dạng bản điều tra toàn bộ cây trên ô bao gồm: Loài, chu vi C00 ( trên rễ khí sinh), Hvn, phẩm chất.
b. Phương pháp xử lý nội nghi p
+ Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích dữ li u: Thu thập, tổng hợp, phân tích nhằm kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có ở trong cũng như ngoài nước giúp định hướng trong công tác nghiên cứu, chọn lọc giảm tối đa sự trùng lặp trong nghiên cứu cũng như khối lượng công việc cần thực hiện.
+ Phương pháp mô hình: Các giá trị đo được trên ảnh, thuộc tính cần xác định của lớp phủ thực vật, và các đại lượng đo thực địa thường có một mối liên hệ toán học nhất định. Việc mô hình hóa mối liên hệ này có thể xác định được giá trị Carbon thông qua các đại lượng đo trên ảnh.
+ Phương pháp phân tích thống kê: Phương pháp phân tích thống kê giúp phân tích mối quan hệ giữa các thuộc tính của các đại lượng đo trên ảnh cũng như
các thuộc tính của lớp phủ thực vật từ đó thiết lập mối quan hệ cũng như đánh giá độ chính xác của kết quả tính toán.
c. Phƣơng pháp tính toán SK cho các OTC
Các bước tiến hành tính trữ lượng cacbon trên mặt đất RNM Cần Giờ
Hình 2.1. Sơ đồ các bƣớc tính trữ lƣợng các bon
Lọc nhiễu ảnh Ảnh ALOS
Định chuẩn ảnh
Đo giá trị tán xạ ngược tại OTC
Thiết lập hàm tương quan
Bản đồ phân bố trữ
lượng Các bon Tính sinh khối
Đánh giá kết quả
Sinh khối ô tiêu chuẩn
Kết quả tính sinh khối qui đổi trữ lượng CO2
Đề tài tiến hành tính SK trên mặt đất của cây trong OTC được xác định bằng phương pháp tính toán thông qua phương trình tương quan sinh trưởng ứng với từng loài cây được tác giả Viêm Ngọc Nam xây dựng như sau: Mắm Trắng (năm 2000), Dà quánh (năm 2009), Đước đôi (2001), Cóc trắng (năm 2009) [23] và được liệt kê ở bảng 2.1:
Bảng 2.1. Phƣơng trình tƣơng quan tính sinh khối từng loài thực vật ST
T Loài cây
Phƣơng trình sinh
khối Giới hạn (cm)
1 Đước đôi (Rhizophora
apiculata Bl.) ABG=0,343*D1,3
2,29649 3,2 ≤ D1,3≤ 30 (2.1)
2 Dà quánh (Ceriops decandra
(Griff.) Ding Hou) ABG=0,208*D1,3
2,40729 1,27 ≤ D1,3≤ 7,48 (2.2) 3 Cóc trắng (Lumnitzera racemosa Willd.) ABG=0,17446* D1,32,1866 1,9 ≤ D1,3≤ 9,3 (2,3)
4 Mắm trắng (Avicennia alba Bl.) ABG=0,129212* D1,32,4137
2,9 ≤ D1,3≤ 29,9 (2.4)
(theo tác giả Viêm Ngọc Nam xây dựng, 2012)
Trong đó:
D1,3: Đường kính thân tại vị trí 1,3 m ABG: Sinh khối khô của loài cây (kg)
2.3.2.2. Phương pháp lự chọn và xử lý ảnh RADAR
Ảnh vệ tinh ALOS-PALSAR
The Advanced Land Observing Satellite (ALOS) là vệ tinh quan sát trái đất lớn nhất được phóng lên quỹ đạo năm 2005 của cơ quan thám hiểm không gian Nhật Bản (JAXA). Vệ tinh ALOS bao gồm ba bộ cảm: Panchromatic Remote- sensing Instrument for Stereo Mapping (PRISM) với độ phân giải 2.5m, Advanced Visible and Near- Infrared Radiometer-2 (AVNIR-2) với độ phân giải 10m và Phased Array L-band Synthetic Aperture Radar (PALSAR)
PALSAR là đầu thu ảnh Radar hoạt động trong dải tần số L-band (1270 MHz) có đầy đủ các loại phân cực như chế độ "fine-beam" (cho độ phân giải tốt nhất) với phân cực đơn (phát phân cực ngang thu lại phân cực ngang - HH hoặc phát phân cực đứng thu về phân cực đứng - VV), chế độ phân cực kép (phát phân cực ngang thu lại cả phân cực ngang và phân cực đứng - HH+HV hay phát phân cực đứng thu lại cả phân cực đứng và phân cực ngang VV+VH) hay toàn bộ bốn kiểu phân cực (HH+HV+VH+VV). Bên cạnh đó nó cũng mang đặc tính của chế độ ScanSar phân cực đơn (HH hay VV). Tần số của đầu phát là 1270 MHz (23.6cm) với độ rộng của tần số phát là 28 MHz ở chế độ phân cực đơn "fine-beam" và 14 MHz ở chế độ phân cực kép, đa phân cực và chế độ ScanSAR (quét toàn bộ vùng phủ trong dải chụp). Góc nghiêng so với phương thẳng đứng có thể thay đổi từ 9.9o cho đến 50. 8o (tại tâm dải quét) tương ứng với độ lớn của góc tới từ 7.9o đến 60o. Với 5 chùm tia được phát ở chế độ ScanSAR góc tới thay đổi trong khoảng 18o đến 43o. Tùy theo chế độ phát và thu tín hiệu khác nhau mà ảnh PALSAR có nhiều kiểu độ phân giải khác nhau. Độ phân giải không gian mà ảnh PALSAR thu được ở chế độ “Fine”từ 7-44m hay 14m-88m (phụ thuộc vào chế độ phân cực và góc nghiêng của đầu thu) độ rộng của dải quét là 70km, với chế độ ScanSAR PALSAR cho ảnh ở độ phân giải 100m (đa trường nhìn) độ rộng của dải quét từ 250-360km, còn khi chụp ở chế độ đa phân cực độ phân giải từ 24-89m với độ rộng của dải quét là 30km.
Ảnh PALSAR gồm 3 sản phẩm ở các mức xử lý khác nhau: level 1.0, level 1.1 và level 1.5.
+ Level 1.0: Dữ liệu của 1 cảnh đã được chiết tách từ dữ liệu thu được, dữ liệu này ở dạng 8 bit;
+ Level 1.1: Dữ liệu được đưa về độ phân giải của Radar độ mở tổng hợp (SAR) nhưng vẫn nằm trong hệ tọa độ khoảng cách nghiêng (Slant range coordination) như lúc thu ảnh;
+ Level 1.5: Dữ liệu sau khi chuyển về độ phân giải mặt đất và độ phân giải theo hướng bay được hiệu chỉnh phổ và được nắn chỉnh hình học về lưới chiếu bản đồ.
Lọc nhiễu cho ảnh radar :
Do bản chất của ảnh radar chứa nhiều nhiễu nên sau khi nắn chỉnh hình học cần tiến hành lọc nhiễu cho ảnh radar. Cần sử dụng các phin lọc tương tác như lọc Lee, Sigma hay Frost để lọc nhiễu cho ảnh radar. Hiện nay, hầu như tất cả các phềm mềm xử lý ảnh vệ tinh như ENVI, PCI, ERDAS Imagine đều được trang bị các loại phin lọc này. Nhìn chung các phin lọc này đều có khả năng lọc nhiễu tương đối tốt, tuy nhiên theo đánh giá của nhóm thực hiện đề tài phin lọc 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.
Định chuẩn ảnh Radar
Cũng như các tư liệu viễn thám khác, tư liệu radar cũng được thương mại hóa dưới dạng dữ liệu số. Các thông tin số trên tư liệu radar được mã hóa 16 bit và thể hiện bằng xám độ 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 ảnh Radar 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.
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 ảnh RADAR thực chất là quá trình định chuẩn. Bài toán định chuẩn ảnh được đặt ra với mục đích chuyển các giá trị pixel trên ảnh thành các giá trị hệ số phản hồi (backscatter coefficient) tính theo đơn vị dB, đặc trưng riêng cho mỗi đối tượng nghiên cứu, độc lập với hệ thống RADAR cũng như hệ thống khôi phục ảnh ở trạm thu. 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.
Việc hiệu chỉnh góc tới tại pixel điểm ảnh đã được xử lý trước trong quá trình thu ảnh do vậy giá trị số trên ảnh DN sẽ tương ứng với giá trị tán xạ ngược σ0 theo công thức:
DN2 = σ0.K (2.6)
Trong đó, giá trị số trên ảnh DN là giá trị pixel với ảnh ALOS PALSAR xử lý mức 1.5.
K được hiểu như là hằng số định chuẩn tuyệt đối được cung cấp bởi nhà sản suất. K được hiệu chỉnh giống nhau với các ảnh PALSAR cùng mức độ xử lý nhưng khác nhau khi ở các mức xử lý 1.1 và 1.5. Hằng số K được tính từ hệ số định chuẩn (calibration factor - CF) và phần bù của hệ số định chuẩn (calibration factor offset - CF_offset). Hệ số này được cung cấp trong các file bổ trợ. Bảng sau biểu thị hằng số K ở các level 1.1 và 1.5:
Trong luận văn này tác giả sử dụng phần mềm ENVI lọc nhiễu tư liệu ảnh với kích thước 5x5 m và công thức sau để định chuẩn ảnh:
Công thức định chuẩn (Sigma 0):0 = 10*log10(DN^2) – 83 (2.7)
(Shimada M.et al., 2009)
Trong đó: 0 (Sigma Nought) là giá trị tán xạ ngược dữ liệu radar DN (Digital Number) là giá trị pixcel ảnh radar.
Xử lý hình học ảnh
Đây là bước hiệu chỉnh các sai số vị trí của điểm ảnh do quá trình chụp ảnh gây ra, do ảnh hưởng của chênh cao địa hình cũng như quy chiếu tọa độ ảnh về một hệ tọa độ xác định. Trong nghiên cứu này, hệ quy chiếu, hệ tọa độ quốc gia VN2000 được sử dụng. Cụ thể trong luận văn là 105075’.
Công tác nắn chỉnh hình học ảnh thường sử dụng các điểm khống chế ảnh đo ngoại nghiệp và mô hình số độ cao để tính chuyển tọa độ điểm ảnh về hệ tọa độ VN2000 và hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình tới độ chính xác vị trí điểm ảnh. Đối với ảnh RADAR, do điểm khống chế khó có thể nhận biết trên ảnh một cách chính xác nên ảnh quang học (SPOT5) đã được nắn chỉnh được sử dụng để làm nền cho việc chọn khống chế.
Mô hình số độ cao được thành lập dựa trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 với độ phân giải 10 m (tương đương với kích thước điểm ảnh) được sử dụng để nắn chỉnh hình học ảnh nhằm loại bỏ sai số do ảnh hưởng của chênh cao địa hình và cấu hình chụp ảnh, nhất là chụp ảnh nghiêng của ảnh ASAR.
Đo giá trị tán xạ ngược trên ảnh
Ảnh PALSA sau khi được nắn chỉnh thì việc xác định vị trí các ô tiêu chuẩn trên ảnh là khá dễ dàng trên ảnh căn cứ vào tọa độ của chúng được đo đạc ngoài thực địa. Giá trị tán xạ một số điểm ảnh liên quan đến vị trí ô tiêu chuẩn được đo và lấy trung bình. Ở đây giá trị trung bình của các pixel nằm trong vùng ô tiêu chuẩn được chọn làm giá trị thống kê chiết xuất từ ảnh theo quy luật sau: pixel được chọn tính toán không chỉ nằm trong vùng được chọn để chiết xuất mà còn có thể là pixel có một phần nằm trong vùng hoặc trùng với 1 cạnh hoặc nhiều cạnh của vùng dùng để chiết xuất. Trên ảnh PALSAR lấy tọa độ tâm OTC làm chuẩn lựa
chọn diện tích mẫu lấy pixel trên ảnh có diện tích tương đương 1 OTC có diện tích 1000 m2.
Sử dụng phần mềm Geospatial Modelling Environment kết hợp RTool2.12 tích hợp trong phần mềm để tính toán giá trị phản xạ trên ảnh tại vị trí OTC
- Phương pháp lấy mẫu trên ảnh radar
Lấy mẫu theo nhóm pixel tại vị trí tọa độ OTC:
Các công trình nghiên cứu trên thế giới như Ram Avtar et al. (2014), A. Michard et al. (2006)... đã chỉ ra rằng mô hình hàm logarit phản ánh tốt nhất cho mối quan hệ giữa sinh khối (hay trữ lượng rừng) với giá trị Sigma0. Trong thực tế, sinh trưởng của cây rừng không phải là vô hạn do đó, tăng trường rừng cũng sẽ chậm dần ở giai đoạn thành thục. Vì vậy, luận văn lựa chọn hàm logarit để xây dựng mối quan hệ giữa giá trị sigma0 với trữ lượng rừng.
Phương pháp phân tích thống kê: Phương pháp phân tích thống kê giúp phân tích mối quan hệ giữa các thuộc tính của các đại lượng đo trên ảnh cũng như các thuộc tính của thực phủ từ đó thiết lập mối tương quan giữa các đại lượng đó.
2.3.2.3. Phương pháp tính trữ lượng cacbon trên mặt đất
Việc ước đoán sinh khối trên mặt đất (AGB) được thực hiện dựa trên một số phương trình do Komiyama et al.(2008) và TS Viên Ngọc Nam xây dựng.
Việc chuyển đổi từ chỉ tiêu sinh khối sang các bon được thực hiện bằng cách chia đôi sinh khối hoặc lấy sinh khối nhân hệ số 0,5 (Gifford 2000).
Công thức chuyển sang carbonic theo IPCC 2006.
Ca= 0,47*AGB ( IPCC, 2006) (2.8)
Để qui đổi tổng lượng các bon đứng sang khí CO2 hấp thụ, ta lấy lượng các bon đứng này nhân với hệ số 3,67.
2.3.2.4. Xây dựng phương trình tương qu n và kiểm định phương trình thủ nghi m.
- Thử nghiệm mối quan hệ giữa trữ lượng CO2( Mcdt) trên 37 OTC phân bố đặc trung ở thực địa với các hệ số tán xạ ngược trên ảnh SigHH, SigHV để xác định phương trình tương quan:
+ Mcdt với SigHH + Mcdt với SigHV