2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp luận
Một trong những sản phẩm quan trọng của luận án là đề xuất được các giải pháp đẩy mạnh ứng dụng công nghệ địa không gian trong quản lý tài nguyên rừng tại khu vực nghiên cứu và có thể áp dụng, nhân rộng cho các khu vực khác có điều kiện tương tự khu vực nghiên cứu.
(1). Cơ sở khoa học
Cơ sở khoa học của dữ liệu ảnh viễn thám quang học là phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, có thể phân tích và thể hiện, đặc biệt có thể phát hiện, chia tách các khu vực mất rừng với các diện tích vùng riêng biệt. Dựa trên đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng, bằng các mô hình, phần mềm chuyên dụng, dữ liệu ảnh viễn thám được xử lý để xác định và chia tách với từng đối tượng. Dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian cho phép xác định nhanh chóng biến động lớp phủ rừng nói chung và mất rừng nói riêng trong khoảng thời gian giữa các thời điểm thu ảnh. Các thông tin về các đối tượng rừng sau khi chiết tách, có thể tạo ra các bản đồ hiện trạng và tính toán cụ thể diện tích tại từng thời điểm cũng như tổng hợp phân tích kết quả về phân bố và biến động.
Chỉ số thực vật ARVI thể hiện chất lượng thảm thực vật màu xanh lá cây trên mặt đất, giá trị chỉ số này nằm trong khoảng -1 đến +1, giá trị càng cao thì thực vật càng dày. Đối với đối tượng là rừng thì chỉ số này khá cao (khoảng 0,6 đến 1), khi giá trị này bị sụt giảm tức là thực vật bị mất đi, hay nói các khác là rừng bị mất. Tương tự đối với các chỉ số thực vật khác, giá trị của chỉ số sẽ biểu diễn chất lượng thảm thực vật dưới cách này hay cách khác. Trên tư liệu ảnh viễn thám, giá trị ARVI được tính cho từng điểm ảnh, do vậy, đối với mỗi khu vực được xác định là mất rừng, suy thoái, thêm rừng đều có thể tính toán được số lượng điểm ảnh tại vùng đó, hay nói cách khác là hoàn toàn chỉ ra được diện tích rừng bị mất, suy thoái và thêm mới vì mỗi điểm ảnh đều đã có kích thước cụ thể và thông số này phụ thuộc vào tư liệu ảnh sử dụng để tính toán.
Trong khuôn khổ nghiên cứu này, dựa vào cơ sở phương pháp luận nêu trên, quy trình xác định và thể hiện biến động mất rừng, suy thoái và thêm rừng đã được xây dựng. Dựa vào nghiên cứu, khảo sát hiện trạng, theo dõi biến động và tác động của những quá trình biến đổi, các nhà quản lý có thể đưa ra đề xuất giải pháp quản lý, quy hoạch bảo vệ, khôi phục phục vụ phát triển bền vững.
(2) Thuật ngữ chính được sử dụng trong luận án
Theo giải thích các thuật ngữ của Luật Lâm nghiệp Lào. Trong luận án này, một số thuật ngữ quan trọng bao gồm: mất rừng, suy thoái rừng, khu thêm rừng mới cần được làm rõ. Thông qua các thuật ngữ được sử dụng, người đọc có thể thấy được một số vấn đề nghiên cứu đã được tác giả giới hạn lại cho phù hợp với năng lực nghiên cứu của tác giả, cũng như để có cơ sở cho việc xem xét, đánh giá các kết quả của luận án.
- Mất rừng: khu rừng bị chặt phá, khai thác lớp thảm thực vật rừng, để lại độ tàn che dưới 0,1 (thấp hơn ngưỡng quy định là rừng đang được áp dụng ở Lào);
- Suy thoái rừng: khu rừng bị tác động: chặt chọn, tỉa thưa, cháy rừng, chăn thả gia súc, v.v, làm giảm trữ lượng và độ tàn che của rừng so với hiện trạng ban đầu, lúc chưa bị tác động;
- Khu vực có thêm rừng mới: Khu vực trồng rừng, phục hồi rừng đã đạt tiêu chuẩn thành rừng từ nơi chưa có rừng hoặc có thực vật nhưng chưa đạt đúng các tiêu chí thành rừng (theo định nghĩa rừng ở Lào).
(3) Lựa chọn công nghệ và tư liệu nghiên cứu
a) Công nghệ:
- Công nghệ địa không gian bao gồm (hệ thống định vị toàn cầu, hệ thống thông tin địa lý và viễn thám) là các công cụ được sử dụng xuyên suốt trong các nội dung của luận án. Ngoài ra, luận án cũng đã sử dụng công cụ phân tích thống kê vào việc phân tích số liệu. Cụ thể như sau:
- Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): GPS đã được sử dụng trong quá trình điều tra ô tiêu chuẩn ngoài thực địa để xác định các chỉ tiêu cơ bản về cấu trú, trữ lượng rừng. Các ô tiêu chuẩn điều tra được định vị tọa độ tâm của ô, sau đó tọa độ của các ô tiêu chuẩn được chuyển từ GPS vào phần mềm ArcGIS phục vụ cho việc trích xuất giá trị chỉ số viễn thám trên ảnh vệ tinh. Ngoài ra, GPS cũng được sử dụng trong việc định vị tọa độ các mẫu khu rừng thêm mới, mất rừng, suy thoái rừng. GPS sẽ là công cụ hữu ích cho việc kiểm chứng kết quả phát hiện các khu vực mất rừng, suy thoái rừng, khu vực thêm mới rừng từ việc ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án vào thực tiễn ở khu vực VQGNKĐ.
- Hệ thống thông tin địa lý (GIS): ArcGIS 10.3 là phần mềm chính đã được sử dụng trong luận án. Việc lấy mẫu rừng thêm mới, mất rừng, suy thoái rừng và một số thao tác khác đã được thực hiện trên phần mềm. Với các dữ liệu ở dạng Raster (ảnh viễn thám) được thực hiện trên phần mềm ArcGIS. Ảnh viễn thám ngay sau khi được tải về máy, sẽ được cắt theo phạm vi nghiên cứu trên phần mềm ArcGIS. Các thao tác khác cũng được thực hiện trên phần mềm này như: tính toán giá trị KB, trích xuất giá trị các chỉ số viễn thám trên ảnh, phân loại file Raster theo ngưỡng để xác định các vùng mất rừng, suy thoái rừng, v.v.
- Viễn thám (RS). Chỉ số viễn thám ARVI và ảnh vệ tinh Sentinel 2 đã được sử dụng trong luận án. Một số công việc liên quan đến ảnh vệ tinh được tác giả thực hiện trong GEE như: tính toán ảnh ARVI; lấy thông tin của các cảnh ảnh (tên cảnh ảnh, thời gian chụp, tỉ lệ mây); trích xuất giá trị ARVI theo các vùng mẫu; tải ảnh vệ tinh về máy để đưa vào phân tích trong GIS. Việc đưa các giá trị Pixel trên ảnh về giá trị bằng 0 cũng đã được thực hiện trên GEE. GEE là một chương trình phân tích ảnh mạnh mẽ hiện nay, mặc dù khó thực hiện hơn một số phần mềm xử lý ảnh khác do cần phải biết thao tác với mã (code), nhưng với các nội dung nghiên cứu của luận án thì việc lựa chọn GEE là phù hợp.
- Planet.com đã được luận án sử dụng. Đây là công cụ Web cung cấp các loại ảnh vệ tinh có độ phân giải cao từ 3-5 m theo 2 hình thức thương mại và miễn phí cho một số đơn vị, cá nhân nhà nghiên cứu/giáo dục. Planet cũng hỗ trợ người dùng có thể đưa các vùng theo ranh giới (ở định dạng file.KML) vào để xem với 2 cửa sổ màn hình tương ứng với 2 thời điểm (ngày, tháng, năm) mà người sử dụng lựa chọn. Do đó, đây là một công cụ hữu ích mà tác giả đã sử dụng để kiểm chứng các mẫu rừng không đổi, mất rừng, suy thoái rừng và thêm rừng làm cơ sở cho việc lựa chọn mẫu nghiên cứu.
b) Lựa chọn dữ liệu nghiên cứu
- Sử dụng ảnh Sentinel 2 trong nghiên cứu:
Ảnh vệ tinh Sentinel 2 (độ phân giải không gian 10, 20, 60 m) được lựa chọn để nghiên cứu do đây là 2 trong số những loại ảnh quang học có độ phân giải trung bình và thấp đang được khai thác sử dụng miễn phí từ các nhà cung cấp ảnh. Ảnh vệ tinh Sentinel 2 được luận án tải về từ chương trình Google Earth Engine.
- Sử dụng chỉ số ARVI trong nghiên cứu:
Kinh nghiệm trên thế giới, ở Việt Nam cũng như ở Lào cho thấy hầu như không có một chỉ số viễn thám nào (NDVI; NBR; SAVI; ARVI; IRSI; NDSI; EVI) có ưu điểm vượt trội so với các chỉ số khác trong mọi điều kiện. Do đó, việc áp dụng các chỉ số viễn thám phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng vùng cũng như hệ thống cơ sở dữ liệu đo đếm hiện có ở vùng đó.
Trong luận án này, nghiên cứu ứng dụng chỉ số ARVI. Khác với các chỉ số thực vật khác, ARVI rất hiệu quả trước các hiệu ứng địa hình và khí quyển, điều này khiến nó trở thành một công cụ giám sát chất lượng cho các vùng núi nhiệt đới tại các nước đang phát triển, nơi có hàm lượng các chất lơ lửng (mưa, sương mù, bụi, khói, ô nhiễm) trong không khí cao. Vì vậy, ARVI rất phù hợp để theo dõi khu vực địa hình phức tạp và nhiều tác động của con người như khu vực xung quanh VQGNKĐ. Hơn nữa, ngoài các chỉ số đã
nghiên cứu bởi các tác giả khác, thì việc áp dụng chỉ số này theo phương pháp chỉ số tương đối với khu vực nghiên cứu sẽ đạt kết quả cao, với độ chính xác kiểm tra cao hơn. Từ đó, đóng góp bổ sung cơ sở lý luận và thực tiễn về ứng dụng chỉ số ARVI, KB nói riêng và CNĐKG nói chung cho việc giám sát rừng, phát hiện sớm mất rừng, suy thoái rừng, khu vực có thêm rừng mới ở Lào
Vận dụng luận điểm của luận án, sơ đồ tiến trình tiếp cận nghiên cứu của đề tài luận án được thể hiện dưới đây (Hình 2.1).
Hình 2.1. Khung logic tiến trình nghiên cứu
+ Bước 1: Xác định được diện tích các loại rừng, diện tích, địa điểm khu khu rừng bị mất, suy thoái và thêm mới rừng cũng như một số chỉ tiêu cấu trúc thông qua hệ thống 86 OTC được bố trí trên thực địa. Các nguyên nhân ra những khó khăn trong công tác quản lý tài nguyên và gây ra mất rừng, suy thoái rừng tại khu vực được xác đinh thông qua điều tra xã hội học. Kết quả chính của bước 1 làm tiền đề, căn cứ cho bước 2.
+ Bước 2: Lựa chọn công nghệ địa không gian, ảnh viễn thám và chỉ số viễn thám, tính toán, xác lập ngưỡng phù hợp phát hiện mất rừng, suy thoái rừng, thêm rừng trên thực tế đã được xác định.
+ Bước 3: Phân tích chỉ số ARVI trên ảnh để xác địng ngưỡng chỉ số thể hiện các khu vực đã mất rừng, khu rừng bị suy thoái và các khu vực thêm mới rừng. Sử dụng các điểm mẫu thực tế trên thực địa (các mẫu định ngưỡng) để xác định chính xác vị trí các khu vực phân tích trên ảnh, lấy giá trị phân tích.
+ Bước 4: Kiểm chứng kết quả định ngưỡng. Sử dụng các điểm mẫu thực tế trên thực địa (khác với các mẫu định ngưỡng) theo từng ngưỡng chỉ số với từng đối tượng: khu đất trống đã mất rừng, khu rừng bị suy thoái và các khu vực thêm mới rừng, qua đó đánh giá độ chính xác của phương pháp.
+ Bước 5: Luận án tiến hành đề xuất và định hướng ứng dụng công nghệ địa không gian vào quản lý nguồn tài nguyên rừng khu vực Vườn Quốc gia Nam Ka Đinh.
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.2.1. Nội dung 1: Phương pháp điều tra, đánh giá thực trạng nguồn tài nguyên, đặc trưng cớ bản một số kiểu rừng
(i). Xác định kiểu rừng/trạng thái rừng phân bố ở khu vực VQGNKĐ:
Kiểu rừng/trạng thái xác định theo hệ thống phân loại được quy định trong Luật Lâm nghiệp Lào 2019 (National Assembly, 2019) [45]. Theo Điều 16, khoản 7, điểm a, b, c, d. Kiểu rừng được phân theo thành phần loài cây và trạng thái rừng được phân loại dựa theo trữ lượng rừng (rừng giàu, trung bình, nghèo, nghèo kiệt, rừng chưa có trữ lượng)(tương tự Thông tư 33/2018/TT-BNNPTNT.
(ii). Phương pháp xác định đặc điểm các trạng thái rừng
Để thu thập đầy đủ đặc điểm cấu trúc, trạng thái rừng, đề tài luận án tiến hành lập các tuyến điều tra. Tuyến điều tra là tuyến điển hình (điển hình theo kiểu rừng), đại diện trên các kiểu rừng, chiều dài tuyến không xác định (theo chiều dài của kiểu rừng). Trên mỗi tuyến, có lập một số ô tiêu chuẩn (OTC) làm điểm mẫu điều tra. Trình tự các bước thiết lập tuyến, điểm mẫu và thực hiện điều tra hiện trường, đo đếm các chỉ tiêu nghiên cứu được thực hiện theo các bước sau.
Sơ bộ xác định số lượng tuyến, vạch tuyến trên bản đồ phân bố hiện trạng và lập ô tiêu chuẩn theo kiểu rừng
Thông qua các tài liệu sơ cấp hiện có (bản đồ phân bố hiện trạng kiểu tài nguyên rừng; diện tích các kiểu rừng,v.v), kết hợp với tham vấn các cán bộ chuyên môn phòng Kỹ thuật và các cán bộ quản lý, kiểm lâm địa bàn của Vườn Quốc gia để nắm bắt các kiểu rừng.
Căn cứ vào kết quả thu thập tài liệu sơ cấp, đề tài luận án đã xác định và vạch ra các tuyến điển hình, lập ra ô tiêu chuẩn điều tra theo 2 kiểu rừng trên bản đồ và trên thực địa tại khu vực VQGNKĐ. Số lượng tuyến, ô tiêu chuẩn trên 2 kiểu rừng trong toàn khu vực VQGNKĐ đã lập được thống kê trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Số lượng tuyến, ô tiêu chuẩn trên các kiểu rừng
TT Tuyến theo kiểu rừng/ trạng thái Số OTC Mã số OTC
1 Rừng lá rộng thường xanh 50 Từ số 1- 50
1.1 Tuyến trên trạng thái rừng giàu (M > 200 m3/ha) 10 Từ số 1- 10 1.2 Tuyến trên trạng thái rừng trung bình (100
m3/ha < M ≤ 200 m3/ha) 10 Từ số 11- 20
1.3 Tuyến trên trạng thái rừng nghèo (50 m3/ha <
M ≤ 100 m3/ha) 10 Từ số 21- 30
1.4 Tuyến trên trạng thái rừng nghèo kiệt nghèo
(10 m3/ha < M ≤ 50 m3/ha) 10 Từ số 31- 40 1.5 Tuyến trên trạng thái rừng chưa có trữ lượng
(M < 10 m3/ha) (rừng đang phục hồi) 10 Từ số 41- 50
2 Rừng trồng (3 OTC/cấp tuổi - 5 năm/ 1
cấp tuổi) 36 Từ số 51- 86
2.1 Tuyến theo rừng trồng Keo 9 Từ số 51- 59 2.2 Tuyến theo rừng tròng Bạch đàn Urophyla 9 Từ số 60 - 68 2.3 Tuyến theo rừng trồng Tếch 9 Từ số 69- 77
2.4 Trồng cây Cao su 9 Từ số 78- 86
a) Lập ô tiêu chuẩn nghiên cứu:
Vị trí các OTC được xác đinh theo phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng (stratified random sampling). Các ô tiêu chuẩn nghiên cứu là OTC điển hình, có tính đại diện (đại diện theo từng kiểu rừng/trạng thái rừng/khu rừng suy thoái), hình chữ nhật với diện tích 500 m2 cho đối tượng là rừng trồng và 2000 m2 cho đối tượng là rừng tự nhiên. Vị trí các OTC cách xa đường mòn ít nhất 10 m, không vượt qua dông, qua khe. Trên OTC, lập 5 ODB với diện tích mỗi ODB là 25 m2 (5 m x 5 m) để điều tra cây tái sinh và cây bụi, thảm tươi đối với khu phục hồi (rừng thứ sinh sau nương rẫy).
Cách lập OTC được thể hiện theo sơ đồ dưới đây.
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí ô dạng bản trong OTC
Trong đó: 1, 2, 3, 4, 5 là các ô dạng bản, có diện tích 25 m2 (5 m x 5 m)
Sau khi lập được OTC, tiến hành đóng 4 cọc gỗ tại các vị trí là 4 góc vuông và 1 cọc tại vị trí chính tâm của ô tiêu chuẩn.
b) Thu thập số liệu về đặc điểm cấu trúc rừng
Tầng cây cao
- Xác định tên cây cho từng cá thể theo tên khoa học (latin), tên phổ thông Lào, tên Việt Nam (nếu có) và tên địa phương ở Lào, những loài không xác định được trực tiếp tại rừng, lấy tiêu bản để giám định tên.
- Đường kính ngang ngực D1.3 (cm) được đo bằng thước kẹp kính tại vị trí 1.3 m tất cả các cây có đường kính từ 6 cm trở lên,
- Chiều cao vút ngọn Hvn (m) và chiều cao dưới cành Hdc (m): được đo bằng máy đo cao laser (Nikon forestry Pro), đo chiều cao tất cả các cây có đường kính từ 6 cm trở lên.
- Đánh giá chất lượng cây thông qua các chỉ tiêu hình thái theo 2 cấp: (1) Cây đạt phẩm chất gồm nhưng cây có chất lượng tốt đến trung bình; (2) Cây không đạt phẩm chất là những cây xấu.
Kết quả đo được thống kê vào phiếu điều tra tầng cây cao được ghi theo mẫu biểu (phụ biểu 2.1).
Cây tái sinh
Điều tra cây tái sinh được tiến hành trên các ODB . Cây tái sinh được điều tra từ giai đoạn cây mạ đã vượt qua lớp cây bụi, thảm tươi dưới OTC cho đến giai đoạn cây tái sinh chưa tham gia vào tầng tán rừng (D1.3< 6cm).