Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TƯ LIỆU VIỄN THÁM VÀ GIS
1.2. Khái quát về GIS
1.2.4. Vai trò của dữ liệu GIS trong nghiên cứu lớp phủ mặt đất….…
GIS được biết đến như một công đắc lực trong việc quản lý, phân tích những dữ liệu không gian trong việc xây dựng các bản đồ, cung cấp thông tin địa lý của một khu vực nào đó trên mặt đất. Những thông tin này giúp ích cho rất nhiều lĩnh vực, với sự hỗ trợ của máy vi tính, GIS có thể cung cấp nhiều thông tin về nhiều vấn đề cùng lúc tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng. Thực chất việc tạo bản đồ là biến đổi các dữ liệu đầu vào thành dạng số để GIS có thể hiểu, xử lý và xây dựng thành bản đồ với sự trợ giúp của máy vi tính. Đây là một quá trình đòi hỏi người sử dụng phải biết nhiều chương trình máy tính. Thông tin được nhập vào qua một phần mềm chuyên dụng đảm bảo độ chính xác, mỗi một chương trình trong phần mềm trong hệ thống GIS có một chức năng riêng không thể thiếu được để có thể tạo ra một tờ bản đồ thành quả.
Để làm được một tờ bản đồ chuyên đề nói chung và bản đồ lớp phủ mặt đất nói riêng thì đầu vào của GIS có thể là số liệu đo đạc ngoại nghiệp, bản đồ hoặc ảnh, thông qua quá trình xử lý và đầu ra của GIS là bản đồ, bảng biểu thống kê không gian như điểm đường, diện tích, chu vi, cùng các thông tin của các loại đối tượng.
50
Như vậy ta có thể thấy muốn xây dựng muốn xây dựng một tờ bản đồ lớp phủ mặt đất từ số liệu đo đạc ngoại nghiệp thì cần tách các lớp số liệu thành các tệp dữ liệu để đưa vào máy, GIS sẽ biến đổi, xử lý và xây dựng thành bản đồ. Nếu dữ liệu đầu vào là bản đồ đã có sẵn thì ta phải tách lớp thông tin tuỳ theo mục đích nghiên cứu và sử dụng.
Nói chung dù có là số liệu đầu vào là bản đồ thì bản đồ đầu vào và đầu ra vẫn khác nhau cả về lượng và chất. Về lượng bản đồ đầu ra có thể được in ra với số lượng và tỷ lệ tuỳ ý, về chất thì ngoài những nội dung khác nhờ việc lắp ghép, chồng xếp các lớp thông tin lên nhau tuỳ theo mục đích nghiên cứu và mục đích sử dụng.
Về độ chính xác của bản đồ là thành quả chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác của số liệu đầu vào, còn sai số do quá trình kĩ thuật GIS xử lý chỉ là sai số tính toán rất nhỏ không đáng kể. Như vậy với công nghệ GIS sẽ cho ta kết quả đảm bảo độ tin cậy và chính xác.
Hình 1.24 Sơ đồ thành lập bản đồ chuyên đề bằng công nghệ GIS
1.3 Tổng quan về ứng dụng tư liệu viễn thám và GIS thành lập bản đồ lớp phủ rừng.
1.3.1 Trên thế giới
51
Viễn thám là một khoa học, thực sự phát triển mạnh mẽ qua hơn ba thập kỉ gần đây, khi mà công nghệ vũ trụ đã cho ra các ảnh số, bắt đầu được thu nhận từ các vệ tinh trên quỹ đạo của trái đất vào năm 1960. Đầu thế kỉ 20, Viễn thám được nghiên cứu và áp dụng nhiều ở các nước phát triển như Anh, Mĩ, Canada, Pháp, Nhật Bản, Đức và Liên Xô. Tuy nhiên, hệ thống bay chụp ảnh hoàn toàn thụ động, phụ thuộc hoàn toàn vào ánh sang mặt trời và điều kiện thời tiết nên chất lượng ảnh và khả năng ứng dụng ảnh viễn thám có phần hạn chế. Những thế hệ vệ tinh và máy chụp ảnh đầu tiên chỉ có thể mang lại những tư liệu ảnh viễn thám có độ phân giải rất thô với độ phân giải ảnh được tính bằng km (ảnh NOAA, METTERSAT). Trong thời kỳ này việc ứng dụng ảnh viễn thám chủ yếu vào mục đích quân sự và quản lý tài nguyên thiên nhiên nói chung trên phạm vi rộng lớn, trong đó có tài nguyên rừng nói riêng.[11]
Đầu thập kỷ 70 của thế kỷ XX, kĩ thuật viễn thám đã có những bước tiến bộ về mọi mặt như vệ tinh thế hệ mới, hệ thống máy ảnh đa năng và hệ thống thu tín hiệu, tư liệu ảnh từ các vệ tinh tốt hơn. Việc sử dụng công nghệ mới với những cải tiến rõ rệt (bước sóng cực ngắn v.v.) có thể chụp được trên mọi điều kiện thời tiết và hệ thống thu ảnh tích cực nên đã thu được ảnh có chất lượng tốt hơn với độ phân giải ảnh cao đến hàng mét (ảnh Landsat, SPOT, .v.v.). Vì vậy viễn thám đã phục vụ tốt những mục tiêu cụ thể như: phát triển nông nghiệp, lâm nghiệp, quản lý thiên tai, phát triển đô thị và phục vụ quốc phòng.[11]
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) dựa trên cơ sở công nghệ thông tin gắn liền với việc phát triển các phần mềm lớn, tích hợp được những yêu cầu cùng nhiệm vụ cần phải giải quyết trong đời sống xã hội. Đến khi hoàn thiện tự bản thân GIS đã là công cụ cơ bản và hữu hiệu mang tính cách mạng mà giới hạn của nó đến nay khó hình dung hết được. GIS đã được phát triển và ứng dụng nhiều tại các nước Anh, Pháp, Mỹ, Liên Xô cũ, …việc kết hợp chặt chẽ giữa hai công nghệ hiện đại là viễn thám và GIS đã mang lại bước đột phá trong khoa học phát triển công nghệ trong thế kỷ XX. Hiện tại trên thế giới ngày một nhiều hơn các công trình nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS phục vụ trên các lĩnh vực khác nhau về quản lý tài nguyên
52
thiên nhiên, giao thông và bảo vệ môi trường. Một số công trình đã ứng dụng thành công công nghệ viễn thám và GIS thành lập bản đồ lớp phủ rừng: [11]
- Đánh giá chức năng thảm thực vật rừng từ ảnh vệ tinh trong môi trường nhiệt đới của Kazue –Fujiwara – Trường Tổng hợp Quốc gia Yokohama – Nhật Bản và E.O.BOX – Trường Tổng hợp Georgia – Mỹ.
- Ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu hệ địa lý thảo nguyên khô và thảo nguyên rừng của M.Gan- zoring, H.Tulgaa và D.Amarsaikhan – Trung tâm Tin học và Viễn thám, Mông Cổ.
- Phân tích sự biến động che phủ rừng quá khứ và tương lại của Chandra P.Giri và Surendra Shrestha –UNEP – Thái Lan.
- Ứng dụng ảnh vệ tinh và GIS vào sự phục hồi sinh thái của Sirin Kawala- Ierd, K.Fujiwara – Trường Tổng hợp Tokyo Nhật Bản; Kitti Khanthanmit – Cục Nhà đất Hoàng gia Thái Lan; Suvit Vibulsresth – NRCT – Thái Lan.
- Ứng dụng viễn thám và GIS vào theo dõi và đánh giá thảm rừng vùng hạ lưu song Mê Công của uỷ hội song Mê Công 1995.
- Ứng dụng viễn thám và GIS vào điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biễn tài nguyên rừng của FAO theo chu kỳ 10 năm.
- Ứng dụng GIS và cơ sở kinh tế - sinh thái vào quản lý đầu nguồn: Cuối thế kỉ XX cùng với sự phát triển vượt bậc về công nghệ thông tin mà cụ thể là hệ thống thông tin địa lý và nghiên cứu kinh tế - sinh thái, các nước phát triển và một số nước đang phát triển ở Châu Á đã ứng dụng chúng vào mục đích quản lý đầu nguồn thích hợp của mình Hoa Kỳ, Liên Xô, Pháp, Đức, Anh, Trung Quốc, Thái Lan, ..vv. Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hiện đại này trong phân cấp đầu nguồn, quy hoạch sử dụng đất đai và quản lý bền vững nguồn tài nguyên thiên nhiên gắn liền với sự phát triển và ứng dụng hàng loạt các phần mềm như ENVI, ERDAS Imagine, ACK/INFOR, ARC/VIEW, MAPINFO,…các mô hình đánh gái hiệu quả kinh tế sinh thái thông qua tính toán thống kê. Trong những năm 70 và 80 của thế kỉ XX, nghiên cứu của FAO về hiệu quả kinh tế - môi trường đã đóng góp những giá trị thực tế vào phát triển bền vững: Năm 1979 phương pháp Raster đã được áp dụng
53
lần đầu tiên vào phân cấp đầu nguồn ở Thái Lan nhờ GS.TS Đavide Wordrige năm 1989; cơ quan hợp tác và phát triển Thuỵ Sỹ đã tài trợ cho dự án “Phân cấp đầu nguồn song Mê Công” do ban thư ký Uỷ hội song Mê Công thực hiện. Dự án này được triển khai vào tháng cuối của năm 1990 và bao gồm các nước Việt Nam, Lào, Campuchia.[11]
1.3.2 Tại Việt Nam
Việc tiếp cận công nghệ viễn thám và GIS ở Việt Nam muộn hơn so với Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản hay một số nước khác trong khu vực để xây dựng các loại bản đồ hiện trạng. Tuy nhiên được sự giúp đỡ về mặt kỹ thuật cũng như tài chính của các tổ chức quốc tế, đặc biệt là FAO thì công nghệ viễn thám và GIS được ứng dụng vào Việt Nam mạnh hơn vào những năm 1980. Dự án VIE -76- 014 lần đầu tiên xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất và các trạng thái rừng trên cơ sở sử dụng ảnh viễn thám LANDSAT và bước đầu tiếp cận công nghệ GIS. Đây chính là thời điểm quan trọng đánh dấu sự phát triển của việc ứng dụng viễn thám và GIS vào hoạt động lâm nghiệp nói chung và vào điều tra quy hoạch rừng nói riêng ở Việt Nam . Từ đó đến nay công nghệ viễn thám và GIS đã được ứng dụng rộng rãi hơn và trở thành công cụ không thể thay thế trong lĩnh vực đánh giá theo dõi tài nguyên thiên nhiên, trong đó có tài nguyên rừng. Đặc biệt từ những năm đầu 1990 trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ cùng với sự hợp tác và giúp đỡ của các tổ chức quốc tế, việc ứng dụng cộng nghệ GIS và viễn thám và GIS đã thu được nhiều tiến bộ. Cụ thể là với ngành lâm nghiệp, các chương trình ứng dụng GIS và viễn thám như sau:
- Chương trình điều tra nguyên liệu giấy (1972 – 1985) - Chương trình hợp tác lâm nghiệp Việt Nam – Thuỵ Điển.
- Dự án ứng dụng viễn thám để theo dõi biến động các khu bản tồn tự nhiên (1991 – 1995) – WWF.
- Chương trình theo dõi và đánh giá biến động tài nguyên rừng (1991 – 1995) – FIFI.
54
-Dự án theo dõi độ che phủ rừng hạ lưu song Mê Công (1993 -1995) –Uỷ ban Mê Công.
- Chương trình theo dõi, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng (1996 -2000) – Viện điều tra quy hoạch rừng..vv.
Cuối thế kỉ XX công nghệ viễn thám và GIS có bước phát triển vượt bậc, được nghiên cứu và ứng dụng để quản lý tài nguyên đất đai trong đó có phân cấp phòng hộ đầu nguồn. Sự kết hợp của công nghệ GIS và nghiên cứu kinh tế sinh thái có ý nghĩa quan trong trong việc quản lý tài nguyên thiên nhiên, điều tiết nguồn nước, hạn chế xói mòn đất và bảo vệ môi trường, chống ô nhiễm nguồn nước.[11]
+ Năm 1958, với sự hợp tác của CHDC Đức đã sử dụng ảnh máy bay đen trắng toàn sắt tỷ lệ 1/30.000 để điều tra từng ở vùng Đông Bắc.
+ Năm 1968 đã sử dụng ảnh máy bay trong công tác điều tra rừng cho lâm trường Hữu Lũng, Lạng Sơn dựa vào ảnh máy bay, khoanh ra các loại rừng sau đó ra thực địa kiểm tra và đo đếm cho từng loại rừng, xây dựng bản đồ hiện trạng thành quả.
+ Giai đoạn 1970 – 1975 ảnh máy bay được sử dụng rộng rãi để xây dựng các bản đồ hiện trạng, bản đồ mạng lưới vận xuất, vận chuyển cho nhiều vùng thuộc miền Bắc.
+ Từ 1981 – 1983 Viện điều tra quy hoạch rừng thực hiện chương trình điều tra và đánh giá rừng toàn quốc lần thứ nhất. Trong chương trình này có sự kết hợp của ảnh vệ tinh do FAO hỗ trợ kết hợp với điều tra mặt đất. Loại ảnh vệ tinh sử dụng là ảnh Landsat MSS và thành quả đạt được và toàn bộ số liệu về diện tích, trữ lượng các loại rừng theo từng tỉnh và trên phạm vi toàn quốc.
+ Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm 1991 – 1995. Trong chương trình này bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng được xây dựng dựa trên những bản đồ hiện trạng rừng hiện có thời kì trước năm 1990, sau đó dùng ảnh vệ tinh Landsat MSS và Landsat TM có độ phân giải 30m x 30m để cập nhật những khu thay đổi sử dụng đất, những nơi mất rừng hoặc những nơi có rừng trồng mới hay mới tái sinh phục hồi.
55
Giải đoạn 1991 – 1995, Viện điều tra quy hoạch rừng sử dụng ảnh vệ tinh Landsat TM+ để xây dựng bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1/250.000 cho vùng và 1/1.000.000 cho toàn quốc, đây là những bản đồ hiện trạng rừng đầu tiên của Việt Nam được xây một cách đồng bộ trên phạm vi toàn quốc.
Chương trình điều tra đánh giá và theo dõi diễn biễn tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm giai đoạn 1996 -2000. Trong chương trình này ảnh vệ tinh đã sử dụng là SPOT 3, độ phân giải là 15m x15m, phù hợp với việc xây dựng bản đồ tỷ lệ 1/100.000 .Ảnh SPOP 3 được tổ hợp màu giả.
+ Chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm giai đoạn 2000 – 2005. Trong chương trình nay thì phương pháp xây dựng bản đồ chu kì III đã được phát triển lên một bước. Lần này, bản đồ hiện trạng rừng được xây dựng từ ảnh số vệ tinh Landsat ETM+. Ở đây ảnh không được in dưới dạng giấy in (hardcopy) mà để nguyên ở dạng số, lưu trữ trong CD. Viện điều tra quy hoạch rừng đã ứng dụng công nghệ giải đoán ảnh số với sự trợ giúp của phần mềm chuyên dụng Erdas imagine 8.5. Việc giải đoán được thực hiện trong phòng dựa trên những mẫu khoá giải đoán ảnh đã được kiểm tra ngoại nghiệp.
+ vừa qua chúng ta đã thực hiện chương trình điều tra, đánh giá và theo dõi diễn biến tài nguyên rừng giai đoạn 2006- 2010( chu kì IV). Trong chương trình này thì việc xây dựng hệ thống bản đồ và số liệu hiện trạng tài nguyên rừng sử dụng ảnh vệ tinh SPOT 5 độ phân giải 2.5m trên phạm vi toàn quốc do Bộ Tài nguyên và Môi trường cung cấp làm cơ sở biên tập và nắn chỉnh xây dựng các loại bản đồ. Hiện trạng tài nguyên rừng tỷ lệ 1/25.000 cho 1000 xã trọng điểm Lâm Nghiệp; hiện trạng rừng tỷ lệ 1/50.000 cho các huyện, các tỷ lệ 1/100.000; 1/250.000;
1/1.000.000 cho cấp tỉnh vùng và trên toàn quốc.
+ Ngoài chương trình điều tra đánh giá theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc thì còn rất nhiều chương trình đề tài khác cũng ứng dụng viến thám như:
- Luận án tiến sĩ chuyên ngành khoa học địa lý của Trần Văn Thuỵ (1996) với đề tài “Ứng dụng phương pháp viễ thám để thành lập bản đồ thảm thực vật tỉnh Thanh Hoá, tỷ lệ 1/200.000”. Tác giả sử phương pháp ảnh viễn thám bằng
56
mắt trên ảnh tổ hợp màu tự nhiên từ tư liệu ảnh Landsat TM, KFA -100, Landsat MSS, KT -200 và ảnh máy bay đen trắng để thành lập bản đồ thảm thực vật tỉnh Thanh Hoá.
- Luận án tiến sĩ chuyên ngành ảnh hàng không của Chu Thị Bình (2001) với đề tài “ Ứng dụng công nghệ tin học để khai thác thông tin cơ bản tren tư liệu viễn thám, nhằm phục vụ việc nghiên cứu một số đặc trưng rừng Việt Nam”.
Đề tài đã sử dụng chỉ số thực vật NDVI và tổng năng lượng phản xạ TRRI với tư liệu viễn thám ADEOS và Landsat TM để phân loại các trạng thái rừng và giám sát biến động rừng giai đoạn 1989 – 1998 cho hai khu vực Quảng Nam và Đồng Nai.
Phương pháp xử lý số được sử dụng trong đề tài là phân loại đa phổ có kiểm định..vv.
Các kết quả thu nhận được của các đề tài nghiên cứu trên có ý nghĩa góp phần xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp luận về ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS vào nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên nói chung và tài nguyên rừng nói riêng.