CHƯƠNG I: SINH KHỐI RỪNG VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM
1.3. Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định
1.3.1. Nghiên cứu, ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối rừng trên thế giới
1.3.1.3. Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám
Với các dấu hiệu ngày càng rõ của biến đổi khí hậu toàn cầu thì nhân loại ngày càng quan tâm đến các tác nhân gây ra biến đổi khí hậu cũng như các biện pháp có thể giảm nhẹ biến đổi khí hậu trong đó có bảo tồn và phát triển rừng. Dữ liệu RADAR với các thuộc tính kỹ thuật hết sức phong phú như bước sóng, phân cực, góc chụp cũng như việc thu thập dữ liệu chủ động
36
không phụ thuộc vào điều kiện của thời tiết trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học trong ứng dụng dữ liệu này để xác định các thông số của lớp phủ rừng trong đó có sinh khối rừng.
Từ những năm 90 của thế kỷ trước, nhiều công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố chứng tỏ tiềm năng của viễn thám RADAR trong việc xác định sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng. Với mối quan tâm ngày càng cao của xã hội đến thông tin về sinh khối rừng thì việc ứng dụng dữ liệu viễn thám RADAR trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây [21, 31, 52, 61, 80-81, 83-84].
Đối với các ứng dụng về thành lập bản đồ sinh khối rừng, việc khai thác nguồn dữ liệu RADAR cho tới nay được thực hiện bằng hai phương pháp chính đó là phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp [57]. Phương pháp trực tiếp thiết lập mối quan hệ giữa sinh khối và tín hiệu RADAR phản hồi trên cơ sở cường độ tán xạ ngược (backscatter) hoặc hệ số tương quan (coherence) sử dụng những kỹ thuật như phân tích hồi quy, mạng nơ ron… . Trong khi đó, phương pháp gián tiếp ước tính sinh khối dựa trên việc sử dụng tham số chiều cao cây kết hợp với việc sử dụng phương trình sinh trưởng.
Phương pháp này có thể được thực hiện được bằng các kỹ thuật giao thoa InSAR hoặc PolInSAR dựa trên trị đo pha (phase-based).
1. Phương pháp tính sinh khối bằng trị đo cường độ tán xạ
Từ những năm đầu của thập kỷ 1990, mối quan hệ giữa tán xạ ngược của sóng siêu cao tần và tổng sinh khối rừng trên mặt đất đã được nghiên cứu tại nhiều khu vực thử nghiệm khác nhau. Phương pháp này dựa trên cơ sở vật lý, đó là sóng RADAR với bước sóng dài có khả năng xuyên vào sâu trong tán lá và tương tác với các thành phần của cây như lá, cành và thân cây. Khi tương tác với các thành phần khác nhau của cây với hằng số điện môi tương đối
37
khác nhau sẽ làm thay đổi thuộc tính của tia phản hồi về cường độ và phân cực, những thay đổi này tương quan với thuộc tính của cây hay nói cụ thể hơn là tia phản hồi mang thông tin về sinh khối của cây nhờ đó có thể tính được sinh khối của lớp phủ thực vật trên mặt đất [99].
Một trong các nghiên cứu đầu tiên có thể kể đến là sử dụng dữ liệu RADAR kết hợp với số liệu thực địa để tính sinh khối rừng trên mặt đất thông ở vùng Landes (Pháp) với những giai đoạn sinh trưởng khác nhau (từ 8 năm tuổi đến 46 năm tuổi) trên địa hình tương đối bằng phẳng, Le Toan cùng các cộng sự [61] nhận thấy rằng dữ liệu dải tần L có nhiều tiềm năng để nội suy sinh khối trên bề mặt đất, nhưng nổi bật nhất là dải tần P với sự tương quan mạnh và độ nhạy cao nhất đối với sinh khối rừng [68]. Đồng thời, cường độ tán xạ ngược của ảnh phân cực chéo HV có hệ số tương quan lớn nhất với sinh khối rừng (R2P(HV) = 0,95).
Tiến hành các thử nghiệm tại Freiburg (Đức), Rauste cùng các cộng sự [81] đã chỉ ra rằng, hệ số tương quan cao nhất giữa sinh khối rừng và tán xạ ngược thấp hơn so với các kết quả nghiên cứu khác như của Le Toan cùng các cộng sự. Nguyên nhân chủ yếu được xác định là do ảnh hưởng của các nhân tố như độ dốc địa hình và đặc điểm tự nhiên của rừng. Ở khu vực nghiên cứu này, các cánh rừng chủ yếu là rừng hỗn giao không có một loài cây nào là thuần nhất. Đồng thời, khoảng dao động của sinh khối rừng trên khu vực nghiên cứu này cũng cao hơn so với các khu vực nghiên cứu khác.
Áp dụng phương pháp mô hình tán xạ ngược RADAR, Ranson và Sun [80] đã chỉ ra rằng tỷ số giữa hệ số tán xạ ngược HV của các dải tần có bước sóng dài (kênh P, kênh L) với các dải tần có bước sóng ngắn hơn (kênh C) sẽ làm tăng sự tương quan và độ nhạy của dữ liệu SAR đối với sinh khối. Cụ thể, tỷ số L/C (HV) cho kết quả kém hơn so với tỷ số P/C (HV) nhưng vẫn tốt hơn so với trường hợp chỉ sử dụng dữ liệu L (HV).
38
Một trong những vấn đề đáng lưu tâm khác cũng đã được chỉ ra trong các kết quả nghiên cứu là mối quan hệ giữa tán xạ ngược RADAR và sinh khối sẽ chỉ tuyến tính đến một ngưỡng giá trị nhất định thì bão hòa. Sau đó, khi sinh khối tăng thì hệ số tán xạ ngược cũng không tăng nữa. Giá trị ngưỡng này phụ thuộc vào chiều dài bước sóng, sự phân cực, các tính chất về cấu trúc của lớp thực vật và điều kiện của bề mặt. Thử nghiệm với rừng thông ở Landes (Pháp), Dobson cùng các cộng sự [31] thấy rằng, ở dải tần P, mức bão hòa đạt đến 200 tấn/ha và ở dải tần L, mức bão hòa đạt đến 100 tấn/ha.
Ranson và Sun [80] cũng chỉ ra rằng dữ liệu phân cực HV ở các dải tần có bước sóng dài (P, L) thường cho kết quả tốt khi sinh khối trên mặt đất nhỏ hơn 150 tấn/ha. Và tỷ số giữa tán xạ ngược của các dải tần có bước sóng dài với tán xạ ngược của các dải tần số bước sóng ngắn có thể giúp nâng cao mức bão hòa.
Dựa trên kết quả thực nghiệm sử dụng dữ liệu SAR đa tần, đa phân cực như AIRSAR, SIR-C/X SAR, các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các thông số của RADAR như chiều dài bước sóng, sự phân cực và góc tới có ảnh hưởng lớn tới mối quan hệ giữa sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng và tán xạ ngược trên ảnh RADAR. Tán xạ ngược của RADAR tại các dải tần có bước sóng dài (kênh P, kênh L) và phân cực chéo HV nhạy cảm hơn với sinh khối so với bước sóng ngắn hơn. Theo đó, tán xạ ngược kênh P, phân cực HV có độ nhạy lớn và kênh C phân cực VV có độ nhạy kém hơn đối với sinh khối rừng trên mặt đất. Đồng thời, độ nhạy của cường độ tán xạ ngược đối với sự thay đổi của sinh khối sẽ bão hòa sau khi đạt đến một mức độ nhất định. Mức độ bão hòa của các dải tần có bước sóng dài hơn sẽ cao hơn. Thông thường, mức độ bão hòa của dải tần P phân cực HV có thể đạt tới ngưỡng 200 tấn/ha, dải tần L phân cực HV đạt tới ngưỡng 150 tấn/ha và dải tần C phân cực HV đạt tới ngưỡng 50 tấn/ha [63, 102].
39
Sự tương tác của sóng RADAR với lớp phủ rừng ngoài sự phụ thuộc vào chiều dài của bước sóng còn phụ thuộc vào kiểu rừng cũng như điều kiện địa hình, thổ nhưỡng của rừng. Các nghiên cứu hiện nay trên thế giới sử dụng tán xạ ngược ảnh RADAR để nghiên cứu sinh khối trên mặt đất của rừng chủ yếu được thực hiện với rừng phương Bắc với cây họ Thông. Rừng ôn đới thường có đặc điểm là các chủng loại loài có địa bàn sinh trưởng riêng, thuần nhất và cấu trúc tán đơn giản. Ngược lại, rừng nhiệt đới với đặc điểm đa dạng sinh học thường bao gồm hàng chục loài phân bố ở những tầng khác nhau của thảm thực vật rừng và có cấu trúc tán phức tạp. Mặc dù nghiên cứu trên thế giới trong ứng dụng giá trị tán xạ ngược trên ảnh để xác định sinh khối trên mặt đất đối với rừng nhiệt đới là chưa nhiều nhưng cũng có những thành công nhất định như các nghiên cứu của Wenjian trong xác định sinh khối rừng phía nam Trung quốc [103], Steininger đối với rừng Brazil và Bolivia [94], Romshoo và Simada [82] sử dụng mô hình lý thuyết để phân tích các cơ chế tán xạ RADAR-thảm thực vật và để mô phỏng ảnh hưởng của cấu trúc tán rừng đến hệ số tán xạ ngược đối với thảm thực vật rừng Đông Nam Á ở Chiang Mai (Thái Lan). Những thành công trong việc sử dụng giá trị tán xạ ngược trên ảnh RADAR để tính sinh khối rừng là động lực khích lệ để có thể áp dụng phương pháp này trong nghiên cứu sinh khối trên mặt đất lớp phủ rừng tại nước ta. Tuy nhiên, để có thể áp dụng phương pháp này vào trong thực tiễn cần phải có những nghiên cứu cho đặc thù của rừng ở nước ta.
2. Phương pháp ước tính sinh khối bằng trị đo tương quan
Phương pháp này sử dụng giá trị tương quan (coherence image) giữa hai ảnh SAR được thu nhận cách nhau một khoảng thời gian ngắn sử dụng kỹ thuật giao thoa. Việc tính toán sinh khối trên mặt đất lớp phủ rừng dựa trên giả thiết, thực vật với sinh khối lớn có sự ổn định cao và ít bị tác động của môi trường (gió, mưa) nên giá trị tương quan cao trên ảnh hơn so với thực vật
40
có sinh khối thấp hơn. Nghiên cứu sinh khối trên mặt đất của lớp phủ rừng sử dụng giá trị tương quan của cặp ảnh RADAR được thực hiện nở rộ vào đầu những năm 2000 khi vệ tinh ERS1/2 của ESA được phóng lên cho khả năng chụp ảnh theo cấu hình tandem và đã có những thành tựu nhất định đối với rừng phương Bắc, cây họ Thông. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ, sử dụng trị tương quan có thể nghiên cứu sinh khối tới 300 t/ha [45, 62, 78].
Gaveau cùng các cộng sự [47] đã sử dụng ảnh tương quan thu được từ phép giao thoa với cấu hình tandem ERS-1/2 để phân loại sinh khối rừng trên một khu vực rộng lớn ở Siberia (Nga). Kết quả cho thấy, hệ số tương quan suy giảm tương ứng với sự gia tăng về số lượng và chiều cao của các thành phần như lá và cành. Những thành phần này luôn trong trạng thái bị dịch chuyển do ảnh hưởng của gió, độ ẩm, nhiệt độ nên dẫn đến sự bất tương quan theo thời gian. Đồng thời, hệ số tương quan cũng có độ nhạy với sự thay đổi của sinh khối rừng cao hơn so với cường độ tán xạ ngược của dải tần C và L.
Phương pháp xác định sinh khối rừng trên mặt đất từ giá trị tương quan của ảnh cũng có nhược điểm đó là sự tương quan giữa các ảnh RADAR phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
Chiều dài bước sóng ảnh hưởng đáng kể đến tương quan giữa hai ảnh.
Đối với RADAR bước sóng ngắn (kênh C, kênh X) thì sóng RADAR tương tác chủ yếu với lá cây, cọng và những cành nhỏ vốn chịu nhiều ảnh hưởng của các điều kiện môi trường, đặc biệt là gió. Đối với những địa điểm rừng khác nhau, hệ số tương quan sẽ giảm khi số lượng lá, cọng và cành nhỏ tăng lên [74].
Sinh khối rừng cũng là yếu tố ảnh hưởng đến tương quan giữa hai ảnh, sinh khối càng cao thì sự tương quan càng cao. Tuy nhiên, khi sinh khối tăng lên đến một ngưỡng nhất định, hệ số tương quan sẽ nhanh chóng suy giảm và đạt tới mức độ nhiễu (noise level) [74].
41
Sự khác biệt về thời gian chụp ảnh cũng ảnh hưởng đến độ tương quan của cặp ảnh RADAR giao thoa. Nó xảy ra trong trường hợp hai ảnh được chụp ở thời điểm khác nhau thông thường thời điểm chụp ảnh cách nhau khoảng 1 tháng khi chụp ảnh giao thoa sử dụng 1 vệ tinh (single pass). Khi đó, sự thiếu tương quan do khác về thời điểm chụp ảnh chủ yếu gây ra bởi sự thay đổi của bề mặt quan trắc (Độ ẩm nền đất bên dưới lớp phủ thực vật, ảnh hưởng của gió tới lớp phủ thực vật…) cũng như sự thay đổi điều kiện thời tiết. Những sự thay đổi này cũng phụ thuộc vào các vùng địa lý khác nhau. Ví dụ, ở những vùng khí hậu khô, sự thay đổi theo thời gian trong 1 năm vẫn có thể bảo đảm các điều kiện tốt cho sự tương quan giữa hai ảnh, trong khi ở các vùng rừng nhiệt đới, sự thay đổi do thời gian trong 1 ngày như cấu hình tandem vẫn có thể không đảm bảo sẽ cho kết quả tốt [98].
Sự khác biệt về quỹ đạo dẫn đến sự chênh lệch của trị đo khoảng cách giữa mục tiêu và các vị trí của RADAR tương ứng với độ lệch trên quỹ đạo tại hai thời điểm thu nhận ảnh khác nhau cũng ảnh hưởng đến tương quan của ảnh. Giữa các cảnh ảnh, sự xê dịch phải không được lớn hơn một nửa độ dài bước sóng (nghĩa là một vân giao thoa) trên 1 pixel nếu không hiệu ứng giao thoa sẽ bị triệt tiêu. Để thỏa mãn điều kiện này, các thông số quỹ đạo vệ tinh của ảnh phụ thuộc cần được hiệu chỉnh tương đối so với ảnh chủ với độ chính xác cỡ vài xăng ti mét [105].
Khi tia RADAR đi qua tầng khí quyển sẽ bị giảm tốc độ hay còn gọi là hiệu ứng trễ tín hiệu do khí quyển, và hiệu ứng này tại những thời điểm thu nhận ảnh khác nhau sẽ không giống nhau và làm ảnh hưởng đến tương quan giữa các ảnh. Sự khác biệt này ở tầng đối lưu và đặc biệt tầng điện ly gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa RADAR và mặt đất. Hiệu ứng trễ tín hiệu do tầng điện ly đối với giao thoa độ mở tổng hợp lớn nhất ở các vùng cận xích đạo và các cực của trái đất [27].
42
Ảnh hưởng do nhiễu trị đo pha: nhiễu là kết quả của hàng loạt các nhân tố khác nhau bao gồm nhiễu nhiệt, lấy mẫu và xử lý dữ liệu, sự tương quan của các tín hiệu phản hồi riêng lẻ trước khi được kết hợp để tạo giao thoa.
Chúng được đặc tả bởi tỷ số SNR (Signal to Noise Ratio). Nhiễu này làm giảm sự tương quan của ảnh SAR [105].
3. Phương pháp ước tính sinh khối dựa trên trị đo pha
Kỹ thuật InSAR dựa trên việc khai thác vân giao thoa của hai sóng điện từ trường để ước tính độ cao của tâm pha tán xạ. Vị trí của tâm pha tán xạ phụ thuộc vào cấu trúc của thảm thực vật, các cơ chế tán xạ và tính chất của bộ cảm. Đối với khu vực có thảm thực vật rừng, tâm pha tán xạ là tổng hợp của tất cả các tín hiệu phản hồi từ một tập hợp lớn các đối tượng tán xạ bao gồm lá, cành, thân cây và mặt đất trên diện tích được xác định bởi kích thước một phần tử ảnh. Tâm phát xạ thường quy định bởi các đối tượng tương tác mạnh nhất với sóng RADAR và phụ thuộc vào tần số, sự phân cực, góc tới, cũng như độ dày của tán và mật độ rừng. Kỹ thuật giao thoa có thể được dùng để ước tính chiều cao tán rừng do trị đo pha giao thoa liên quan đến tâm tán xạ, mà nếu lựa chọn dải tần và phân cực một cách thích hợp, sẽ bao gồm cả độ cao địa hình và chiều cao của tán rừng.
Englhart và các cộng sự [35] sử dụng mô hình hồi quy kết hợp đa thời gian để tận dụng những đặc điểm của tín hiệu RADAR có bước sóng ngắn ở dải tần X và tín hiệu RADAR có bước sóng dài ở dải tần L, vốn tương tác với thảm rừng ở những độ sâu khác nhau và với những đối tượng tán xạ khác nhau. Kết quả nhận được là tổng sinh khối trên bề mặt đất của tất cả các bộ phận khác nhau của thảm thực vật rừng.
Balzter cùng các cộng sự [18] ứng dụng phương pháp giao thoa InSAR sử dụng dữ liệu E-SAR của Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Đức (DLR).
Hệ thống RADAR này cho phép cung cấp dữ liệu SAR trên hai dải tần L và
43
X. Trong đó, dải tần L với phân cực HH được thu nhận theo nguyên tắc giao thoa “repeat-pass” và dải tần X với phân cực VV được thu nhận theo nguyên tắc giao thoa “single-pass”. Phương pháp này ước tính sinh khối một cách gián tiếp thông qua tham số chiều cao cây. Dựa vào đặc điểm tán xạ của hai dải tần khác nhau L, X và sau một vài bước xử lý nội suy và làm trơn, chiều cao cây được ước tính bằng độ chênh cao giữa tâm pha tán xạ giao thoa của dải tần X (ở bên trên phía trong tán xây) với tâm pha tán xạ giao thoa của dải tần L (ở gần bề mặt đất).
Kellndorfer cùng các cộng sự [56] đã đánh giá tính khả thi của việc xác định chiều cao tán rừng từ số liệu độ cao SRTM ở dải tần C thu nhận trong năm 2000 và dữ liệu độ cao quốc gia. Đánh giá độ chính xác độ cao tuyệt đối của dữ liệu SRTM với hai khu vực không có rừng ở Iowa và Bắc Dakota cho thấy sai số theo phương thẳng đứng tương ứng là -4,0 và 1,1 m. Đồng thời, sai số tương đối theo phương thẳng đứng do nhiễu pha có thể được loại trừ đáng kể bằng phương pháp lấy mẫu trung bình. Kết quả thực nghiệm cũng chỉ ra rằng diện tích của khu vực nghiên cứu cần tối thiểu là 1.8 ha để có thể đạt được kết quả tốt.
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sử dụng dữ liệu ERS ở dải tần C, việc ước tính chiều cao tán rừng sử dụng kỹ thuật InSAR có thể được thực hiện bằng cách xác định sự thay đổi chiều cao không liên tục giữa các phần tử ảnh đại diện cho bề mặt tán rừng và các phần tử ảnh đại diện cho bề mặt đất liền kề dọc theo đường ranh giới bìa rừng. Hơn nữa, các hệ thống SAR hai tần (dual-wavelength) như TOPOSAR với dải tần X (single-pass) và dải tần P (repeat-pass) cũng cho thấy rằng các hệ thống này có thể xác định chiều cao trung bình của tán rừng và các tham số lý sinh khác. Hệ thống này xác định chiều cao cây dựa trên độ chênh cao giữa tâm pha tán xạ của dải tần X (ở phía