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
1.3.1.1. Xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng viễn thám quang học
Việc nghiên cứu, ứng dụng dữ liệu viễn thám quang học để tính sinh khối rừng trên mặt đất đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. Căn cứ theo độ phân giải không gian của ảnh có thể phân loại ứng dụng dữ liệu viễn thám quang học trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất thành độ phân giải cao, trung bình và thấp.
1. Sử dụng dữ liệu viễn thám độ phân giải cao
Viễn thám hàng không, hay nói cách khác là chụp ảnh trên máy bay được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới trong công tác điều tra khảo sát rừng, đây là phương pháp có lịch sử lâu đời từ cuối những năm 1940. Ảnh chụp trên máy bay được giải đoán để chiết tách thông tin thuộc tính rừng như độ cao cây, đường kính tán, độ phủ tán, diện tích rừng. Các thông tin này kết hợp với số liệu đo thực địa (số liệu đo đạc ô tiêu chuẩn) và sử dụng phương pháp hồi quy để tính sinh khối rừng [30, 97].
Hạn chế của dữ liệu này là phản xạ phổ biến động lớn do bóng của tán
32
cây và bóng của địa hình. Điều này có thể dẫn đến sai số lớn cho mô hình tính sinh khối rừng. Ngoài ra, dữ liệu lớn (số lượng ảnh, dung lượng dữ liệu) cũng gây khó khăn không nhỏ cho vấn đề để xử lý dữ liệu. Điểm hạn chế cuối cùng là giá thành của dữ liệu cao [67].
Ngày nay, dữ liệu viễn thám vệ tinh độ phân giải cao như Quickbird, Worldview, Geoeyes… được dùng để tính sinh khối rừng thông qua phân tích các thông số sinh lý của cá thể thực vật như cấu trúc cây và cấu trúc tán cây [65]. Các phương pháp chiết tách thông số sinh lý của cá thể thực vật gồm các thuật toán có dạng từ dưới lên: tách đường bao tán cây nhờ vào bóng tán và hướng của cấu trúc tán cây, hoặc các thuật toán có dạng từ trên xuống liên quan đến việc xác định đỉnh tán cây, điểm thấp nhất của tán cây và nhóm các pixel thuộc mỗi tán [28, 96].
2. Sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải trung bình
Tư liệu ảnh viễn thám độ phân giải trung bình (20 -100 m) như ảnh LANDSAT, ASTER thường được sử dụng trong các nghiên cứu sinh khối lớp phủ rừng đa thời gian nhờ lợi thế của nguồn dữ liệu dồi dào được lưu trữ từ những năm 70 của thế kỷ trước. Các thuật toán chính để xác định sinh khối trên mặt đất của rừng sử dụng ảnh viễn thám độ phân giải trung bình như phương trình hồi quy tuyến tính, K nearest-neighbour, và mạng nơ ron [41, 44, 64].
Các nghiên cứu xác định sinh khối rừng bằng dữ liệu viễn thám quang học độ phân giải trung bình cũng đã có những thành tựu nhất định. Foody và cộng sự đã kết luận, phương pháp mạng nơ ron áp dụng tốt trong tính sinh khối rừng trên mặt đất khi dùng ảnh Landsat cho khu vực rừng nhiệt đới ở đảo Borneo [41]. Một số nghiên cứu ở Phần Lan, Thụy Điển dùng ảnh Landsat để tính khối lượng gỗ và sinh khối rừng trên mặt đất bằng phương pháp K nearest-neighbour [44]. Nelson đã phân tích tuổi rừng tái sinh và tính
33
sinh khối rừng trên mặt đất bằng ảnh Landsat và nhận thấy rằng cần phải tính đến tuổi rừng trong ước tính sinh khối rừng trên mặt đất [75].
Các nghiên cứu thường dùng dấu hiệu phản xạ của đối tượng thực vật, còn gọi là chỉ số thực vật để ước tính sinh khối trên mặt đất [67, 73]. Phương pháp dùng chỉ số thực vật có thể làm giảm ảnh hưởng của độ phản xạ của các yếu tố môi trường đến kết quả phân tích nên chỉ số này luôn được áp dụng đặc biệt cho vùng rừng có cấu trúc phức tạp. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của phương pháp này là chỉ số thực vật có mối liên hệ mật thiết với hàm lượng chất diệp lục trong lá cây mà ít phụ thuộc vào cành và thân cây, thành phần có hàm lượng sinh khối lớn nhất. Như vậy, chỉ số thực vật phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết. Ví dụ: khí hậu mùa xuân, mùa hạ thuận lợi cho thực vật phát triển thì hàm lượng chất diệp lục cao, trái lại đến mùa đông thì hàm lượng chất diệp lục trong lá sẽ giảm xuống nên việc xác định sinh khối sẽ rất khác biệt phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết và loại cây.
Phân tích cấu trúc ảnh là phương pháp thường được dùng trong xác định tính sinh khối trên mặt đất. Một số nghiên cứu còn kết hợp các kỹ thuật chiết tách thông tin phổ và cấu trúc ảnh để làm tăng độ chính xác của phân tích các thông số rừng. Nghiên cứu ở vùng rừng nhiệt đới Amazon của Brazil cho thấy đối với kiểu rừng có cấu trúc phức tạp thì phương pháp phân tích cấu trúc ảnh để tính sinh khối bề mặt đất tốt hơn so với sử dụng phản xạ phổ trên ảnh.
Trong khi đó, sử dụng phản xạ phổ lại có ưu điểm hơn phương pháp phân tích cấu trúc ảnh trong trường hợp nghiên cứu rừng có cấu trúc tương đối đơn giản. Các nghiên cứu theo phương pháp này đến nay vẫn chưa tìm ra một quy ước chung để xác định phương pháp phân tích, kích thước cửa sổ lọc ảnh, và số kênh ảnh cần thiết trong mỗi vùng nghiên cứu đặc trưng [67].
Sử dụng ảnh viễn thám quang học để tính sinh khối rừng trên mặt đất cũng gặp vấn đề bão hòa dữ liệu khi sinh khối rừng đạt 15 kg/m2 hoặc tuổi
34
rừng đạt 15 năm ở những cánh rừng thứ sinh nhiệt đới [67, 94]. Cấu trúc phức tạp của rừng, tính phức tạp của môi trường, ảnh hưởng của bóng tán và bóng địa hình là các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả tính toán sinh khối rừng trên mặt đất [67].
3. Ảnh viễn thám độ phân giải không gian thấp
Ảnh viễn thám độ phân giải thấp như AVHRR hay MODIS cũng thường được sử dụng trong nghiên cứu sinh khối rừng trên bình diện quốc gia, khu vực, hay toàn cầu. Tư liệu ảnh AVHRR là một nguồn tư liệu cơ sở của các nghiên cứu quy mô rộng, vì dạng tư liệu này cân đối được các yêu cầu về độ phân giải không gian, độ bao phủ của ảnh và tần suất thu nhận. Ảnh chỉ số thực vật của AVHRR được dùng để ước tính mật độ sinh khối và đánh giá khu vực xảy ra cháy rừng, năng lượng sinh khối khi bị đốt cháy và lượng khí phát thải [19, 32].
Xét một cách toàn diện, xác định sinh khối rừng trên mặt đất bằng ảnh viễn thám độ phân giải thấp còn nhiều hạn chế do hiện tượng lẫn pixel (một điểm ảnh chứa quá nhiều thông tin như dân cư, mặt nước, đất canh tác..). Mặt khác, dữ liệu vùng đo thực địa và kích thước pixel ảnh khác biệt lớn nên khó tích hợp các mẫu điều tra thực địa với biến số của ảnh viễn thám [48].