Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng quy trình giám sát biến động thoái hóa đất bằng công nghệ viễn thám và GIS" do nghiên cứu sinh Nguyễn Anh Tuấn thực hiện tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Bộ Tài nguyên và Môi trường, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Anh Dũng và TS. Nguyễn Quốc Khánh. Luận án thuộc ngành đào tạo Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (mã số: 9.03), được hoàn thành và bảo vệ năm 2023. Đề tài kế thừa một phần cơ sở lý luận và dữ liệu quan trắc, đo đạc thực địa từ Đề tài khoa học công nghệ cấp Nhà nước mã số BĐKH.10/16-20 do TS. Nguyễn Phi Sơn làm chủ nhiệm (nghiệm thu năm 2020).

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, tài nguyên đất là nguồn tài nguyên không tái tạo, giữ vai trò tư liệu sản xuất đặc biệt và là nền tảng của phát triển bền vững. Tại Việt Nam, Quyết định số 43/2010/QĐ-TTg ngày 02 tháng 6 năm 2010 của Thủ tướng Chính phủ về Hệ thống chỉ tiêu thống kê quốc gia đã quy định thoái hóa đất là một chỉ tiêu thống kê quan trọng giao Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Ủy ban nhân dân cấp tỉnh thực hiện báo cáo. Tuy nhiên, tác giả chỉ rõ khoảng trống nghiên cứu thực tiễn: từ trước đến nay, việc đánh giá thoái hóa đất ở nước ta chủ yếu dừng ở việc xác định mức độ thoái hóa tại một thời điểm đơn lẻ, phụ thuộc vào chu kỳ kiểm kê định kỳ, chưa hình thành được quy trình công nghệ chuẩn để giám sát sự biến động thoái hóa đất giữa các thời kỳ (mức độ thoái hóa tăng nhanh hay chậm, giảm hay không đổi) nhằm định lượng phạm vi, quy mô, mức độ và xu hướng biến đổi không gian - thời gian. Bên cạnh đó, việc vệ tinh VNRedSat-1 của Việt Nam đi vào vận hành cung cấp nguồn ảnh độ phân giải cao mở ra khả năng chiết xuất thông tin bề mặt phục vụ quản lý đất đai, song chưa có quy trình công nghệ nào kết hợp ảnh vệ tinh này với hệ thống thông tin địa lý (GIS) và đánh giá đa tiêu chí để giám sát biến động thoái hóa đất một cách đồng bộ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung:

  1. Ứng dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao, GIS và phương pháp đánh giá đa tiêu chí (MCE-AHP) trong thành lập bản đồ thoái hóa đất.
  2. Xác lập được cơ sở khoa học và xây dựng được quy trình giám sát biến động thoái hóa đất từ viễn thám và công nghệ GIS.

Luận án xác lập hai luận điểm bảo vệ:

  • Luận điểm 1: Ảnh vệ tinh VNRedSat-1 chiết xuất được một số thông tin đầu vào phục vụ thành lập bản đồ thoái hóa đất do xói mòn.
  • Luận điểm 2: Ứng dụng GIS và phương pháp đánh giá đa tiêu chí MCE-AHP giám sát được biến động về diện tích, mức độ, phân bố không gian và xu hướng của thoái hóa đất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các loại hình thoái hóa đất và biến động thoái hóa đất.
  • Phạm vi khoa học: Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để xác định các loại hình thoái hóa đất và giám sát biến động thoái hóa đất.
  • Phạm vi không gian: Địa bàn thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh.
  • Phạm vi thời gian: Giai đoạn từ tháng 3/2017 đến tháng 9/2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả hệ thống hóa các khái niệm nền tảng về đất và thoái hóa đất. Khái niệm thổ nhưỡng dựa trên học thuyết phát sinh học đất của V. Docuchaev (Krasil’nikov trích dẫn), chia cắt phẫu diện đất thành tầng mặt (tầng A), tầng đất cái (tầng B) và tầng đá mẹ phong hóa (tầng C), phân biệt giữa độ phì tự nhiên và độ phì thực tế. Khái niệm thoái hóa đất được đối chiếu qua định nghĩa của Wasson (1987), FAO (1979) và tác giả Nguyễn Đình Kỳ (phân chia thành thoái hóa tiềm năng và thoái hóa hiện trạng). Tác giả căn cứ theo Thông tư số 14/2012/TT-BTNMT ngày 26 tháng 11 năm 2012 của Bộ Tài nguyên và Môi trường để chuẩn hóa 3 mức độ thoái hóa (nhẹ, trung bình, nặng) và 5 nhóm loại hình thoái hóa chính: suy giảm độ phì; xói mòn đất do mưa; khô hạn, sa mạc hóa; kết von, đá ong hóa; mặn hóa và phèn hóa.

Luận án điểm lại các phương pháp đánh giá thoái hóa đất trên thế giới:

  • Dự án Đánh giá thoái hóa đất toàn cầu do con người gây ra (GLASOD) do UNEP và ISRIC thực hiện (1987-1990; Bridges và Oldeman, 1999; Jones và cộng sự, 2003) thành lập bản đồ tỷ lệ 1:10.000.000 dựa trên bảng hỏi chuyên gia với 12 dạng thoái hóa thuộc 4 nhóm (xói mòn do nước, xói mòn do gió, thoái hóa hóa học, thoái hóa vật lý) theo 4 cấp độ.
  • Dự án Đánh giá tình trạng thoái hóa đất do con người gây ra (ASSOD) của ISRIC tại Nam và Đông Nam Á áp dụng phương pháp bản đồ địa hình - đất đai SOTER ở tỷ lệ 1:5.000.000 cho 17 quốc gia.
  • Chương trình Tổng quan toàn cầu về các phương pháp và công nghệ bảo vệ đất (WOCAT; van Lynden và cộng sự, 2002) xây dựng bộ công cụ chuẩn hóa ghi chép, giám sát kỹ thuật bảo vệ đất và nước (SWC).
  • Phương pháp phân loại RALA/LR của Viện Nghiên cứu Nông nghiệp và Dịch vụ Bảo tồn Đất Iceland (Arnalds và cộng sự, 2001) thành lập bản đồ xói mòn tỷ lệ 1:100.000 với 6 cấp độ (từ cấp 0 đến cấp 5).
  • Phương pháp tiếp cận chỉ số (Indicators Approach) dựa trên các chỉ thị sinh thái, nông nghiệp kết hợp đo đạc thực nghiệm.

Về tình hình ứng dụng viễn thám và GIS, tác giả trích dẫn các công trình quốc tế tiêu biểu:

  • Ostir và cộng sự (2003) và Lantieri (2003) phân tích tiềm năng của viễn thám vệ tinh (từ Landsat những năm 1970) trong giám sát thảm phủ, xói mòn và hạn hán; dự án Đánh giá thoái hóa đất các vùng khô hạn (LADA; FAO, 2011) và hợp phần Đánh giá suy thoái đất toàn cầu (GLADA) khai thác chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa (NDVI).
  • Jafari và cộng sự (2008) tại miền Nam Australia so sánh chỉ số độ lệch chuẩn di chuyển (MSDI) trên kênh 3 Landsat TM, chỉ số khoảng cách vuông góc (PD54) và NDVI.
  • Ahmad và Pandey (2018) tại quận Bathinda (bang Punjab, Ấn Độ) tích hợp dữ liệu kênh cận hồng ngoại (NIR), nội suy trọng số khoảng cách nghịch đảo (IDW) và phân tích các chỉ tiêu pH, độ dẫn điện EC để phân định ranh giới đất thoái hóa.
  • Al-Bakri (2012) tại Jordan sử dụng các kênh khả kiến, NIR, hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) để xác định độ mặn và thành phần cơ giới (sét, cát).
  • Scudiero (2017) tại thung lũng San Joaquin (Mỹ) ứng dụng viễn thám lập bản đồ nhiễm mặn nông nghiệp; Farifteh (2006) kết hợp viễn thám, mô hình hóa chất tan và khảo sát địa vật lý để theo dõi quá trình mặn hóa/kiềm hóa trong lòng đất.

Tại Việt Nam, tác giả tổng hợp số liệu thực trạng thoái hóa: trên 50% diện tích đất đồng bằng (~3,2 triệu ha) và trên 60% diện tích đất miền núi (~13 triệu ha) có vấn đề thoái hóa; 8-9 triệu ha đất chưa sử dụng có nguy cơ thành sa mạc tập trung ở duyên hải miền Trung (430.000 ha), Tây Bắc, Tây Nguyên và Tứ giác Long Xuyên. Nghiên cứu của Hội Khoa học Đất Việt Nam chỉ ra đất canh tác rẫy Tây Bắc mất chất hữu cơ 5.600 tấn/năm, N mất 199,2 kg/năm, P mất 163,2 kg/năm, Ca và Mg mất 33 kg/năm; số liệu Bộ Nông nghiệp ghi nhận đất đồi núi miền Bắc mất 1 cm đất mặt/năm (100 m³/ha), Tây Bắc mất 3 cm đất mặt/năm (150-300 tấn/ha); sông Hồng tải 80 triệu m³/năm phù sa ra biển. Tác giả cũng dẫn cứu liệu của TS. Bùi Đạt Trâm về sạt lở sông Tiền (5-20 m/năm) và sông Hậu, nghiên cứu của TS. Lê Sâm về hoang mạc hóa tại Ninh Thuận (hơn 41.000 ha, chiếm 12,21% diện tích tự nhiên).

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết: Phần lớn nghiên cứu trong nước ứng dụng viễn thám và GIS để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, thảm phủ hoặc đánh giá mức độ thoái hóa tại một thời điểm cố định. Luận án tập trung giải quyết việc thiết lập quy trình công nghệ đồng bộ khai thác ảnh vệ tinh độ phân giải cao VNRedSat-1, mô hình số độ cao và phương pháp đánh giá đa tiêu chí để giám sát biến động định lượng (diện tích, mức độ, xu thế) của thoái hóa đất giữa các thời kỳ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án tiếp cận nghiên cứu dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết thổ nhưỡng, viễn thám quang học, hệ thống thông tin địa lý và lý thuyết ra quyết định đa tiêu chí:

  • Khung lý thuyết thoái hóa đất: Áp dụng các chỉ tiêu và phân cấp kỹ thuật theo Thông tư số 14/2012/TT-BTNMT cho 5 nhóm: suy giảm độ phì, xói mòn do mưa, khô hạn, kết von - đá ong hóa, mặn hóa - phèn hóa.
  • Mô hình phương trình mất đất phổ dụng cải tiến (RUSLE): Xác định lượng mất đất tiềm năng qua công thức tích số $A = R \times K \times LS \times C \times P$, trong đó $R$ là hệ số xói mòn do mưa, $K$ là hệ số xói mòn của đất, $LS$ là hệ số chiều dài và độ dốc sườn, $C$ là hệ số che phủ thực vật và quản lý đất, $P$ là hệ số áp dụng các biện pháp canh tác bảo vệ đất.
  • Phương pháp đánh giá đa tiêu chí (MCE-AHP): Ứng dụng quy trình phân tích thứ bậc trong môi trường ra quyết định nhóm (AHP-GDM) của Saaty và Peniwati. Thu thập ý kiến chuyên gia qua bảng hỏi theo thang so sánh cặp đôi của Saaty (1980), kiểm tra tỷ số nhất quán của từng ma trận ($CR < 10%$), tổng hợp ma trận ý kiến nhóm bằng phương pháp trung bình nhân và tính trọng số các yếu tố theo phương pháp vector riêng (eigen vector).

Phương pháp thực tế và công cụ kỹ thuật:

  • Phương pháp viễn thám: Sử dụng ảnh vệ tinh VNRedSat-1 (kênh toàn sắc và đa phổ, độ phân giải cao). Thực hiện phân loại định hướng đối tượng (PLHĐT/ĐHĐT) qua kỹ thuật phân mảnh ảnh cấp 1 và thiết lập khóa giải đoán để lập bản đồ lớp phủ bề mặt; tính toán chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa ($NDVI = \frac{NIR - RED}{NIR + RED}$); chiết xuất dữ liệu phục vụ xác định hệ số $C$ (tra cứu theo phân loại của Hội Khoa học Đất quốc tế - ISSS) và hệ số $P$ (phân cấp kết hợp giữa loại hình sử dụng đất, độ dốc và chiều dài sườn dốc).
  • Phương pháp GIS và phân tích không gian: Khai thác mô hình số độ cao (DEM) để tính toán bản đồ độ dốc và xác định hệ số địa hình $LS$; thực hiện nội suy không gian (Kriging, IDW) dữ liệu khí tượng từ các trạm đo và dữ liệu phân tích hóa lý từ mẫu đất ngoại nghiệp; thực hiện các phép toán đại số bản đồ, chồng xếp không gian (map overlay) giữa các bản đồ thành phần để tạo bản đồ thoái hóa tổng hợp và bản đồ biến động thoái hóa đất qua hai thời kỳ.
  • Nguồn tư liệu, dữ liệu: Dữ liệu ảnh vệ tinh VNRedSat-1 chụp khu vực thành phố Uông Bí tại hai thời điểm tháng 3/2017 và tháng 9/2018; mô hình DEM khu vực nghiên cứu; chuỗi số liệu khí tượng quan trắc từ 6 trạm đo; số liệu mẫu điều tra thoái hóa đất (độ phì, khô hạn, mặn hóa, phèn hóa, kết von); dữ liệu bản đồ hiện trạng và biến động sử dụng đất kế thừa từ Đề tài BĐKH.10/16-20.

Bảng tổng hợp khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS và MCE-AHP theo từng loại hình thoái hóa đất trong luận án:

TT Loại hình thoái hóa Ứng dụng viễn thám và GIS Phương pháp xử lý và chiết tách thông tin
1 Đất bị suy giảm độ phì GIS cung cấp công cụ tính toán, phân tích không gian, nội suy và hiển thị Phân tích không gian, nội suy (Kriging, IDW); ma trận so sánh cặp đôi AHP xác định trọng số các chỉ tiêu vật lý, hóa học, NPK; tính chỉ số Si và tổng giá trị SSg
2 Đất bị xói mòn do mưa Viễn thám phân loại lớp phủ, tính NDVI, chiết xuất hệ số C và P; GIS tính LS từ DEM, tính R, K và chồng xếp Phân loại hướng đối tượng trên ảnh VNRedSat-1; tra bảng ISSS xác định C; phân cấp P theo hiện trạng và độ dốc; tính toán theo mô hình RUSLE
3 Đất bị khô hạn GIS phân tích không gian, nội suy dữ liệu và hiển thị Thu thập số liệu khí tượng từ 6 trạm đo; tính toán chỉ số khô hạn và tổng số tháng hạn; nội suy không gian Kriging/IDW
4 Đất bị kết von, đá ong hóa GIS phân tích không gian, nội suy mẫu điều tra và hiển thị Phân cấp chỉ tiêu kết von, độ sâu xuất hiện tầng kết von, đá ong; AHP xác định trọng số; nội suy không gian
5 Đất bị mặn hóa GIS phân tích không gian, nội suy và hiển thị Thu thập mẫu đất tầng mặt; phân tích tổng số muối tan (TSMT); phân cấp mặn (ngưỡng TSMT ≥ 0,25%); nội suy không gian
6 Đất bị phèn hóa GIS phân tích không gian, nội suy và hiển thị Thu thập mẫu đất; phân tích tính chất phèn tiềm tàng và phèn hoạt động (hợp chất pyrit FeS2); nội suy không gian

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này tập trung trình bày cơ sở lý luận về tài nguyên đất, phân định ranh giới học thuật giữa đất đai (Land) dưới góc độ sinh thái - xã hội và đất thổ nhưỡng (Soil) dưới góc độ tự nhiên với 3 tầng phát sinh A, B, C; phân tích hai thuộc tính cơ bản gồm diện tích (số lượng) và độ phì (chất lượng). Tác giả làm rõ các tác nhân gây thoái hóa đất tại Việt Nam theo 3 nhóm nguyên nhân: tự nhiên (vận động địa chất, khí hậu cực đoan), trực tiếp (chặt phá rừng, khai thác khoáng sản, luân canh thiếu thời gian bỏ hóa, mất cân đối tỷ lệ phân bón N:P2O5:K2O là 100:29:7 so với chuẩn quốc tế 100:33:17) và cơ bản (gia tăng dân số, mở rộng công nghiệp). Chương 1 tổng thuật sâu các xu thế thoái hóa chính (xói mòn, sa mạc hóa, nhiễm mặn, nhiễm phèn, suy giảm độ phì) kèm các số liệu thực chứng tại miền Bắc, miền Trung và Nam Bộ.

Bên cạnh đó, chương 1 phân tích đặc tính kỹ thuật của công nghệ viễn thám (độ phân giải không gian qua trường nhìn IFOV, độ phân giải phổ, độ phân giải thời gian; phản xạ phổ của đất, nước, thực vật), hệ thống GIS (5 thành phần cấu thành) và phương pháp đánh giá đa tiêu chí MCE-AHP. Tác giả so sánh chi tiết giữa AHP trong môi trường ra quyết định riêng rẽ (AHP-IDM) và môi trường ra quyết định nhóm (AHP-GDM), qua đó lựa chọn AHP-GDM áp dụng công thức trung bình nhân để hạn chế tính chủ quan. Đánh giá tổng hợp các phương pháp quốc tế (GLASOD, ASSOD, WOCAT, RALA/LR, Indicators Approach) khẳng định xu hướng tích hợp viễn thám và GIS là định hướng tất yếu để theo dõi diễn biến tài nguyên đất.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS và phương pháp đánh giá đa tiêu chí MCE - AHP trong giám sát biến động thoái hoá đất

Chương 2 thiết lập toàn bộ khung phương pháp luận và quy trình kỹ thuật gồm:

  • Cơ sở xử lý viễn thám: Quy trình lựa chọn ảnh vệ tinh; thực hiện phân mảnh ảnh VNRedSat-1 cấp 1; ứng dụng phương pháp phân loại hướng đối tượng (PLHĐT) để giải đoán bản đồ lớp phủ đất; tính toán chỉ số thực vật NDVI; quy trình chiết xuất thông tin lớp phủ để xác định hệ số $C$ theo bảng tra của Hội Khoa học Đất quốc tế (ISSS) và hệ số canh tác bảo vệ đất $P$ phân cấp theo độ dốc, chiều dài sườn dốc và mục đích sử dụng đất.
  • Thiết lập quy trình công nghệ thành lập 5 loại bản đồ thoái hóa chuyên đề:
    1. Bản đồ đất bị suy giảm độ phì: Xây dựng ma trận so sánh cặp đôi xác định trọng số cho 3 nhóm chỉ tiêu (vật lý, hóa học, NPK), tính toán chỉ số suy giảm $S_i$ và phân cấp tổng giá trị suy giảm độ phì $SS_g$.
    2. Bản đồ đất bị xói mòn do mưa: Tích hợp 5 lớp dữ liệu thành phần theo mô hình RUSLE gồm hệ số xói mòn mưa $R$, hệ số xói mòn đất $K$, hệ số địa hình $LS$ (từ mô hình số độ cao DEM), hệ số lớp phủ $C$ và hệ số bảo vệ đất $P$ (từ viễn thám).
    3. Bản đồ đất bị khô hạn: Phân cấp đánh giá dựa trên chỉ số khô hạn và tổng số tháng bị khô hạn trích xuất từ dữ liệu trạm khí tượng.
    4. Bản đồ đất bị kết von, đá ong hóa: Xác định mức độ tích tụ sắt (Fe2O3, Fe2O3.nH2O), nhôm (Al), độ dày tầng xuất hiện đốm loang lổ và tầng kết von cứng.
    5. Bản đồ đất bị mặn hóa và phèn hóa: Xác lập ngưỡng phân mức dựa trên hàm lượng tổng số muối tan ($TSMT \ge 0{,}25%$) đối với mặn hóa và sự chuyển hóa pyrit ($FeS_2$) đối với phèn hóa.
  • Thiết lập quy trình thành lập bản đồ thoái hóa đất tổng hợp và bản đồ biến động: Xây dựng ma trận so sánh cặp đôi MCE-AHP xác định trọng số giữa các loại hình thoái hóa đất phân hóa riêng theo 3 vùng sinh thái: vùng trung du - miền núi, vùng đồng bằng và vùng ven biển; tính tổng giá trị thoái hóa $S_{Th}$. Quy trình giám sát biến động được thực hiện bằng cách chồng xếp hai bản đồ thoái hóa đất tổng hợp ở hai thời điểm để phân loại các mức độ biến động (tăng thoái hóa, giảm thoái hóa, không đổi).

Chương 3. Nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng quy trình giám sát biến động thoái hóa đất trên địa bàn thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh

Chương 3 triển khai toàn bộ quy trình công nghệ đề xuất vào khu vực thử nghiệm thực tế:

  • Điều kiện địa bàn và dữ liệu thử nghiệm: Thành phố Uông Bí có cấu trúc địa hình đa dạng bao gồm cả vùng đồi núi, trung du xen kẽ đồng bằng và vùng ngập mặn ven biển; dữ liệu sử dụng gồm ảnh VNRedSat-1 chụp tháng 3/2017 và tháng 9/2018, mô hình DEM, số liệu khí tượng quan trắc tại 6 trạm đo và mạng lưới điểm mẫu điều tra ngoại nghiệp.
  • Xử lý phân tích ảnh vệ tinh: Tiến hành phân mảnh ảnh VNRedSat-1 cấp 1, thành lập bản đồ lớp phủ bề mặt thành phố Uông Bí năm 2017 và năm 2018; tính toán lớp dữ liệu chỉ số thực vật NDVI cho hai mốc thời gian (tháng 3/2017 và tháng 9/2018).
  • Thành lập các bản đồ thoái hóa thành phần giai đoạn 2017 - 2018:
    • Bản đồ suy giảm độ phì năm 2017 và 2018 dựa trên ma trận so sánh cặp đôi các chỉ tiêu vật lý, hóa học và nhóm NPK.
    • Bản đồ xói mòn đất do mưa năm 2017 và 2018: Chiết xuất và tích hợp các lớp dữ liệu hệ số $R$, hệ số $K$, hệ số địa hình $LS$, hệ số lớp phủ $C$ và hệ số canh tác $P$; thống kê diện tích đất bị xói mòn năm 2017 và năm 2018.
    • Bản đồ khô hạn năm 2017 và 2018: Xử lý dữ liệu từ lớp điểm 6 trạm khí tượng và lớp điểm mẫu điều tra khô hạn, xác định mức độ khô hạn và tổng số tháng khô hạn.
    • Bản đồ đất bị kết von, đá ong hóa năm 2017 và năm 2018.
    • Bản đồ đất bị mặn hóa và bản đồ đất bị phèn hóa năm 2017 và năm 2018.
  • Xây dựng bản đồ thoái hóa đất tổng hợp và bản đồ biến động: Áp dụng các ma trận so sánh cặp đôi AHP riêng cho 3 tiểu vùng (ven biển, trung du - miền núi, đồng bằng) để thành lập bản đồ thoái hóa đất tổng hợp thành phố Uông Bí năm 2017 và 2018. Tiến hành chồng xếp không gian hai lớp bản đồ này trong GIS để thành lập bản đồ biến động thoái hóa đất giai đoạn tháng 3/2017 - tháng 9/2018; tổng hợp bảng thống kê diện tích đất theo các cấp thoái hóa và thống kê mức độ biến động thoái hóa đất tổng hợp theo mục đích sử dụng đất trên địa bàn thành phố Uông Bí.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận:

  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và dữ liệu ảnh vệ tinh VNRedSat-1 của Việt Nam trong phân loại định hướng đối tượng, chiết tách thông tin thảm phủ và chỉ số NDVI để xác định hệ số lớp phủ thực vật và quản lý đất ($C$) cùng hệ số biện pháp canh tác bảo vệ đất ($P$), giải quyết bài toán thiếu dữ liệu đầu vào phục vụ mô hình mất đất RUSLE trong thành lập bản đồ xói mòn do mưa.
  • Xây dựng được quy trình hoàn chỉnh giám sát biến động thoái hóa đất bằng công nghệ viễn thám, GIS và phương pháp đánh giá đa tiêu chí MCE-AHP. Điểm mới thể hiện ở việc phân hóa hệ thống trọng số đánh giá đa tiêu chí nhóm (AHP-GDM) theo 3 vùng cảnh quan sinh thái đặc thù (vùng trung du - miền núi, vùng đồng bằng, vùng ven biển) và tích hợp kỹ thuật chồng xếp bản đồ đa thời gian để định lượng rõ phạm vi, quy mô, mức độ và sự thay đổi theo thời gian của thoái hóa đất.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  • Cung cấp bộ bản đồ chuyên đề thành phần, bản đồ thoái hóa đất tổng hợp và bản đồ biến động thoái hóa đất thành phố Uông Bí giai đoạn tháng 3/2017 - tháng 9/2018, phản ánh khách quan xu thế bảo tồn hay suy thoái tài nguyên đất theo từng loại hình sử dụng đất trên địa bàn.
  • Đóng góp cơ sở khoa học để chính quyền địa phương tham khảo trong công tác lập, điều chỉnh quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất; xây dựng giải pháp kỹ thuật bảo vệ đất kịp thời tại các khu vực có biến động thoái hóa tăng nhanh.

Kiến nghị của luận án:

  • Kiến nghị các cơ quan quản lý áp dụng quy trình công nghệ của luận án vào công tác điều tra, thống kê, kiểm kê thoái hóa đất định kỳ theo quy định của Thông tư số 14/2012/TT-BTNMT nhằm rút ngắn thời gian và giảm chi phí điều tra thực địa.
  • Kiến nghị đẩy mạnh việc khai thác nguồn ảnh vệ tinh độ phân giải cao do Việt Nam tự chủ (như VNRedSat-1) trong các nhiệm vụ quan trắc, giám sát biến động tài nguyên đất đai quốc gia.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế:

  • Phạm vi thời gian nghiên cứu thực nghiệm giám sát biến động thoái hóa đất tại thành phố Uông Bí tương đối ngắn (giai đoạn từ tháng 3/2017 đến tháng 9/2018, khoảng 18 tháng), do đó kết quả biến động chủ yếu phản ánh các tác động trước mắt của mùa vụ và hoạt động sử dụng đất ngắn hạn, chưa phản ánh đầy đủ chu kỳ biến động lâu dài của thổ nhưỡng.
  • Khả năng chiết tách thông tin viễn thám phụ thuộc vào chất lượng ảnh quang học VNRedSat-1 (ảnh hưởng bởi mây, bóng mây và góc chiếu sáng theo mùa); việc xác định một số hệ số xói mòn ($C, P$) vẫn phải kết hợp tra cứu bảng gián tiếp.
  • Mật độ mạng lưới trạm quan trắc khí tượng (6 trạm) và số lượng điểm mẫu điều tra ngoại nghiệp tại địa bàn thử nghiệm chịu giới hạn về nguồn lực, ảnh hưởng đến độ mịn của kết quả nội suy không gian.

Về hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng chu kỳ giám sát biến động theo các khoảng thời gian dài hơn (chu kỳ 5 năm hoặc 10 năm) tương thích với chu kỳ kiểm kê đất đai quốc gia.
  • Ứng dụng và kiểm chứng quy trình công nghệ đề xuất trên các vùng sinh thái có điều kiện tự nhiên phức tạp hơn như vùng khô hạn Nam Trung Bộ hoặc vùng đất dốc Tây Bắc.
  • Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám radar để khắc phục hạn chế mây mù của ảnh quang học và ứng dụng thuật toán học máy trong tự động hóa khâu phân loại lớp phủ.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học thuộc các ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa lý tài nguyên, Hệ thống thông tin địa lý, Quản lý đất đai và Khoa học môi trường: Tham khảo khung phương pháp luận kết hợp giữa mô hình thủy văn đất (RUSLE), phân tích ảnh vệ tinh hướng đối tượng và kỹ thuật đánh giá đa tiêu chí nhóm AHP-GDM.
  • Cán bộ kỹ thuật và cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh, thành phố): Tham khảo quy trình công nghệ chuẩn và giải pháp kỹ thuật tích hợp GIS để tổ chức thực hiện các đề án điều tra thoái hóa đất cấp tỉnh và cấp vùng theo quy định pháp luật.

Nội dung đáng tham khảo nhất trong luận án là sơ đồ quy trình công nghệ giám sát biến động thoái hóa đất đa thời kỳ (từ khâu tiền xử lý ảnh vệ tinh, phân mảnh cấp 1, chiết xuất hệ số mô hình mất đất, đến cấu trúc ma trận so sánh cặp đôi phân hóa theo 3 vùng sinh thái và kỹ thuật đại số bản đồ chồng xếp trong GIS).

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh nào được luận án khai thác để chiết xuất thông tin phục vụ giám sát thoái hóa đất?
Luận án sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao VNRedSat-1 của Việt Nam chụp thành phố Uông Bí tại hai thời điểm tháng 3/2017 và tháng 9/2018, khai thác các kênh đa phổ và toàn sắc để phân mảnh cấp 1, tính toán chỉ số thực vật NDVI và giải đoán lớp phủ bề mặt.

2. Công nghệ viễn thám được ứng dụng trực tiếp để giải quyết những tham số nào trong mô hình xói mòn đất do mưa?
Trong mô hình mất đất phổ dụng cải tiến (RUSLE: $A = R \times K \times LS \times C \times P$), công nghệ viễn thám được dùng để phân loại lớp phủ bề mặt và tính chỉ số NDVI, từ đó chiết xuất thông tin để xác định hệ số lớp phủ thực vật và quản lý đất ($C$) theo bảng tra ISSS và hệ số canh tác bảo vệ đất ($P$) kết hợp với độ dốc địa hình.

3. Tác giả sử dụng phương pháp đánh giá đa tiêu chí nào và điều kiện kiểm soát tính nhất quán của ma trận là gì?
Tác giả sử dụng phương pháp phân tích thứ bậc trong môi trường ra quyết định nhóm (AHP-GDM) của Saaty và Peniwati, sử dụng phương pháp trung bình nhân để tổng hợp ma trận ý kiến của các chuyên gia và tính vector riêng xác định trọng số. Điều kiện ma trận được chấp nhận đưa vào tính toán tổng hợp là tỷ số nhất quán $CR < 10%$ ($CR < 0{,}10$).

4. Khung phân vùng trọng số đánh giá thoái hóa đất tổng hợp trong luận án được phân chia theo những khu vực sinh thái nào?
Hệ thống ma trận so sánh cặp đôi MCE-AHP xác định trọng số giữa các loại hình thoái hóa đất được tác giả thiết lập riêng biệt cho 3 vùng sinh thái: khu vực trung du - miền núi, khu vực đồng bằng và khu vực ven biển, phản ánh đúng tính chất và mức độ rủi ro thoái hóa ưu thế của từng vùng.

5. Phạm vi không gian và thời gian triển khai nghiên cứu thực nghiệm của luận án là ở đâu?
Nghiên cứu thử nghiệm được thực hiện trên toàn bộ địa bàn thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh, trong phạm vi thời gian từ tháng 3/2017 đến tháng 9/2018, sử dụng mô hình DEM, số liệu quan trắc từ 6 trạm khí tượng và mạng lưới điểm mẫu điều tra thổ nhưỡng ngoại nghiệp.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Anh Tuấn đã xây dựng thành công cơ sở khoa học và quy trình công nghệ giám sát biến động thoái hóa đất thông qua việc tích hợp ảnh vệ tinh độ phân giải cao VNRedSat-1, hệ thống thông tin địa lý GIS và phương pháp đánh giá đa tiêu chí MCE-AHP. Đề tài giải quyết khoảng trống trong công tác quản lý đất đai khi chuyển đổi phương thức đánh giá thoái hóa đất từ dạng điều tra tĩnh đơn thời điểm sang quy trình giám sát biến động định lượng theo chuỗi thời gian. Kết quả thực nghiệm tại thành phố Uông Bí giai đoạn 2017-2018 khẳng định tính khả thi của quy trình qua việc thành lập hệ thống bản đồ thoái hóa chuyên đề, bản đồ thoái hóa đất tổng hợp và bản đồ biến động thoái hóa đất, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng phục vụ công tác quy hoạch và bảo tồn tài nguyên đất.