Tổng quan luận án

Xói mòn đất là nguyên nhân hàng đầu gây thoái hóa tài nguyên đất tại các vùng miền núi. Quá trình này xuất phát từ hai nhóm nguyên nhân: tự nhiên và hoạt động nhân sinh. Trong đó, việc suy giảm và phá hủy thảm phủ thực vật do con người quản lý kém là nguyên nhân trực tiếp làm gia tăng cường độ xói mòn. Nhằm giảm thiểu xói mòn đất vùng núi, hai vấn đề cần được giải quyết đồng thời là nghiên cứu bản thân quá trình xói mòn và quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên đất ở quy mô lưu vực. Tuy nhiên, rào cản lớn hiện nay đối với công tác quy hoạch là tình trạng thiếu hụt dữ liệu không gian và thông tin định lượng. Lưu vực sông Trà Khúc có mức độ xói mòn rửa trôi bề mặt phổ biến từ 200 đến 300 tấn/năm (theo Atlats Việt Nam, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường năm 1996) và là một trong những trọng điểm biến động thảm thực vật tại Việt Nam trong thập niên 1990 (theo dự án TREES). Do đó, việc ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để theo dõi biến động lớp phủ và mô hình hóa quá trình xói mòn tại lưu vực sông Trà Khúc mang tính cấp bách cao.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh số với tiếp cận đa quy mô (nhằm chiết xuất thông tin từ ảnh viễn thám ở nhiều mức độ) trong thành lập bản đồ lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc và đánh giá biến động lớp phủ thực vật bằng tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao.
  2. Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa quá trình xói mòn và tính toán các thông tin định lượng trên lưu vực sông Trà Khúc bằng công cụ phân tích không gian của GIS.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng công cụ phân tích không gian trên GIS theo hướng tiếp cận quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và quá trình xói mòn ở tỷ lệ lưu vực; sử dụng mối quan hệ đó để lượng hóa và không gian hóa các thông tin phục vụ quy hoạch sử dụng đất giảm thiểu xói mòn.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành năm bước:

  1. Tổng quan văn liệu về nguyên tắc, phương pháp chiết xuất thông tin từ ảnh vệ tinh, theo dõi lớp phủ thực vật, mô hình hóa xói mòn và tiếp cận sinh thái trong quy hoạch.
  2. Sử dụng tiếp cận đa quy mô trong xử lý ảnh số thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc từ ảnh vệ tinh đa phổ.
  3. Thành lập bản đồ biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc bằng phương pháp xử lý ảnh số; đánh giá, phân tích biến động theo không gian và thời gian.
  4. Thành lập bản đồ xói mòn và xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc bằng GIS.
  5. Phân tích ảnh hưởng của biến động lớp phủ thực vật tới quá trình xói mòn, đề xuất các biện pháp sử dụng đất hợp lý nhằm giảm thiểu xói mòn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Biến động lớp phủ thực vật (tập trung vào số liệu biến động nhận diện được qua ảnh vệ tinh) và quá trình xói mòn đất theo mô hình toán học nhằm xác định tương quan giữa hai yếu tố.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Trà Khúc thuộc tọa độ từ 108°08'21'' đến 108°56'37'' kinh độ Đông và 14°33'33'' đến 15°15'35'' vĩ độ Bắc, tổng diện tích 3.703 km² (phần lớn thuộc tỉnh Quảng Ngãi, một phần thuộc tỉnh Kon Tum; loại trừ 4% diện tích thuộc tỉnh Quảng Nam do thiếu dữ liệu địa hình chi tiết).
  • Phạm vi thời gian: Phân tích hiện trạng và biến động lớp phủ qua các mốc tư liệu ảnh vệ tinh các năm 1989, 1997 và 2001 (khoảng thời gian 1989–1997 và 1997–2001); dữ liệu kiểm chứng thực địa được thu thập năm 2000.

Các giả thiết nghiên cứu (luận điểm bảo vệ):

  1. Áp dụng tiếp cận đa quy mô để chiết xuất thông tin trong xử lý ảnh số ảnh viễn thám cho phép theo dõi biến động lớp phủ thực vật tại lưu vực sông Trà Khúc.
  2. Phân tích quan hệ giữa biến động lớp phủ thực vật và xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng phương pháp mô phỏng và phân tích trên hệ thống thông tin địa lý cho phép đưa ra thông tin định lượng phục vụ quy hoạch theo hướng giảm thiểu xói mòn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Vấn đề xói mòn đất đã được quan sát từ thời cổ đại và gắn liền với lịch sử sản xuất nông nghiệp (theo trích dẫn tài liệu số 31). Nghiên cứu thực nghiệm về xói mòn được các chuyên gia Đức triển khai từ năm 1877 đến 1895. Năm 1917, các nhà khoa học Mỹ xây dựng bồn chứa thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy đến xói mòn đất, sườn dốc và cây trồng. Middleton H. và cộng sự (1930, 1932) nghiên cứu tính kháng xói dựa trên độ bền cấu trúc và tính thấm. Zingg (1940) xác lập tương quan giữa lượng đất xói mòn với độ dốc và chiều dài sườn. Browning (1947) hoàn thiện hệ thống quan hệ và bổ sung hệ số kháng xói của đất.

Về mô hình hóa, các mô hình kinh nghiệm điển hình gồm có Musgrave (1947), Renfro (1975) và phương trình mất đất tổng quát USLE của Wischmeier và Smith (1965, 1978). Các mô hình nhận thức cơ chế vật lý gồm có GAMES và WEPP. Xu hướng nghiên cứu quốc tế (như tại Hội thảo ISCO lần thứ 12 tại Bắc Kinh năm 2002) tập trung vào mô hình hóa động lực xói mòn kết hợp đa ngành. Valentin và cộng sự (2002), Drissa và cộng sự chỉ ra sự cần thiết phải phân tích quá trình xói mòn qua các quy mô không gian và thời gian khác nhau để dự báo tác động thay đổi môi trường.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu ban đầu giai đoạn 1961–1964 sử dụng phương pháp đóng cọc, dây dọi tại Đông Bắc và Tây Bắc. Các công trình tiêu biểu thời kỳ đầu gồm Nguyễn Quí Khải (1962), Nguyễn Xuân Khoát (1963), Tôn Gia Huyên (1963, 1964), Bùi Quang Toản (1965), Trần An Phong (1967). Giai đoạn sau 1975, các chương trình nghiên cứu cấp nhà nước (Tây Nguyên, Tây Bắc, Môi trường) có đóng góp của Bùi Quang Toản (1985), Đỗ Hưng Thành (1982), Phan Liêu (1984), Nguyễn Quang Mỹ và nnk (1985, 1987). Nguyễn Quang Mỹ tổng kết các quy luật địa hình: độ dốc tăng 2 lần làm xói mòn tăng 2–4 lần; chiều dài sườn tăng 2 lần làm xói mòn tăng 2–7,5 lần; các sườn hướng Đông, Đông Nam, Tây Nam, Tây có xói mòn tăng 1,8–3,9 lần do phong hóa nhiệt độ; sườn lồi xói mòn gấp 2–3 lần sườn thẳng, trong khi sườn lõm và sườn bậc thang xói mòn yếu.

Nghiên cứu xói mòn gắn với bồi lắng có công trình của Vi Văn Vị và Trần Bích Nga (tính toán bồi lấp hồ Hòa Bình từ 20.000 đến 40.000 tấn/km²/năm), Zhou Jinxing và cộng sự nghiên cứu quan hệ xói mòn và trầm tích lưu vực. Lại Vĩnh Cẩm ứng dụng USLE đánh giá 4 lưu vực sông lớn miền Bắc. Đề tài cơ bản 74 06 01 tích hợp USLE với ảnh viễn thám UOSAT-12. Đề tài cơ bản 73 51 01 phân loại tác động môi trường của từng dạng xói mòn (rửa trôi bề mặt, xẻ rãnh nhỏ, xẻ rãnh lớn, xói mòn karst) và áp dụng phương pháp đồng vị phóng xạ 137Cs đo tốc độ xói mòn (t/ha). Pham Thai Nam và cộng sự áp dụng mô hình RUSLE quy mô toàn cầu, cung cấp các chỉ số C và P.

Về quản lý và quy hoạch đất dốc, Winkler (1968) định nghĩa đất là một vật thể sống mang các hệ sinh thái. Khung đánh giá quản lý đất dốc bền vững (1991) xác định 5 thuộc tính: tính sản xuất hiệu quả (productivity), tính an toàn (security), tính bảo vệ (protection), tính lâu bền (viability), và tính chấp nhận (acceptability). Zha Xiaochun chứng minh cường độ xói mòn trên đất dốc canh tác gấp hơn 100 lần rừng tự nhiên. Gautam và cộng sự nghiên cứu lưu vực tại Nepal trong 14 năm ghi nhận việc giao rừng cho cộng đồng làm tăng diện tích rừng và giảm đất cây bụi. Lê Mỹ Phong và Nguyễn Ngọc Khánh đề xuất 9 biện pháp sử dụng đất trên 9 đơn vị trắc lượng hình thái địa hình tại Sơn La. Phạm Văn Tân và Nguyễn Cao Huần xây dựng mô hình dự báo biến động sử dụng đất có điều khiển. Đặng Trung Thuận, Trương Quang Hải và cộng sự nghiên cứu mô hình kinh tế sinh thái vùng thượng nguồn sông Trà Khúc, lượng hóa tương quan giữa xói mòn và phát triển kinh tế.

Trong lĩnh vực viễn thám, từ khi vệ tinh Landsat 1 phóng năm 1972, các phương pháp phát hiện biến động lớp phủ được phát triển gồm: trừ ảnh gốc, phân tích nội ảnh (Inner Product Analysis của các tác giả Nhật Bản), phân tích tương quan (Correlation Analysis), tỷ lệ ảnh (Image Ratioing), trừ chỉ số thực vật (Vegetation Index Differencing), trừ ảnh chuẩn hóa, trừ ảnh chuẩn hóa phổ, trừ albedo, phân tích thành phần chính (PCA đa thời gian và PCA đơn ảnh), phương pháp kết hợp của Ding Yuan và cộng sự, đề tài cơ bản 74 05 02 (kết hợp phân loại ảnh số và khái quát hóa mắt thường), và xác định sinh khối rừng qua chỉ số thực vật trên ảnh SPOT (đề tài năm 2002).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Việc áp dụng đồng thời tiếp cận đa quy mô trong xử lý ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao để chiết xuất thông tin lớp phủ thực vật ở cấp độ pixel và dưới pixel, kết hợp với mô hình hóa xói mòn đất dựa trên GIS nhằm định lượng hóa và không gian hóa dữ liệu phục vụ trực tiếp cho quy hoạch sử dụng đất giảm thiểu xói mòn tại một lưu vực miền Trung cụ thể (lưu vực sông Trà Khúc).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên quan điểm hệ thống: coi hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ thực vật và tài nguyên đất là các hợp phần tương tác mật thiết. Con người tác động tới tính bền vững của tài nguyên đất thông qua việc làm biến đổi lớp phủ thực vật. Quá trình xói mòn được xem là hệ thống động lực có thể lượng hóa và không gian hóa bằng các công cụ toán học và thông tin địa lý.

Hệ phương pháp nghiên cứu gồm hai khối kỹ thuật chính:

  1. Phương pháp viễn thám đa quy mô:
  • Cơ sở phổ: Dựa trên đặc tính phản xạ sóng điện từ của các đối tượng mặt đất. Thực vật phản xạ cao ở bước sóng lục (0,5–0,6 µm) và phản xạ mạnh nhất ở dải hồng ngoại gần (0,7–1,4 µm) tùy thuộc hàm lượng diệp lục (chlorophyll) và cấu trúc tán; nước phản xạ chủ yếu ở dải lam (0,4–0,5 µm) và lục (0,5–0,6 µm); đất có độ phản xạ tăng dần theo bước sóng.
  • Tiền xử lý: Nắn chỉnh hình học dựa trên điểm khống chế mặt đất (GCP) đưa về hệ tọa độ VN 2000; hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình đến bức xạ theo mô hình phản xạ Lambert kết hợp góc tới cục bộ.
  • Xử lý và chiết xuất thông tin: Tiếp cận ở hai quy mô không gian:
    • Quy mô pixel: Phân loại có kiểm định (supervised classification) và tính toán chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa (NDVI).
    • Quy mô dưới pixel: Phân tách phổ (spectral unmixing) để tính tỷ lệ phần trăm che phủ của các hợp phần (end-members: thực vật, đất, nước) trong từng pixel, sử dụng thư viện phổ chuẩn từ Đại học Johns Hopkins và Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS).
  • Phối hợp thông tin: Kết hợp kết quả từ hai quy mô theo phương pháp chuyên gia để lập bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật.
  • Phát hiện biến động: Áp dụng phương pháp định chuẩn tương đối (chuẩn hóa phổ theo hàm hồi quy tuyến tính $u_k = a_k x_k + b_k$ hoặc chuẩn hóa thống kê $u_k = a_k + b_k(x_k - \bar{x}_k)$) và chồng xếp ma trận biến động đa thời gian.
  1. Phương pháp mô hình hóa xói mòn trên GIS: Ứng dụng phương trình mất đất tổng quát USLE của Wischmeier và Smith: $$A = R \times K \times LS \times C \times P$$ Trong đó:
  • $A$: Lượng đất mất trung bình hàng năm (tấn/ha/năm).
  • $R$: Hệ số xói mòn do mưa và dòng chảy mặt, thành lập từ bản đồ đẳng trị lượng mưa.
  • $K$: Hệ số tính dễ xói mòn của đất, xác định từ bản đồ thổ nhưỡng.
  • $LS$: Hệ số độ dài và độ dốc sườn, tính toán từ mô hình số độ cao (DEM) xây dựng trên nền bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000.
  • $C$: Hệ số quản lý và che phủ thực vật, chiết xuất từ bản đồ lớp phủ viễn thám và tra cứu theo bảng chuẩn của Hội Khoa học Đất Quốc tế.
  • $P$: Hệ số biện pháp bảo vệ đất canh tác, tra cứu theo tiêu chuẩn Hội Khoa học Đất Quốc tế.
  • Xói mòn tiềm năng ($A_{pot}$) được tính khi giả định không có lớp phủ và biện pháp bảo vệ ($C = 1, P = 1$): $A_{pot} = R \times K \times LS$.

Nguồn tư liệu và dữ liệu đầu vào:

  • Ảnh vệ tinh: Landsat TM ngày 18/06/1989 (Path 124/Row 050, 7 kênh, độ phân giải 30 m), Landsat TM ngày 04/05/1997 (Path 124/Row 050, 7 kênh, độ phân giải 30 m), Landsat ETM ngày 17/10/2001 (Path 124/Row 050, 7 kênh, độ phân giải 30 m).
  • Bản đồ nền địa hình: Tỷ lệ 1:50.000, số hóa và chuyển đổi sang hệ tọa độ VN 2000.
  • Các bản đồ chuyên đề: Bản đồ hiện trạng rừng (tỷ lệ 1:50.000), Bản đồ hiện trạng sử dụng đất (tỷ lệ 1:50.000), Bản đồ thổ nhưỡng (tỷ lệ 1:200.000), Bản đồ đẳng trị lượng mưa (tỷ lệ 1:250.000).
  • Dữ liệu thực địa: Đợt khảo sát thực tế năm 2000 thu thập mẫu khóa giải đoán và kiểm chứng độ chính xác phân loại.
Tên tư liệu / Bản đồ Ngày chụp / Tỷ lệ Thông số kỹ thuật / Nguồn gốc Mục đích sử dụng trong luận án
Landsat TM 18/06/1989 Path/Row 124/050, 7 kênh, 30 m Lập bản đồ lớp phủ 1989, phân tích biến động
Landsat TM 04/05/1997 Path/Row 124/050, 7 kênh, 30 m Lập bản đồ lớp phủ 1997, phân tích biến động
Landsat ETM 17/10/2001 Path/Row 124/050, 7 kênh, 30 m Lập bản đồ lớp phủ 2001, tính hệ số C
Bản đồ địa hình 1:50.000 Hệ tọa độ VN 2000 Xây dựng DEM, tính hệ số địa hình LS
Bản đồ đẳng trị lượng mưa 1:250.000 Dữ liệu khí tượng lưu vực Tính toán và nội suy bản đồ hệ số R
Bản đồ thổ nhưỡng 1:200.000 15 loại đất, 4 nhóm chính Xác định bản đồ hệ số xói mòn đất K
Bản đồ lâm nghiệp & đất 1:50.000 Bản đồ hiện trạng rừng, sử dụng đất Hỗ trợ phân loại và kiểm chứng lớp phủ
Dữ liệu khảo sát thực địa Năm 2000 Đo đạc và lấy mẫu tại thực địa Mẫu kiểm định phân loại và đánh giá sai số

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tình hình nghiên cứu xói mòn và đánh giá biến động lớp phủ thực vật ở Việt Nam và trên Thế giới

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về xói mòn đất, các mô hình tính toán mất đất và các phương pháp viễn thám trong theo dõi lớp phủ thực vật. Nội dung phân tích tổng hợp các điều kiện tự nhiên của địa bàn nghiên cứu:

  • Vị trí và địa hình: Lưu vực sông Trà Khúc có chiều dài dòng chính trên 160 km, đổ ra biển tại cửa Cổ Lũy; diện tích lưu vực nghiên cứu 3.703 km²; độ cao lớn nhất đạt 1.442 m. Địa hình phân hóa thành 5 dạng chính: thung lũng lòng chảo (chiếm 3,1% diện tích), đồi (21,8%), núi thấp (33,1%), núi trung bình (38,2%), sơn nguyên (3,8%).
  • Khí hậu và thủy văn: Nhiệt độ trung bình năm 24,8°C (cao nhất 29,0°C, thấp nhất 21,6°C). Lượng mưa bình quân năm đạt 2.962 mm/năm (lượng mưa cực đại ghi nhận năm 1981 tại Trà Bồng vượt 4.000 mm); mùa mưa kéo dài từ tháng 9 đến tháng 1 năm sau, chiếm 70–75% tổng lượng mưa năm. Độ ẩm trung bình 85,3%; lượng bốc hơi bình quân 837 mm/năm (tỷ lệ bốc hơi/mưa đạt 37%). Mạng lưới thủy văn có mật độ 0,4 km/km², gồm 6 phụ lưu cấp I; tổng lượng nước chảy ra biển đạt khoảng $5,7 \times 10^9\text{ m}^3\text{/năm}$ với lưu lượng dòng chảy bình quân năm $150,73\text{ m}^3\text{/s}$.
  • Thổ nhưỡng và sinh vật: Toàn lưu vực có 15 loại đất thuộc các nhóm feralit đỏ vàng, đất mùn trên núi, đất thung lũng, đất phù sa, đất xám bạc màu trên đá granit và cồn cát ven sông suối. Rừng tự nhiên có trữ lượng khoảng 11,1 triệu m³ gỗ và 15 triệu cây tre nứa; rừng trồng đạt 967 ha. Thực vật có các loài bản địa quý như trắc (Dalbergia cochinchinensis), gõ (Sindora maritima), quế Trà Bồng (Cinnamomum cassia), sa nhân (Amomum echiosphaera)... Khu hệ động vật có 38 loài thú (thuộc 19 họ, 7 bộ) và 77 loài chim (thuộc 37 họ, 13 bộ).

Chương 2: Áp dụng tiếp cận đa quy mô trong xử lý số ảnh viễn thám để theo dõi biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình chiết xuất thông tin và kết quả phân loại lớp phủ thực vật từ ảnh Landsat:

  • Kỹ thuật tiền xử lý: Thực hiện nắn chỉnh hình học với sai số điểm khống chế đạt yêu cầu; hiệu chỉnh ảnh hưởng bức xạ địa hình theo góc tới cục bộ dựa trên mô hình số độ cao.
  • Phân loại đa quy mô:
    • Ở quy mô pixel: Tính toán chỉ số thực vật NDVI và phân loại có kiểm định.
    • Ở quy mô dưới pixel: Phân tách phổ tuyến tính (spectral unmixing) xác định tỷ lệ thành phần thực vật, đất và nước trong từng pixel.
    • Phối hợp thông tin đa quy mô thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật cho ba thời điểm: năm 1989, năm 1997 và năm 2001.
  • Theo dõi và đánh giá biến động: Sử dụng kỹ thuật định chuẩn tương đối để loại trừ sai lệch khí quyển và góc chiếu giữa các thời điểm ảnh; lập bản đồ biến động lớp phủ hai giai đoạn 1989–1997 và 1997–2001.
  • Phân tích đặc trưng biến động: Luận án phân tích thống kê diện tích, cấu trúc biến động, sự chuyển dịch các loại thảm phủ phân bố theo các cấp độ cao và các cấp độ dốc địa hình trong lưu vực.

Chương 3: Mô hình hóa xói mòn lưu vực sông Trà Khúc bằng hệ thống thông tin địa lý

Chương 3 tập trung xây dựng cơ sở dữ liệu không gian và vận hành mô hình USLE trên môi trường GIS dạng cấu trúc dữ liệu raster:

  • Thành lập các lớp bản đồ thông số thành phần:
    • Bản đồ hệ số xói mòn do mưa ($R$): Nội suy không gian từ lượng mưa của mạng lưới trạm khí tượng.
    • Bản đồ hệ số xói mòn của đất ($K$): Gán chỉ số kháng xói cho 15 loại đất từ bản đồ thổ nhưỡng.
    • Bản đồ hệ số địa hình ($LS$): Tính toán tự động từ mô hình số độ cao DEM (độ dài sườn dốc và góc dốc).
    • Bản đồ hệ số quản lý lớp phủ ($C$): Chiết xuất từ bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật năm 2001 kết hợp bảng tra chuẩn quốc tế.
    • Bản đồ hệ số biện pháp bảo vệ đất ($P$): Gán giá trị thực tế theo hiện trạng canh tác.
  • Tính toán và thành lập bản đồ xói mòn:
    • Thành lập bản đồ xói mòn tiềm năng lưu vực sông Trà Khúc ($A_{pot} = R \times K \times LS$).
    • Thành lập bản đồ xói mòn thực tế lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 ($A = R \times K \times LS \times C \times P$).
    • Thực hiện phân cấp xói mòn và so sánh định lượng giữa xói mòn tiềm năng và xói mòn thực tế.

Chương 4: Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn và sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc

Chương 4 tích hợp phân tích không gian và mô hình toán học để đánh giá tác động của thảm phủ đến xói mòn và đề xuất định hướng quy hoạch:

  • Đánh giá tác động tương quan: Phân tích định lượng sự thay đổi lượng đất mất do xói mòn qua hai giai đoạn biến động lớp phủ (1989–1997 và 1997–2001); làm rõ vai trò che phủ của rừng tự nhiên trong việc kìm hãm xói mòn trên các sườn dốc.
  • Quy trình không gian hóa dữ liệu quy hoạch:
    • Xác định các khu vực tác động và phân cấp mức độ ưu tiên can thiệp chống xói mòn trên lưu vực.
    • Xác định các biện pháp tác động cụ thể (khoanh nuôi bảo vệ rừng, trồng rừng phòng hộ, canh tác nông lâm kết hợp theo đường đồng mức).
  • Sản phẩm quy hoạch: Thành lập bản đồ quy hoạch giảm thiểu xói mòn cho toàn bộ lưu vực sông Trà Khúc và bản đồ quy hoạch chi tiết giảm thiểu xói mòn cấp huyện (thực nghiệm tại huyện Sơn Tây).

Kết quả và những đóng góp mới

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

  • Thiết lập quy trình công nghệ tích hợp phương pháp tiếp cận đa quy mô trong xử lý ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao (kết hợp phân loại cấp độ pixel và phân tách phổ dưới pixel) nhằm nâng cao độ chính xác chiết xuất thông tin lớp phủ thực vật vùng núi.
  • Ứng dụng thành công các giải pháp kỹ thuật xử lý ảnh số gồm hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình theo mô hình Lambert và chuẩn hóa phổ tương đối đa thời gian cho khu vực nghiên cứu có địa hình chia cắt phức tạp.
  • Đề xuất nguyên tắc phân loại thảm phủ thực vật phù hợp với đặc trưng phân giải của tư liệu viễn thám tại lưu vực sông Trà Khúc.
  • Xây dựng phương pháp luận phân tích không gian tích hợp giữa mô hình xói mòn USLE và công nghệ GIS raster, cho phép lượng hóa và không gian hóa tương quan động thái giữa biến động lớp phủ và nguy cơ xói mòn đất.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  • Bộ dữ liệu bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc các năm 1989, 1997, 2001 và bản đồ biến động lớp phủ qua hai thời kỳ 1989–1997, 1997–2001.
  • Bản đồ đơn tính các hệ số $R$, $K$, $LS$, $C$, $P$, bản đồ xói mòn tiềm năng và bản đồ xói mòn thực tế năm 2001 của lưu vực sông Trà Khúc.
  • Bản đồ quy hoạch không gian giảm thiểu xói mòn cho toàn lưu vực sông Trà Khúc và bản đồ quy hoạch thực nghiệm cho huyện Sơn Tây, xác định cụ thể các khu vực ưu tiên và giải pháp kỹ thuật bảo vệ đất.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Áp dụng các biện pháp sinh học và quy hoạch sử dụng đất kết hợp giao đất giao rừng cho cộng đồng quản lý nhằm phục hồi thảm phủ tự nhiên.
  • Hạn chế tối đa canh tác nông nghiệp thuần túy trên các sườn dốc có nguy cơ xói mòn cao; chuyển đổi sang mô hình nông lâm kết hợp hoặc trồng cỏ chống xói mòn (như cỏ vetiver).
  • Thiết lập hệ thống giám sát định kỳ biến động rừng và chất lượng lớp phủ bằng tư liệu viễn thám kết hợp trạm quan trắc thực địa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được văn bản đề cập:

  • Về phạm vi không gian: Chưa bao quát 100% diện tích lưu vực sông Trà Khúc (loại trừ 4% diện tích thuộc địa phận tỉnh Quảng Nam do thiếu dữ liệu bản đồ địa hình chi tiết).
  • Về nguồn dữ liệu viễn thám: Dữ liệu ảnh quang học chịu ảnh hưởng của mây và sương mù đặc trưng vùng nhiệt đới; hiệu ứng bóng địa hình vùng núi cao gây khó khăn trong xử lý phản xạ phổ.
  • Về phương pháp phân loại: Các ranh giới phân loại biến động và không biến động mang tính chất tương đối; kết quả xử lý ảnh số và phân tích GIS đòi hỏi phải có sự kiểm chứng thực địa với khối lượng mẫu lớn trước khi áp dụng vào thực tế cụ thể.
  • Về nguyên nhân xã hội: Nghiên cứu tập trung vào các số liệu biến động nhận diện được qua tư liệu ảnh mà chưa đi sâu giải thích chi tiết toàn bộ các nguyên nhân kinh tế - xã hội dẫn đến biến động lớp phủ.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Bổ sung dữ liệu địa hình để hoàn thiện mô hình trên toàn bộ 100% diện tích lưu vực sông Trà Khúc.
  • Thử nghiệm tích hợp ảnh vệ tinh siêu phổ (hyperspectral) hoặc tư liệu có độ phân giải thời gian và không gian cao hơn nhằm nâng cao độ chính xác phân loại dưới pixel.
  • Mở rộng kiểm chứng định lượng tốc độ xói mòn thực tế tại các ô tiêu chuẩn thực nghiệm và phương pháp đồng vị phóng xạ nhằm hiệu chỉnh các hệ số thực nghiệm trong mô hình USLE cho phù hợp với từng tiểu lưu vực.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Bản đồ, Viễn thám và GIS, Quản lý Đất đai, Địa lý Tự nhiên, Khoa học Môi trường và Lâm nghiệp: Tham khảo quy trình xử lý ảnh đa quy mô (phân loại dưới pixel, hiệu chỉnh Lambert) và phương pháp vận hành mô hình USLE trong môi trường GIS raster.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn các tỉnh Quảng Ngãi, Kon Tum): Khai thác bộ bản đồ hiện trạng, bản đồ xói mòn và bản đồ phân vùng quy hoạch ưu tiên để xây dựng kế hoạch phân bổ sử dụng đất dốc, khoanh vùng bảo vệ rừng phòng hộ và giảm thiểu tai biến đất.
  • Các nhà quy hoạch lưu vực và cán bộ kỹ thuật địa phương (đặc biệt tại địa bàn miền núi như huyện Sơn Tây): Ứng dụng bản đồ quy hoạch giảm thiểu xói mòn và các thông số định lượng để lựa chọn giải pháp bảo vệ đất phù hợp theo từng đơn vị độ dốc và độ cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Luận án sử dụng những nguồn tư liệu ảnh vệ tinh nào để theo dõi biến động lớp phủ thực vật? Luận án sử dụng 3 cảnh ảnh vệ tinh quang học Landsat đa phổ (Path 124, Row 050, 7 kênh phổ, độ phân giải không gian 30 m) chụp vào 3 thời điểm: Landsat TM ngày 18/06/1989, Landsat TM ngày 04/05/1997 và Landsat ETM ngày 17/10/2001.

  2. Mô hình toán học nào được dùng để tính toán xói mòn đất và gồm những hệ số thành phần nào? Luận án sử dụng phương trình mất đất tổng quát USLE của Wischmeier và Smith ($A = R \times K \times LS \times C \times P$), gồm 5 hệ số: hệ số xói mòn do mưa ($R$), hệ số tính dễ xói mòn của đất ($K$), hệ số địa hình độ dài và góc dốc sườn ($LS$), hệ số quản lý lớp phủ thực vật ($C$), và hệ số biện pháp hỗ trợ bảo vệ đất ($P$).

  3. Tiếp cận đa quy mô trong xử lý ảnh viễn thám của luận án được thực hiện ở những cấp độ nào? Tiếp cận đa quy mô được thực hiện ở hai cấp độ: cấp độ pixel (sử dụng phương pháp phân loại có kiểm định và tính toán chỉ số thực vật NDVI) và cấp độ dưới pixel (sử dụng kỹ thuật phân tách phổ spectral unmixing với thư viện end-member của USGS và Đại học Johns Hopkins để tính tỷ lệ phần trăm các hợp phần thực vật, đất, nước), sau đó kết hợp thông tin theo phương pháp chuyên gia.

  4. Phạm vi nghiên cứu lưu vực sông Trà Khúc có diện tích bao nhiêu và vì sao bị loại trừ một phần? Phạm vi nghiên cứu có diện tích 3.703 km² thuộc địa phận tỉnh Quảng Ngãi và Kon Tum. Luận án loại trừ phần diện tích thuộc tỉnh Quảng Nam (chiếm khoảng 4% tổng diện tích lưu vực sông Trà Khúc) do tại khu vực này không có dữ liệu bản đồ địa hình chi tiết để xây dựng mô hình số độ cao.

  5. Sản phẩm quy hoạch ứng dụng cụ thể ở cấp huyện được luận án thực hiện tại địa phương nào? Bên cạnh bản đồ quy hoạch giảm thiểu xói mòn cho toàn bộ lưu vực sông Trà Khúc, luận án đã xây dựng bản đồ quy hoạch giảm thiểu xói mòn chi tiết ở cấp huyện thực nghiệm tại huyện Sơn Tây, tỉnh Quảng Ngãi.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán đánh giá biến động lớp phủ thực vật và định lượng quá trình xói mòn đất tại lưu vực sông Trà Khúc thông qua việc kết hợp kỹ thuật viễn thám đa quy mô và phân tích không gian trên nền tảng GIS. Các kết quả nghiên cứu đã làm rõ hiện trạng, động thái biến động thảm thực vật qua các giai đoạn 1989, 1997 và 2001, đồng thời lượng hóa được mức độ xói mòn tiềm năng cũng như xói mòn thực tế theo mô hình USLE. Hệ thống bản đồ chuyên đề và bản đồ quy hoạch thành lập từ luận án cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu định lượng phục vụ công tác quản lý bền vững tài nguyên đất và giảm thiểu thoái hóa đất vùng miền núi miền Trung.