ĐẶT VẤN ĐỀ Rừng cung cấp cho chúng ta nhiều sản vật quí hiếm. Nhiều loại cây cỏ của rừng còn là những vị thuốc đem lại sức khỏe và sự sống cho con ngƣời. Rừng còn giữ vai trò điều hòa khí hậu, bảo vệ sự sống. Rừng cây xanh bạt ngàn là lá phổi khổng lồ thanh lọc không khí, cung cấp nguồn dƣỡng khí duy trì sự sống cho con ngƣời.
Có loại rừng chắn gió, chắn cát ven biển. Có loại rừng ngăn nƣớc lũ trên núi. Rừng giúp con ngƣời hạn chế thiên tai. Rừng ngập mặn là bức tƣờng thành ngăn chặn bão gió, sóng thần, lũ lụt.
Đặc biệt, rừng là khu bảo tồn thiên nhiên vô giá với hàng ngàn loài chim, loài thú quý giá, là nguồn đề tài nghiên cứu vô tận cho các nhà sinh vật học. Bên cạnh những lợi ích thu đƣợc từ việc khai thác, sử dụng nguồn lợi từ rừng, các hoạt động của con ngƣời đã gây ra rất nhiều tác động đối với tài nguyên và môi trƣờng. Hiện nay, chúng ta đang phải đƣơng đầu với những vấn đề về sự suy thoái của nguồn lợi tự nhiên và môi trƣờng. Sự phát triển kinh tế gắn với bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng phục vụ phát triển bền vững đang là vấn đề hết sức cấp thiết đƣợc các nhà quản lý đặt ra.
Để làm tốt công việc này, công tác điều tra, theo dõi và phân tích biến động diện tích rừng là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu. Hàng năm, các nhà quản lý đều có các báo cáo về hiện trạng và tình hình biến động diện tích rừng. Tuy nhiên, trƣớc đây khi công nghệ thông tin chƣa đƣợc phổ cập rộng thì việc đánh giá biến động mới chỉ dừng lại ở mức độ thô sơ dựa vào các số liệu thu thập đƣợc qua sổ sách và bản đồ giấy, so sánh sự thay đổi bằng phƣơng pháp lấy số liệu từ năm trƣớc trừ số liệu của năm sau với các diện tích thay đổi để tìm xem diện tích đó thay đổi theo chiều hƣớng tăng hay theo chiều hƣớng giảm từ đó lập bản đồ chuyển đổi rừng. Đây là phƣơng pháp rất tốn kém, mất thời gian, tốn nhiều công sức, và chƣa thể hiện đƣợc các thông tin cần thiết của dữ liệu.
Phƣơng pháp đánh giá đã lỗi thời không còn phù hợp nữa vì vậy phải thay thế bằng các phƣơng pháp đánh giá mới đáp ứng đƣợc 1 yêu cầu trên và phải đảm bảo kịp thời theo dõi sự thay đổi của đất rừng. Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của nền khoa học hiện đại GIS (Geographic Information Systems) ra đời đánh dấu một bƣớc ngoặt mới trong lịch sử loài ngƣời. Hệ thống này có những chức năng cơ bản đó là thu thập và quản lý thông tin theo ý muốn, đặc biệt là có khả năng chuẩn hoá và biểu thị dữ liệu không gian từ thế giới thực phục vụ cho các mục đích khác nhau trong đời sống. GIS có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, thể hiện dữ liệu địa lý phục vụ các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý của các đối tƣợng trên bề mặt trái đất, là công cụ hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý, quy hoạch tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng.
Xuất phát từ những lý do trên, đề tài: “Ứng dụng viễn thám và Gis nghiên cứu biến động tài nguyên rừng tại huyện Quan Hóa – Thanh Hóa giai đoạn 2010 – 2015 ” đã đƣợc thực hiện. 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Những vấn đề chung về viễn thám và GIS 1. Viễn thám (Remote sensing): là một ngành khoa học và nghệ thuật để thu nhận thông tin về một đối tƣợng, một khu vực hoặc một hiện tƣợng thông qua việc phân tích tài liệu thu nhận đƣợc bằng các phƣơng tiện.
Những phƣơng tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tƣợng, khu vực hoặc với hiện tƣợng đƣợc nghiên cứu [1]. Về bản chất viễn thám là công nghệ nhằm xác định và nhận biết các đối tƣợng hoặc các điều kiện môi trƣờng thông qua các đặc trƣng riêng về phản xạ hoặc bức xạ điện từ. Tuy nhiên những năng lƣợng nhƣ từ trƣờng, trọng trƣờng cũng có thể đƣợc sử dụng. Viễn thám nghiên cứu đối tƣợng bằng giải đoán và tách lọc thông tin giải đoán tƣ liệu ảnh hàng không hoặc ảnh vệ tinh dạng số.
Các dữ liệu dƣới dạng ảnh chụp và ảnh số đƣợc thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng lƣợng bức xạ và sóng phản hồi phát ra từ vật thể khi khảo sát. Năng lƣợng phổ dƣới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán đối tƣợng một cách chính xác hơn. Giải đoán ảnh viễn thám là quá trình tách chiết thông tin định tính cũng nhƣ định lƣợng từ ảnh nhƣ hình dạng, vị trí, cấu trúc, đặc điểm, chất lƣợng, điều kiện. Mối quan hệ tƣơng hỗ giữa các đối tƣợng dựa trên tri thức chuyên ngành hoặc kinh nghiệm của ngƣời giải đoán ảnh.
Việc tách thông tin trong viễn thám có thể chia thành 5 loại, cụ thể: 3 + Phân loại đa phổ: là quá trình tách, gộp thông tin dựa trên các tính chất phổ, không gian và thời gian cho bởi ảnh của đối tƣợng cần nghiên cứu. + Phát hiện biến động: là sự phát hiện và tách các sự biến động (thay đổi) dựa trên dữ liệu ảnh đa thời gian. + Tách các đại lƣợng vật lý: chiết tách các thông tin tự nhiên nhƣ đo nhiệt độ, trạng thái khí quyển, độ cao của vật thể dựa trên các đặc trƣng phổ hoặc thị sai của ảnh lập thể. + Tách các chỉ số: tính toán xác định các chỉ số mới (chỉ số thực vật NDVI…) + Xác định các đối tƣợng đặc biệt: là xác định các đặc tính hoặc các hiện tƣợng đặc biệt nhƣ thiên tai, cháy rừng, các dấu hiệu phục vụ tìm kiếm khảo cổ… GIS (Geographic Information System) hay hệ thống địa lý đƣợc hình thành từ ba khái niệm địa lý, thông tin và hệ thống.
+ Khái niệm “địa lý” liên quan đến các đặc trƣng về không gian. Chúng có thể là vật lý, văn hóa, kinh tế,…. trong tự nhiên. + Khái niệm “thông tin” đề cập đến dữ liệu đƣợc quản lý bởi GIS.
Đó là các dữ liệu về thuộc tính và không gian của đối tƣợng. + Khái niệm “hệ thống” là hệ thống GIS đƣợc xây dựng từ các môđun. Việc tạo các môđun giúp thuận lợi trong việc quản lý và hợp nhất. Dữ liệu viễn thám là nguồn cung cấp cơ sở dữ liệu cho GIS trên cơ sở các lớp thông tin đề tài khác nhau; sử dụng chức năng chồng lớp hay phân tích của GIS để tạo ra một kết quả phong phú hơn.
Do đó, việc phối hợp viễn thám và GIS sẽ trở thành công nghệ tích hợp rất hiệu quả để xây dựng và cập nhật dữ liệu không gian phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc kết hợp giữa kỹ thuật viễn thám và GIS trong phân loại lớp phủ và đánh giá biến động sẽ mang lại hiệu quả cao, cụ thể nhƣ sau: + Giảm hoặc loại bỏ các hoạt động thừa từ đó tiết kiệm đƣợc thời gian, công sức và tiền của. 4 + Kết quả chuẩn hóa số liệu tốt hơn, với giá thành thấp hơn, lập kế hoạch hiệu quả hơn. + Nhanh chóng thu thập đƣợc nhiều thông tin và phân tích chúng, lập báo cáo cho mọi nhu cầu của công tác quản lý.
+ Tạo cầu nối giữa các công cụ và công nghệ nhằm cải tiến sản xuất. + Tạo khả năng lƣu trữ và xử lý số liệu, cải tiến, truyền thông tin. + Tạo ra một loại dịch vụ mới là cung cấp thông tin. + Truy xuất những thay đổi về diện tích, trạng thái rừng và cà phê trong những thời điểm cụ thể.
ERDAS là tên của một hãng sản xuất phần mềm của Mỹ, đƣợc sử dụng rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là ở những nƣớc có sự đầu tƣ cho khoa học Viễn thám – GIS. ERDAS là phần mềm mạnh cả về chức năng xử lý ảnh và GIS. Với những lợi ích to lớn nhƣ vậy, cũng nhƣ các ngành khác, ngành lâm nghiệp cần phải phát triển hơn nữa trong việc ứng dụng viễn thám và GIS trong công tác điều tra theo dõi, đánh giá diễn biến rừng để quản lý, phát triển rừng bền vững. Đặc điểm và thông số kỹ thuật của ảnh vệ tinh Landsat.
Landsat là ảnh vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ (National Aeronautics and Space Administration – NASA) quản lý. Phần lớn các vệ tinh trên Trái đất đƣợc sử dụng nhằm mục đích giám sát bề mặt đất, chúng không đƣợc thiết kế tối ƣu cho mục đích lập bản đồ chi tiết bề mặt trái đất. Vệ tinh đầu tiên đƣợc thiết kế để giám sát bề mặt Trái đất, vệ tinh Landsat-1, đƣợc phóng bởi NASA vào năm 1972. Ban đầu đƣợc gọi là ERTS-1 (Earth Resource Technology Satellite – Kỹ thuật viễn thám thăm dò Trái Đất), Landsat đƣợc thiết kế nhƣ một thử nghiệm để kiểm tra tính khả thi của việc thu thập dữ liệu quan trắc Trái đất đa quang phổ.
Kể từ đó, chƣơng trình đã thu thập đƣợc dữ liệu phong phú từ khắp nơi trên thế giới từ một số vệ tinh Landsat. 5 Tiếp theo đó các thế hệ vệ tinh Landsat 2- 1975, 1978 - Landsat 3. Hai loại ảnh Landsat này chỉ đƣợc trang bị MSS (Multispectral Scanner System - Hệ thống bộ cảm đa phổ: là bộ cảm quang học đƣợc thiết kế để thu nhận bức xạ phổ từ ánh sáng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất theo 4 kênh phổ khác nhau, đƣợc tích hợp bởi hệ thống quang học và bộ cảm). Landsat 4 đƣợc phóng vào quỹ đạo năm 1982 và Landsat 5 vào năm 1984, cả hai vệ tinh này đƣợc trang bị thêm bộ cảm TM (Thematic Mapper), dùng để quan sát Trái đất theo 7 kênh phổ có phạm vi từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại.
Landsat 6 và 7 đƣợc phóng vào năm 1993 và 1999 với bộ cảm cải tiến mới ETM (Enhanced TM). Vệ tinh Landsat 8 đƣợc phóng thành công lên quỹ đạo vào ngày 12/02/2013, với nhiệm vụ theo dõi diễn biến rừng và các hệ sinh thái trên Trái đất. Thiết Bị ETM+ quét 8 băng phổ cho hình ảnh độ phân giải cao về bề mặt trái đất, có độ phân giải là 30m đối với ảnh đa phổ TM và 15m đối với ảnh toàn sắc. Các thông số đặc trƣng của bộ cảm Enhanced TM+ Phổ màu Kênh Bƣớc sóng Độ phân giải (µm) (m) Lam – Blue 1 0.69 30 Cận hồng ngoại - Near IR 4 0.90 30 Hồng ngoại sóng ngắn -SWIR 5 1.