CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NGUY CƠ VÀ CẢNH BÁO CHÁY RỪNG TỈNH SƠN LA TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊA THÔNG TIN 1. Tổng quan về ứng dụng công nghệ Địa thông tin trong nghiên cứu nguy cơ và cảnh báo cháy rừng Nghiên cứu về PCCCR trên Thế giới được quan tâm từ những năm đầu của thế kỷ XX. Thời kỳ đầu, chủ yếu tập trung ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Nga, Đức, Thụy Điển, Canada, Pháp, Úc., sau đó mở rộng ở hầu hết các nước có hoạt động lâm nghiệp.
Trong phạm vi nghiên cứu luận án tập trung tổng quan vào 2 nội dung chính là: (1) bản chất của cháy rừng và (2) phương pháp dự báo nguy cơ cháy rừng theo hướng ứng dụng CNĐTT. Công nghệ Địa thông tin Công nghệ Địa thông tin HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) HỆ THỐNG VIỄN THÁM (RS) Hình 1. Các hợp phần của công nghệ Địa thông tin [21] Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế trong nhiều năm đã khẳng định việc ứng dụng CNĐTT trong nghiên cứu NCCBCR là hướng đi đúng đắn đảm bảo độ chính xác cao, tính cập nhật của thông tin dự báo về mặt không gian, thời gian thực và cần một lượng kinh phí hợp lý đáp ứng tốt cho các mục tiêu dự báo cháy trên quy mô quốc gia, khu vực và toàn cầu [21, 26, 34]. Địa thông tin (Geoinformation) là thông tin về các đối tượng, hiện tượng có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến vị trí địa lý trên Trái Đất (DIN ISO 19101).
Địa 9 thông tin là đại diện của dữ liệu địa lý được mã hóa, đại diện cho một dạng dữ liệu liên quan đến địa lý được xử lý bằng công nghệ thông tin. Thuật ngữ " Địa thông tin " được đề xuất vào những năm 1980 tại Hội nghị Địa chất AGIT và GeoLIS. Đầu những năm 1990 trở nên phổ biến và đồng nghĩa với "Không gian địa lý" hay còn được gọi là "Thông tin không gian". CNĐTT (Geoinformation technology) có thể được hiểu là công nghệ thu thập, tổng hợp, phân tích, trình diễn, diễn giải, chia sẻ và quản lý các dữ liệu Địa thông tin không gian và các các dữ liệu thuộc tính có liên quan.
CNĐTT bao gồm công nghệ 3 hệ thống cơ bản (hình 1.1) đó là: Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems), hệ thống viễn thám RS (Remote Sesing) và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems) [21, 26, 34]. Về bản chất ứng dụng trong thực tiễn, ba hệ thống nêu trên có tính độc lập và đặc thù riêng. Tuy nhiên, khi kết hợp lại với nhau đã tạo ra mối liên hệ chặt chẽ và bổ sung cho nhau theo từng ứng dụng trong các trường hợp cụ thể. Ngày nay, CNĐTT đã và đang là một trong những công nghệ thu hút sự quan tâm lớn nhất trên thế giới bên cạnh công nghệ Sinh học (Biotechnology) và công nghệ Nano (Nanotechnology).
Bằng những ưu thế của mình, CNĐTT đã nhanh chóng phổ cập trên toàn Thế giới. Hiện nay đã trở thành công cụ đắc lực, hết sức hiệu quả cho quá trình phát triển KTXH, đặc biệt là lĩnh vực quản lý tài nguyên, tai biến thiên nhiên, quản lý lưu vực và an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia. Tình hình ứng dụng công nghệ Địa thông tin trong nghiên cứu nguy cơ và cảnh báo cháy rừng 1. Trên Thế giới Cháy rừng gây ra những tác hại đến xã hội và ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế, sinh thái, là nguyên nhân làm suy giảm chất lượng cuộc sống.
Trong nghiên cứu về NCCBCR việc theo dõi và quản lý tài nguyên rừng có vai trò hết sức quan trọng. Từ đầu thế kỷ 20, ảnh hàng không bắt đầu được áp dụng để khoanh vẽ các trạng thái rừng. Ảnh hàng không thường được lưu trên giấy ảnh hoặc ảnh số. Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng ảnh hàng không để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng ở các nước như: Canada, Mỹ và Anh.
Tuy nhiên, ảnh vệ tinh ngày nay với các đặc trưng về độ 10 phân giải không gian, phổ và thời gian kết hợp với các phương pháp phân tích hiệu quả đã đưa ra các ý tưởng tốt hơn về các mô hình theo dõi diễn biến cháy rừng. Ảnh vệ tinh với phương pháp xử lý số đã được sử dụng rộng rãi và thay thế ảnh hàng không trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra và kiểm kê [55, 56]. Trong xây dựng các bản đồ phân loại rừng phục vụ cho công tác nghiên cứu NCCBCR, những loại ảnh viễn thám được sử dụng phổ biến gồm Landsat TM và ETM+, SPOT, MODIS, NOAA - AVHRR, IKONOS và QuickBird. Đặc điểm và khả năng ứng dụng của mỗi loại ảnh vệ tinh trên được tổng hợp ở bảng 1.
Khả năng ứng dụng ảnh vệ tinh trong phân loại lớp phủ rừng Ảnh Khả năng ứng dụng Đặc trưng kỹ thuật vệ tinh thực tế 1. Ảnh đa phổ có độ phân giải không gian thấp (Multispectral Low Resolution Sensors) Độ phân giải không gian: 250 - 1.000 m; độ rộng cảnh 330 km; chu kỳ chụp ảnh 1 - 2 ngày; ảnh có từ năm 2000 (vệ MODIS tinh Terra) hoặc năm 2002 (vệ tinh Aqua) đến nay - Phân loại lớp phủ rừng quy mô toàn cầu, châu lục. Độ phân giải không gian: 1km từ các vệ AVHRR tinh NOAA; độ rộng cảnh: 2.400 km; ảnh có từ năm 1980. Ảnh đa phổ có độ phân giải không gian trung bình (Multispectral Moderate Resolution Sensors) Độ phân giải không gian: 30 - 120 m; độ Landsat rộng cảnh: 183 km x 183 km; chu kỳ Phân loại lớp phủ rừng ở cấp MSS, TM chụp ảnh: 16 ngày; ảnh có từ năm 1972.
Landsat Độ phân giải không gian: 15 - 20 m; Phân loại lớp phủ rừng ở ETM, OLI độ rộng cảnh 183 km x 183 km; chu kỳ cấp độ quần xã hoặc một số (Landsat 7, 8) chụp ảnh: 16 ngày; ảnh có từ năm 1999 loài ưu thế có thể phân biệt đến nay. 11 Ảnh Khả năng ứng dụng Đặc trưng kỹ thuật vệ tinh thực tế Độ phân giải không gian: 15 - 90 m; Phân loại lớp phủ rừng ở ASTER độ rộng cảnh 60 x 60 km; chu kỳ chụp cấp độ quần xã hoặc một số ảnh 3-5 ngày; ảnh có từ năm 2000. Ảnh đa phổ có độ phân giải không gian cao (Multispectral High spatial Resolution Sensors) Độ phân giải không gian: từ 1,5 - 20m (với SPOT VGT là 1km); độ rộng cảnh: 60km x 60km (với SPOT VGT Phân loại lớp phủ rừng ở cấp là 1000km x 1000 km); SPOT 1, 2, 3, SPOT độ quần xã hoặc các loại cụ 4 ,5, 6 và 7 đã có ảnh tương ứng từ năm thể ở mức chi tiết. Hiện nay SPOT 1 và 3 đã ngừng cung cấp ảnh.
Độ phân không gian: 1 - 4m; độ rộng IKONOS - Phân loại lớp phủ rừng chi cảnh: 11km x 11km; chu kỳ chụp ảnh: 1, 2 tiết ở cấp độ quần xã hoặc 3 - 5 ngày; ảnh có từ năm 2. các loài cụ thể. Độ phân giải không gian: 0,6 - 2,4m; - Thường được sử dụng để độ rộng cảnh 16.5km; chu kỳ kiểm tra kết quả phân loại từ QuickBird chụp ảnh 1 - 3.5 ngày; ảnh có từ năm các nguồn ảnh khác. Ảnh siêu phổ (Hyperspectral Sensors) Ảnh có 224 kênh từ bước sóng nhìn Phân loại lớp phủ rừng chi tiết ở thấy tới sóng ngắn hồng ngoại; tùy cấp độ quần xã hoặc các loài cụ thuộc vào độ cao của máy bay mà ảnh thể; ảnh chỉ chụp theo yêu cầu 1 AVIRIS có độ phân giải không gian > 1m; độ lần, vì vậy không thích hợp với rộng cảnh > 1km; ảnh có từ năm 1987.
theo dõi diễn biến rừng. 12 Ảnh Khả năng ứng dụng Đặc trưng kỹ thuật vệ tinh thực tế Earth Ảnh có 200 kênh từ bước sóng nhìn Phân loại lớp phủ rừng chi tiết Observing- thấy tới sóng ngắn hồng ngoại; độ ở cấp độ quần xã hoặc các loài 1 ( EO-1 ) phân giải không gian 30m; ảnh có từ có thể phân biệt rõ ràng. Ngoài các loại ảnh vệ tinh nêu trên được sử dụng trong theo dõi diễn biến tài nguyên rừng, còn có các loại ảnh khác được sử dụng như: ảnh ASTER, Landsat, AVNIR2 hoặc ảnh AVIRIS với giải phổ gần liên tục trong 224 kênh. Các ảnh siêu phổ này, lưu trữ nhiều thông tin về thực vật và phân loại thực vật chính xác hơn các loại ảnh khác có cùng độ phân giải không gian [42, 51, 53, 54].
Các ứng dụng viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên rừng bao gồm điều tra khảo sát, nghiên cứu các hệ sinh thái rừng, phát hiện điểm cháy dị thường nhiệt và thành lập bản đồ rừng. Nghiên cứu NCCBCR dựa vào đặc điểm của ảnh viễn thám và sự phát xạ của đám cháy để dự báo cháy rừng là một phương án khả thi và hoàn toàn có thể thay thế được cho các phương pháp thu thập số liệu tại chỗ. Bộ cảm trên các vệ tinh có thể thu nhận được các bức xạ bề mặt phát ra khác nhau từ các vật thể. Các vệ tinh quan sát Trái Đất với khả năng bao quát trên phạm vi rộng lớn và đa thời gian đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc dự báo và cảnh báo cháy.
Vấn đề ứng dụng viễn thám trong quản lý, giám sát cháy rừng đã được quan tâm của nhiều quốc gia với các hệ thống trên Thế giới như: Canada với hệ thống CFFDRS (Canadian Forest Fire Danger Ration System) được phát triển để dự báo cháy từ năm 1987; tiếp theo là hệ thống GIMS (Geographical Information and Modeling System) năm 1990. ở phạm vi quốc gia đến toàn cầu [55, 58]. Các sản phẩm điểm nóng/điểm cháy (hot spot) cho chúng ta biết địa điểm xảy ra đám cháy rừng khi vệ tinh quét ảnh. Tuy nhiên, để xác định được vị trí, diện tích, phạm vi tác động của đám cháy phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ của mỗi vệ tinh.
Trong khi đó, thông tin xác thực về sự tác động của vụ cháy đến là rất hữu ích cho rất nhiều ứng dụng môi trường bao gồm việc ước lượng khí phác thải, xác định khả 13 năng hồi phục rừng…Điều này dẫn tới sự phát triển của nhiều phương pháp xác định vùng bị cháy NBR (Burned area detection) dựa vào ảnh vệ tinh [55, 56]. Simon và cộng sự đã đề xuất phương pháp và xây dựng hệ thống GLOBSCAR để cung cấp sản phẩm vùng cháy dựa trên ảnh ATSR - 2 và AATSR bằng việc sử dụng các ngưỡng cố định hoặc ngưỡng phụ thuộc ngữ cảnh [84].