Giới thiệu dự án

Việt Nam được cộng đồng quốc tế công nhận là một trong những trung tâm đa dạng sinh học hàng đầu thế giới, sở hữu hơn 300 loài thú và là sinh cảnh quan trọng của 6 loài vượn thuộc giống Vượn mào (Nomascus, họ Hylobatidae). Tuy nhiên, theo các báo cáo bảo tồn linh trưởng Đông Dương, quần thể vượn tự nhiên đã suy giảm nghiêm trọng trong thập kỷ qua do diện tích rừng nguyên sinh bị thu hẹp, tình trạng săn bắt thương mại và phân mảnh sinh cảnh bởi hạ tầng giao thông, thủy điện.

Loài Vượn đen má vàng phía Bắc (Nomascus annamensis) – được tách biệt thành loài mới vào năm 2010 dựa trên phân tích di truyền học phân tử và âm sinh học (Bioacoustics) – hiện được xếp vào nhóm Nguy cấp (Endangered - EN) trong Danh lục Đỏ IUCN. Tại Khu bảo tồn thiên nhiên (KBTTN) Ngọc Linh, tỉnh Quảng Nam (diện tích 18.430 ha, độ dốc địa hình 40–65°, đai cao từ 150 m đến 2.598 m), các dữ liệu nền về đặc điểm tiếng kêu, cấu trúc đàn và ranh giới phân bố không gian của Nomascus annamensis vẫn còn khoảng trống lớn, gây cản trở cho công tác quản lý và hoạch định phương án bảo tồn thực thi.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                      MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU                         |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| 1. Định lượng đặc tính âm sinh học của cá thể đực (Male call) và cá thể    |
|    cái (Great call) qua các thông số: F_max, F_min, chu kỳ, thời lượng.     |
| 2. Xác lập bản đồ phân bố đàn dựa trên cự ly truyền âm (1,0 - 1,5 km) và   |
|    mô hình xử lý không gian GIS (ArcGIS 10.8 / MapInfo 12.0).               |
| 3. Xây dựng ma trận rủi ro sinh thái và giải pháp quản lý rừng đặc dụng.   |
|                                                                             |
| Phạm vi: 18 trạm đo âm học tại 4 xã trọng điểm: Trà Leng, Trà Linh,        |
|          Trà Tập, Trà Nam thuộc vùng lõi KBTTN Ngọc Linh (Quảng Nam).       |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Dự án áp dụng phương pháp Giám sát Âm thanh Thụ động (Passive Acoustic Monitoring - PAM) kết hợp hệ thống thông tin địa lý (GIS) nhằm thu thập dữ liệu khách quan, không xâm lấn, loại bỏ hoàn toàn các sai số do quan sát trực quan trong điều kiện địa hình chia cắt phức tạp.


Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi ứng dụng thiết bị ghi âm tự động và phân tích phổ âm (Spectrogram), việc khảo sát linh trưởng tại các vùng núi cao miền Trung chủ yếu dựa vào quan sát trực tiếp hoặc lắng nghe thủ công.

Tiêu chí so sánh Phương pháp Quan sát tuyến (Line Transect) Phương pháp Lắng nghe thủ công tại điểm Giải pháp Giám sát Âm thanh Thụ động (PAM)
Độ chính xác định lượng Thấp (bị che khuất bởi tán rừng tầng cao >15m) Trung bình (phụ thuộc thính giác người nghe) Rất cao (ghi nhận số hóa dải tần chính xác)
Chi phí nhân lực & an toàn Tốn kém, nguy hiểm trên địa hình dốc >45° Cần điều tra viên túc trực liên tục từ 4h sáng Tối ưu; 3 trạm SM3 kiểm soát 18 điểm khảo sát
Tính khách quan dữ liệu Không lưu trữ được dữ liệu thô để kiểm chứng Ghi chép nhật ký chủ quan File âm thanh số hóa (.WAV), lưu trữ vĩnh viễn
Khả năng phân biệt loài Dễ nhầm lẫn giữa N. annamensis & N. gabriellae Khó phân tích chi tiết các nốt và hòa âm Tách biệt phổ âm chi tiết trên phần mềm chuyên dụng
+-----------------------------------------------------------------------+
|                 MA TRẬN YÊU CẦU NGHIÊN CỨU (MoSCoW)                  |
+-----------------------------------------------------------------------+
| [M] MUST HAVE:                                                        |
|   - Tách biệt phổ âm cá thể đực, cá thể cái và bán trưởng thành.      |
|   - Định vị tọa độ GPS 18 điểm đặt máy và lập bản đồ phân bố.         |
|   - Đánh giá tần suất phát âm thanh trong khung giờ 04:00 - 08:00.    |
| [S] SHOULD HAVE:                                                      |
|   - Tương quan dải cao độ (>1000m) với mật độ bắt gặp đàn vượn.       |
|   - Đánh giá áp lực săn bắt từ cộng đồng bản địa (Xê Đăng, Cà Dông). |
| [C] COULD HAVE:                                                       |
|   - Xây dựng script tiền xử lý tự động lọc tạp âm gió, suối.          |
| [W] WON'T HAVE THIS TIME:                                             |
|   - Định danh cá thể chính xác qua thuật toán học máy phân lớp giọng. |
+-----------------------------------------------------------------------+

Thiết kế hệ thống

Quy trình kỹ thuật của hệ thống giám sát và phân tích âm sinh học được thiết kế tuần tự qua 4 phân hệ chính:

[Máy ghi âm SM3 / Rừng tự nhiên]
[Tiền xử lý tín hiệu số & Lọc dải thông (Bandpass Filter 0.3 - 5.0 kHz)]
[Phân tích Phổ âm chuyên sâu trên Raven Pro 1.5]
[Tích hợp Không gian GIS (ArcMap / ArcGIS 10.8)]
  • Phần cứng thu nhận tín hiệu: Thiết bị ghi âm chuyên dụng Wildlife Acoustics Song Meter SM3, micro định hướng độ nhạy cao, chuẩn bảo vệ môi trường IP67, nguồn pin D-cell đáp ứng chu kỳ ghi âm liên tục.
  • Phần mềm xử lý & phân tích: Raven Pro 1.5 (Cornell Lab of Ornithology), thuật toán biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform - FFT), kích thước khung (Window Size) 512 samples, bước nhảy thời gian (Hop Size) 256 samples, thang màu Hanning window.
  • Hệ thống xử lý không gian: ArcGIS 10.8, MapInfo 12.0, hệ quy chiếu VN-2000 / UTM Zone 48N, định vị thực địa bằng thiết bị Garmin GPSMAP 64s.

Biểu thức toán học xác định phổ công suất âm thanh $P(t, f)$ từ tín hiệu sóng âm $x(t)$:

$$S(t, f) = \int_{-\infty}^{\infty} x(\tau) w(\tau - t) e^{-j 2 \pi f \tau} d\tau$$

$$P(t, f) = |S(t, f)|^2$$

Trong đó $w(\tau - t)$ là hàm cửa sổ Hanning nhằm triệt tiêu hiện tượng rò rỉ phổ (spectral leakage).

Methodology

Nghiên cứu áp dụng phương pháp hỗn hợp kết hợp điều tra xã hội học định hướng (PRA) và thực nghiệm âm sinh học ngoài hiện trường:

  1. Giai đoạn 1 - Khảo sát sơ bộ & Thiết lập trạm: Thiết lập 6 lán trại dã ngoại, phỏng vấn có cấu trúc 45 cán bộ kiểm lâm và thợ săn địa phương để khoanh vùng sinh cảnh mục tiêu. Bố trí 18 điểm đặt máy ghi âm trên các dông núi và đỉnh cao (độ cao từ 800 m đến 1.700 m), đảm bảo khoảng cách giữa các trạm tối thiểu 1.000 m để tránh trùng lặp ghi nhận âm thanh từ một đàn.
  2. Giai đoạn 2 - Thu thập dữ liệu thực địa: 3 máy ghi âm SM3 hoạt động tự động trong khung giờ vàng của tập tính hót bầy (04:00 - 08:00 sáng) liên tục trong 4 tháng (từ 15/01/2017 đến 11/05/2017). Thẻ nhớ SDXC và pin được kiểm tra, thay thế luân phiên theo chu kỳ 48 giờ.
  3. Giai đoạn 3 - Xử lý nội nghiệp: Số hóa toàn bộ tín hiệu, trích xuất tham số tần số cực đại ($F_{max}$), tần số cực tiểu ($F_{min}$), độ dài đoạn hót ($\Delta t$), số lượng nốt phát ra, sau đó kiểm định đối chiếu với mẫu chuẩn quốc tế của Văn Ngọc Thịnh et al. (2010).

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình xử lý tín hiệu âm thanh và phân loại phổ âm được tự động hóa từng phần qua script phân tích tham số âm học:

import numpy as np
import scipy.signal as signal

def process_gibbon_audio(signal_data, sample_rate=44100, f_low=400, f_high=4000):
    """
    Tiền xử lý tín hiệu âm thanh tiếng kêu Vượn đen má vàng phía Bắc:
    Lọc dải thông Butterworth và tính toán phổ âm Short-Time Fourier Transform (STFT)
    """
    # Thiết kế bộ lọc dải thông bậc 4 để loại tạp âm rừng mưa (suối, gió, côn trùng)
    nyquist = 0.5 * sample_rate
    low = f_low / nyquist
    high = f_high / nyquist
    b, a = signal.butter(4, [low, high], btype='band')
    filtered_signal = signal.filtfilt(b, a, signal_data)
    
    # Tính toán Spectrogram bằng biến đổi Fourier
    nperseg = 512
    noverlap = 256
    frequencies, times, spec_density = signal.spectrogram(
        filtered_signal, 
        fs=sample_rate, 
        window='hann', 
        nperseg=nperseg, 
        noverlap=noverlap
    )
    
    # Trích xuất dải tần có năng lượng cực đại
    max_energy_idx = np.argmax(spec_density, axis=0)
    dominant_frequencies = frequencies[max_energy_idx]
    
    return {
        "frequencies": frequencies,
        "times": times,
        "f_min": np.min(dominant_frequencies),
        "f_max": np.max(dominant_frequencies),
        "mean_f": np.mean(dominant_frequencies)
    }

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CẤU TRÚC PHỔ ÂM ĐẶC TRƯNG CỦA LOÀI                     |
+-------------------------------------------------------------------------+
| [Cá thể Đực (Male Call)]                                                |
|   - Âm điệu: Ngân nga, biến thiên điều hòa theo chuỗi âm phức tạp       |
|   - Tần số tập trung: 0.8 kHz - 2.2 kHz                                 |
|   - Chức năng: Đánh dấu ranh giới vùng lãnh thổ, duy trì cự ly đàn    |
|                                                                         |
| [Cá thể Cái (Great Call)]                                               |
|   - Âm điệu: To, vang xa, cao độ biến thiên gấp khúc, âm sắc hơi khàn   |
|   - Tần số tập trung: 1.1 kHz - 3.4 kHz                                 |
|   - Cấu trúc: Chuỗi nốt tăng tốc liên tục đạt đỉnh (Climax)             |
+-------------------------------------------------------------------------+

Testing và validation

Trong 4 tháng triển khai thực địa, hệ thống đã ghi nhận và phân tích tổng cộng 294 mẫu phổ âm đạt chuẩn chất lượng cao ($SNR \ge 15\text{ dB}$):

  • Phổ âm cá thể đực (Male Call): Ghi nhận 228 lần (chiếm 77,55% tổng số phổ âm).
  • Phổ âm cá thể cái (Great Call): Ghi nhận 66 lần (chiếm 22,45% tổng số phổ âm).
  • Tỷ lệ phát âm thanh Đực / Cái: Đạt xấp xỉ 3,45 : 1. Điều này chứng minh tập tính của cá thể đực giữ vai trò chủ đạo trong việc tuần tra lãnh thổ và phát tín hiệu cảnh báo hàng ngày.
+-----------------------------------------------------------------------------+
|               PHÂN BỐ TẦN SUẤT TIẾNG HÓT THEO KHUNG GIỜ SÁNG                |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| 04:30 - 05:30  | ████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░  (12% - Bắt đầu đồng ca)   |
| 05:30 - 06:30  | ████████████████████████████████  (61% - Đỉnh cao tiếng hót)|
| 06:30 - 07:30  | █████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░  (21% - Hoạt động kiếm ăn) |
| 07:30 - 08:30  | ██░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░  (6% - Giảm dần)           |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Kết quả đạt được

Mục tiêu ban đầu Kết quả thực tế đạt được Chỉ số định lượng / Kiểm chứng
Đặc trưng hóa tiếng kêu Xác lập bộ thông số phổ âm chi tiết cho loài tại Ngọc Linh 294 phổ âm phân tích chuẩn hóa trên Raven Pro 1.5
Tần suất hoạt động Định lượng chính xác khung giờ hót đồng ca Đỉnh phát âm tập trung từ 05:30 đến 06:30 sáng
Bản đồ phân bố không gian Xác định các phân khu cư trú trọng điểm của loài Quần thể tập trung chủ yếu tại xã Trà Leng và Trà Linh
Sinh cảnh ưa thích Xác định đai cao và kiểu rừng đặc trưng Rừng lá rộng thường xanh đai cao >1.000 m (chiếm 60% diện tích)

Dữ liệu không gian chỉ ra rằng Nomascus annamensis tại KBTTN Ngọc Linh phân bố ưu tiên tại kiểu rừng giàu và rừng trung bình trên núi trung bình đến núi cao (độ cao từ 1.000 m đến 1.700 m, nơi có sự chiếm ưu thế của các loài thực vật họ Dẻ Fagaceae, họ Long Não Lauraceae, và Mộc Lan Magnoliaceae). Ngược lại, các khu vực đai thấp (<500 m) gần các bản làng của xã Trà Dơn, Trà Tập ghi nhận mật độ cá thể rất thấp do áp lực phá rừng làm nương rẫy và đường giao thông cắt ngang.


Đổi mới và đóng góp

  • Ứng dụng công nghệ Âm sinh học số hóa hiện đại: Lần đầu tiên ứng dụng thiết bị ghi âm tự động chuyên dụng SM3 kết hợp phần mềm phân tích phổ âm Raven Pro 1.5 tại KBTTN Ngọc Linh, giúp thay thế phương pháp nghe thủ công vốn có sai số lớn.
  • Cung cấp dữ liệu thực chứng cho phân loại học: Củng cố các luận điểm phân loại của Văn Ngọc Thịnh et al. (2010), chỉ ra sự khác biệt rõ rệt về tần số và nhịp điệu tiếng hót giữa Nomascus annamensis và loài lân cận Nomascus gabriellae.
  • Tăng hiệu suất giám sát trên địa hình hiểm trở: Nâng cao hiệu quả giám sát không gian lên hơn 300% so với phương pháp đi tuyến truyền thống, hạn chế tối đa nguy cơ tai nạn thực địa trên các sườn dốc 60–65°.
  • Cơ sở khoa học cho quy hoạch bảo tồn: Cung cấp lớp dữ liệu không gian chuẩn xác phục vụ việc khoanh vùng phân khu bảo vệ nghiêm ngặt của Ban Quản lý KBTTN Ngọc Linh.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  1. Tích hợp hệ sinh thái tuần tra SMART (Spatial Monitoring and Reporting Tool): Dữ liệu vị trí các đàn vượn được xuất ra định dạng Shapefile (.shp) để tích hợp trực tiếp vào thiết bị tuần tra của lực lượng kiểm lâm, giúp định tuyến tuần tra có trọng điểm.
  2. Mạng lưới trạm quan trắc âm thanh cảnh báo sớm: Bố trí các trạm thu âm cố định tại các cửa rừng và khu vực giáp ranh nương rẫy để ghi nhận đồng thời tiếng kêu linh trưởng và tiếng cưa máy/tiếng súng săn.
+--------------------------------------------------------------------+
|                  LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI BẢO TỒN 2026 - 2028           |
+--------------------------------------------------------------------+
| [Giai đoạn 1] (Tháng 01 - 06/2026):                                |
|   - Tái lập 18 trạm giám sát âm học cố định tại Trà Leng & Trà Linh|
|   - Đào tạo kỹ thuật phân tích Raven Pro cho 15 cán bộ kiểm lâm    |
|                                                                    |
| [Giai đoạn 2] (Tháng 07/2026 - 12/2027):                           |
|   - Quy hoạch hành lang sinh cảnh kết nối KBTTN Ngọc Linh với      |
|     KBT Sông Thanh và VQG Kon Ka Kinh                              |
|   - Triển khai chương trình sinh kế thay thế nương rẫy cho 200 hộ   |
|                                                                    |
| [Giai đoạn 3] (Năm 2028):                                          |
|   - Triển khai mô hình AI tự động nhận dạng âm thanh thời gian thực|
+--------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế về số lượng thiết bị phần cứng: Do ngân sách nghiên cứu hạn chế, đề tài chỉ sử dụng 3 máy ghi âm SM3 luân chuyển qua 18 điểm, chưa thể ghi nhận tín hiệu âm thanh đồng thời tại tất cả các trạm trong cùng một thời điểm.
  • Hạn chế do điều kiện thời tiết: Mưa lớn kéo dài và sương mù dày đặc tại đỉnh núi Ngọc Linh làm suy giảm cự ly truyền âm thanh trong không khí ($R < 800\text{ m}$ trong những ngày ẩm độ >90%).
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Xây dựng mô hình Mạng nơ-ron tích chập (Convolutional Neural Network - CNN) huấn luyện trên tập dữ liệu Mel-spectrogram để phát hiện và định danh tự động tiếng hót vượn từ các luồng âm thanh liên tục.
    • Phân tích cấu trúc di truyền cá thể từ mẫu phân thu thập tại các sinh cảnh ghi nhận tần suất phát âm cao.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Lâm học, Quản lý tài nguyên rừng: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình điều tra âm sinh học thực địa và ứng dụng phần mềm chuyên ngành.
  • Cán bộ quản lý & Lực lượng Kiểm lâm: Sở hữu bản đồ phân bố đàn chính xác và dữ liệu phục vụ báo cáo đánh giá tác động môi trường, xây dựng kế hoạch quản lý rừng bền vững.
  • Các nhà nghiên cứu Linh trưởng học: Nguồn dữ liệu âm phổ thực nghiệm phục vụ các phân tích so sánh sinh thái loài và biến đổi tiến hóa trong giống Nomascus.
  • Cộng đồng địa phương vùng đệm: Hưởng lợi từ các chương trình chi trả dịch vụ môi trường rừng (PFES) và các dự án phát triển sinh kế gắn với bảo tồn loài chỉ thị.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để thiết lập trạm giám sát âm sinh học PAM là gì?

Cần trang bị thiết bị ghi âm chuyên dụng (như Wildlife Acoustics SM3/SM4 hoặc AudioMoth), dải tần đáp ứng từ 20 Hz đến ít nhất 20 kHz, micro chống nước, thẻ nhớ chuẩn Class 10/U3 dung lượng tối thiểu 64GB, thiết bị GPS cầm tay sai số dưới 5m và phần mềm phân tích phổ âm (Raven Pro 1.5 hoặc thư viện Python Librosa).

2. Yếu tố địa hình Ngọc Linh ảnh hưởng thế nào đến bán kính ghi âm của máy SM3?

Độ dốc lớn (40–65°) và thảm thực vật nhiều tầng làm suy giảm sóng âm. Trong điều kiện rừng kín tán thường xanh, cự ly truyền âm hiệu dụng đạt từ 1,0 km đến 1,5 km. Khi đặt máy tại các đỉnh dông núi thông thoáng, khả năng thu âm đạt cực đại vào sáng sớm khi độ nhiễu môi trường ở mức thấp nhất.

3. Phương pháp PAM có thể tích hợp với cơ sở dữ liệu GIS như thế nào?

Mỗi điểm ghi nhận âm thanh được liên kết với tọa độ GPS của trạm thu, góc phương vị (nếu sử dụng mảng micro định hướng) và cường độ tín hiệu. Dữ liệu này được nhập vào ArcGIS để tạo vùng ảnh hưởng (Buffer Zone) kết hợp phân tích lớp phủ thảm thực vật (Land Cover) nhằm khoanh vùng sinh cảnh đàn sinh sống.

4. Chi phí đầu tư hệ thống thiết bị và bảo trì định kỳ là bao nhiêu?

Chi phí cho một trạm ghi âm tự động hoàn chỉnh dao động từ 15 đến 30 triệu VNĐ (tùy cấu hình máy SM4 hay AudioMoth). Chi phí vận hành định kỳ bao gồm pin công nghiệp, chi phí kiểm tra trạm và nhân lực phân tích dữ liệu nội nghiệp.

5. Tại sao Nomascus annamensis hầu như không phát tiếng hót vào những ngày mưa?

Tiếng mưa làm tăng đáng kể mức độ ồn nền (ambient noise), gây suy giảm năng lượng sóng âm và giảm hiệu quả truyền tin lãnh thổ. Ngoài ra, việc giảm hoạt động trong điều kiện mưa lạnh giúp loài bảo toàn năng lượng thân nhiệt.


Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Nghiên cứu đặc điểm tiếng kêu và phân bố của Vượn đen má vàng phía Bắc (Nomascus annamensis) tại Khu bảo tồn thiên nhiên Ngọc Linh tỉnh Quảng Nam" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu đề ra:

  1. Định lượng thành công các tham số phổ âm đặc trưng của 294 lần phát tiếng kêu, làm rõ cấu trúc âm học giữa cá thể đực và cá thể cái.
  2. Xác lập cơ sở dữ liệu không gian và bản đồ phân bố của loài tại KBTTN Ngọc Linh, xác định các điểm nóng đa dạng sinh học tại xã Trà Leng và Trà Linh ở đai cao trên 1.000 m.
  3. Đóng góp phương pháp luận nghiên cứu hiện đại, kết hợp đồng bộ giữa công nghệ Âm sinh học (Bioacoustics) và Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS).

Các phát hiện của công trình là luận cứ khoa học quan trọng giúp Ban Quản lý Khu bảo tồn thiên nhiên Ngọc Linh tối ưu hóa chiến lược tuần tra, thiết lập các hành lang đa dạng sinh học và thực thi hiệu quả các cam kết quốc tế về bảo tồn linh trưởng nguy cấp tại Việt Nam.