Tổng quan nghiên cứu

Cháy rừng là một trong những thảm họa sinh thái gây suy thoái tài nguyên thiên nhiên nghiêm trọng, làm gia tăng phát thải khí nhà kính và đe dọa trực tiếp đến đời sống kinh tế xã hội. Tại Việt Nam, thống kê giai đoạn 1943–1995 cho thấy diện tích rừng đã sụt giảm khoảng 5.000.000 ha, kéo độ che phủ từ 43% xuống chỉ còn 28%. Huyện Sơn Động thuộc tỉnh Bắc Giang sở hữu diện tích rừng tự nhiên và rừng trồng rộng lớn với địa hình đồi núi phức tạp, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của mùa khô kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, khiến nguy cơ bùng phát cháy rừng luôn ở mức báo động.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán cấp thiết trong công tác dự báo cháy rừng tại địa phương thông qua việc ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS). Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ cháy rừng chi tiết ở tỷ lệ 1:25.000 trên toàn bộ địa bàn huyện Sơn Động. Phạm vi nghiên cứu bao quát chuỗi dữ liệu khí tượng và diễn biến cháy rừng thực tế giai đoạn 2000–2018, kết hợp ảnh vệ tinh thu nhận năm 2017.

Ý nghĩa khoa học của đề tài thể hiện qua việc tích hợp định lượng giữa nhiệt độ bề mặt đất chiết xuất từ viễn thám với khối lượng vật liệu cháy thực địa, thay thế các phương pháp dự báo khí tượng đơn thuần trước đây. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu cung cấp công cụ hỗ trợ ra quyết định đắc lực cho Chi cục Kiểm lâm Bắc Giang, giúp giảm thiểu hơn 30% chi phí tuần tra thực địa và rút ngắn thời gian cảnh báo nguy cơ hỏa hoạn tại các xã trọng điểm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết tam giác cháy kinh điển trong lâm nghiệp, khẳng định phản ứng cháy chỉ diễn ra khi hội tụ đủ 3 yếu tố: vật liệu cháy, nguồn nhiệt và oxy (nồng độ oxy tự do trong không khí duy trì từ 21% đến 23%, phản ứng sẽ tắt khi nồng độ giảm xuống dưới 15%). Quá trình lan truyền nhiệt được chi phối bởi 3 cơ chế: bức xạ nhiệt, đối lưu và dẫn nhiệt. Theo đặc điểm tầng không gian, vật liệu cháy được chia thành 3 nhóm: vật liệu trên cao, vật liệu mặt đất (dày 1–2m) và vật liệu ngầm tích tụ dưới thảm mục.

Khung lý thuyết phân loại hình thái cháy xác định 3 dạng chính: cháy ngầm âm ỉ trong than bùn, cháy mặt đất với tốc độ lan truyền dưới 180 m/h và cháy tán nguy hiểm khi vận tốc gió vượt 15 m/s, tạo vận tốc cháy lướt từ 300 đến 900 m/h. Luận văn áp dụng mô hình chỉ số khô hạn tổng hợp Gaussen – Walter – Thái Văn Trừng kết hợp chỉ tiêu khí tượng Nesterov (tính toán chỉ số P tại thời điểm 13 giờ hàng ngày khi lượng mưa tích lũy dưới 5 mm) để xác lập quy luật mùa cháy sinh thái vùng Đông Bắc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa phổ phong phú gồm ảnh vệ tinh Landsat 7 ETM+ (kênh nhiệt 6), Landsat 8 OLI/TIRS (kênh 10, 11) và ảnh Sentinel-2 chụp tháng 8 năm 2017 với độ phân giải không gian từ 10m đến 30m. Dữ liệu địa hình số (DEM) được trích xuất từ 9 mảnh bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000 do Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam cung cấp, phối hợp cùng cơ sở dữ liệu kiểm kê rừng giai đoạn 2000–2018 của Chi cục Kiểm lâm tỉnh Bắc Giang.

Cỡ mẫu khảo sát thực địa được thiết lập tại 35 ô tiêu chuẩn (diện tích 500 m²/ô) đại diện cho các trạng thái rừng tự nhiên, rừng trồng keo, thông, bạch đàn và đất trống cây bụi. Phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên được áp dụng để cân đo khối lượng tươi, khối lượng khô tuyệt đối của vật liệu cháy và độ ẩm bắt lửa. Toàn bộ quy trình phân tích sử dụng kỹ thuật giải đoán ảnh trên phần mềm ENVI kết hợp phương pháp phân tích đa chỉ tiêu không gian (AHP) trên nền tảng ArcGIS. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là nhằm chuẩn hóa trọng số các yếu tố biến động (độ dốc, hướng sườn, nhiệt độ bề mặt, thảm phủ, khoảng cách đến khu dân cư), đảm bảo độ chính xác phân giải cao trên quy mô cấp huyện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chồng xếp không gian các lớp dữ liệu thành phần đã cho ra bản đồ phân cấp nguy cơ cháy rừng hoàn chỉnh trên toàn huyện Sơn Động với 4 cấp độ rõ rệt. Thứ nhất, vùng có nguy cơ cháy rất cao và cao chiếm khoảng 34,8% tổng diện tích đất lâm nghiệp, tập trung chủ yếu ở kiểu rừng trồng thông, keo và trảng cỏ cây bụi nghèo kiệt có tải lượng vật liệu cháy mặt đất dao động từ 8,5 đến 12,4 tấn/ha. Thứ hai, diện tích có nguy cơ cháy trung bình chiếm 41,2%, phân bố phổ biến ở các trạng thái rừng gỗ tự nhiên phục hồi sau nương rẫy. Thứ ba, vùng nguy cơ cháy thấp và rất thấp chiếm 24,0%, chủ yếu nằm ở các đai rừng lá rộng thường xanh ẩm nhiệt đới và khu vực thung lũng ẩm ướt.

Nghiên cứu cũng chỉ ra mối tương quan chặt chẽ giữa hướng sườn, nhiệt độ bề mặt đất (LST) và khả năng bắt cháy. Các sườn đồi hướng Nam và Tây Nam tiếp nhận lượng bức xạ mặt trời lớn, ghi nhận nhiệt độ bề mặt trung bình từ 32,5°C đến 38,2°C vào mùa khô, làm tăng xác suất cháy rừng lên gấp 1,8 lần so với các sườn đón gió hướng Bắc và Đông Bắc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến các xã như An Lạc, Tuấn Đạo, Lệ Viễn và Vân Sơn rơi vào nhóm nguy cơ cháy cao bắt nguồn từ sự cộng hưởng giữa yếu tố tự nhiên và nhân sinh. Tác động của con người từ tập quán đốt dọn nương rẫy, khai thác lâm sản phụ chiếm hơn 80% nguyên nhân phát sinh nguồn nhiệt ban đầu. Dưới tán rừng trồng thông và keo thuần loài, lượng cành khô, lá rụng tích tụ nhanh nhưng quá trình phân hủy diễn ra chậm, tạo nên tầng đệm bén lửa cực kỳ nhạy cảm trong những đợt khô hạn có độ ẩm không khí dưới 45%.

So sánh với hệ thống giám sát điểm cháy MODIS độ phân giải 1 km của Cục Kiểm lâm (FireWatch Việt Nam) hay kết quả đề tài cấp nhà nước KT.24 trước đây, nghiên cứu này mang lại bước tiến vượt trội về độ chi tiết. Việc sử dụng độ phân giải không gian 30m giúp phân định chính xác ranh giới nguy cơ cháy tới từng tiểu khu và lô rừng. Dữ liệu nghiên cứu được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ hình quạt thể hiện cơ cấu diện tích theo 4 cấp nguy cơ cháy, bảng tra cứu chỉ số bốc cháy theo trạng thái thảm thực vật, và các biểu đồ cột so sánh diện tích vùng nguy cơ cao giữa 23 đơn vị hành chính cấp xã trực thuộc huyện Sơn Động.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân vùng không gian, tác giả đưa ra hệ thống giải pháp toàn diện nhằm nâng cao hiệu quả phòng cháy, chữa cháy rừng trên địa bàn:

  1. Thiết lập hệ thống quan trắc cảnh báo sớm tự động: Chi cục Kiểm lâm Bắc Giang phối hợp Hạt Kiểm lâm Sơn Động tích hợp bản đồ nguy cơ cháy tỷ lệ 1:25.000 vào phần mềm quản lý lâm nghiệp trực tuyến, đồng thời lắp đặt 5 trạm quan trắc tiểu khí hậu chuyên dụng tại các xã trọng điểm trước năm 2027 nhằm rút ngắn thời gian phát hiện điểm cháy xuống dưới 20 phút.
  2. Kỹ thuật hóa công tác xử lý thực bì và giảm tải vật liệu cháy: Tổ chức biện pháp đốt trước có điều khiển dưới tán rừng thông và rừng keo từ 5 tuổi trở lên vào đầu mùa khô (tháng 10 và tháng 11 hàng năm), đặt mục tiêu giảm tải lượng vật liệu cháy mặt đất xuống dưới 3,0 tấn/ha tại 100% diện tích rừng có nguy cơ cháy rất cao.
  3. Quy hoạch hệ thống hạ tầng phòng chống cháy rừng: UBND huyện Sơn Động ưu tiên bố trí nguồn vốn xây dựng 45 km đường băng cản lửa trắng và băng cản lửa xanh bản địa (trồng xen cây mỡ, vối thuốc), kết hợp cải tạo 12 hồ chứa nước tự nhiên phục vụ chữa cháy cơ động giai đoạn 2026–2028.
  4. Siết chặt quản lý nguồn lửa trong canh tác nương rẫy: Ban Chỉ huy Phòng cháy chữa cháy rừng cấp xã triển khai ký cam kết an toàn với 100% hộ dân sống ven rừng, ban hành quy chế cấm dùng lửa xử lý thực bì vào các khung giờ cao điểm từ 10 giờ đến 16 giờ trong những ngày có cấp cảnh báo cháy rừng từ cấp IV trở lên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Lực lượng Kiểm lâm và Ban Quản lý rừng: Cung cấp cơ sở dữ liệu số hóa và bản đồ chuyên đề hỗ trợ trực tiếp công tác điều động lực lượng tuần tra, bố trí chòi canh lửa và xây dựng phương án phòng cháy chữa cháy hàng năm tại huyện Sơn Động và các vùng lân cận.
  2. Nhà nghiên cứu, giảng viên và sinh viên ngành Trắc địa - Bản đồ, Viễn thám và GIS: Là tài liệu tham khảo chất lượng về quy trình xử lý ảnh vệ tinh đa phổ (Landsat, Sentinel-2), phương pháp giải đoán nhiệt độ bề mặt đất (LST) và kỹ thuật phân tích không gian đa biến AHP trong lâm nghiệp.
  3. Các chủ rừng và doanh nghiệp lâm nghiệp tư nhân: Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật quản lý vật liệu cháy dưới tán rừng trồng quy mô từ 50 ha trở lên, tối ưu hóa chi phí đầu tư hạ tầng phòng hộ và bảo tồn vốn rừng.
  4. Cơ quan hoạch định chính sách tài nguyên và môi trường: Cung cấp luận cứ khoa học để xây dựng chiến lược thích ứng với biến đổi khí hậu, lồng ghép dữ liệu quản lý rủi ro thiên tai vào quy hoạch sử dụng đất cấp huyện và cấp tỉnh giai đoạn 2026–2030.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ viễn thám và GIS mang lại ưu thế gì so với phương pháp dự báo cháy rừng truyền thống? Phương pháp truyền thống phụ thuộc vào số liệu trạm khí tượng đơn lẻ, không phản ánh được sự phân hóa của địa hình phức tạp. Công nghệ viễn thám và GIS cho phép bao quát diện tích trên 80.000 ha của huyện Sơn Động theo thời gian thực, chiết xuất chính xác độ ẩm thảm phủ, nhiệt độ bề mặt và mô phỏng không gian đa chiều với độ phân giải 30m.

2. Tại sao nghiên cứu lựa chọn xây dựng bản đồ ở tỷ lệ 1:25.000 thay vì tỷ lệ cấp tỉnh 1:100.000? Bản đồ tỷ lệ 1:100.000 chỉ phù hợp cho định hướng vĩ mô cấp tỉnh nhưng thiếu chi tiết để quản lý cơ sở. Tỷ lệ 1:25.000 giúp lực lượng kiểm lâm nhận diện chính xác nguy cơ đến từng lô, khoảnh rừng và ranh giới hành chính của 23 xã, thị trấn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân bổ nguồn lực dập lửa tại chỗ.

3. Kênh ảnh vệ tinh nào đóng vai trò then chốt trong việc phân vùng nguy cơ cháy? Kênh hồng ngoại nhiệt (Band 6 trên Landsat 7 và Band 10, 11 trên Landsat 8) có vai trò then chốt trong việc tính toán nhiệt độ bề mặt đất (LST). Ngoài ra, các kênh hồng ngoại gần (NIR) và hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) trên Sentinel-2 hỗ trợ phân loại chính xác các trạng thái thảm thực vật và chỉ số ẩm của vật liệu cháy.

4. Biện pháp đốt trước thực bì có gây hại cho môi trường rừng tại Sơn Động không? Đốt trước có điều khiển chỉ được thực hiện vào đầu mùa khô khi độ ẩm không khí trên 60% và chiều cao ngọn lửa khống chế dưới 0,5m. Kỹ thuật này chỉ triệt tiêu lớp lá mục, cành khô mặt đất mà không làm tổn hại tầng tán cây gỗ, giúp triệt tiêu mầm mống bùng phát cháy lớn trong những tháng hạn kiệt.

5. Mô hình phân vùng nguy cơ cháy của luận văn có thể chuyển giao cho các địa phương khác không? Mô hình hoàn toàn có khả năng nhân rộng cho các huyện vùng cao thuộc khu vực Đông Bắc như Lục Ngạn, Yên Thế (Bắc Giang) hay Lộc Bình (Lạng Sơn). Khi chuyển giao, người dùng chỉ cần cập nhật dữ liệu DEM cục bộ, ảnh viễn thám thời điểm mùa khô và số liệu khí tượng đặc thù của địa phương đó.

Kết luận

  • Luận văn đã chuẩn hóa thành công quy trình ứng dụng công nghệ viễn thám đa phổ và GIS để xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ cháy rừng chi tiết tỷ lệ 1:25.000 tại huyện Sơn Động, tỉnh Bắc Giang.
  • Xác lập cơ sở khoa học định lượng kết hợp giữa các nhân tố địa hình, nhiệt độ bề mặt trích xuất từ ảnh Landsat/Sentinel và tải lượng vật liệu cháy thực tế thu thập từ 35 ô tiêu chuẩn.
  • Phân định rõ 4 cấp độ nguy cơ cháy, chỉ ra khoảng 34,8% diện tích rừng tập trung tại các xã vùng cao thuộc nhóm nguy cơ cao và rất cao cần ưu tiên giám sát.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình có tính khả thi cao, phục vụ công tác quản trị rủi ro thiên tai và phòng chống cháy rừng cấp cơ sở.
  • Lộ trình triển khai tiếp theo cần hướng tới việc tích hợp thuật toán học máy (Machine Learning) để tự động hóa cập nhật dữ liệu viễn thám thời gian thực giai đoạn 2026–2030; các cơ quan quản lý và đơn vị nghiên cứu lâm nghiệp hãy chủ động khai thác, ứng dụng kết quả của luận văn vào thực tế địa phương.