ĐẶT VẤN ĐỀ Rừng là một hệ sinh thái bao gồm các loài thực vật rừng, động vật rừng, nấm, vi sinh vật, đất rừng và các yếu tố môi trƣờng khác, trong đó thành phần chính là một hoặc một số loài cây thân gỗ, tre, nứa, cây họ cau có chiều cao đƣợc xác định theo hệ thực vật trên núi đất, núi đá, đất ngập nƣớc, đất cát hoặc hệ thực vật đặc trƣng khác; diện tích liên vùng từ 0,3 ha trở lên; độ tàn che từ 0,1 trở lên. Rừng có vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống của con ngƣời cũng nhƣ môi trƣờng: cung cấp nguồn gỗ, củi, điều hòa không khí, tạo ra oxy, điều hòa nƣớc, là nơi cƣ trú động thực vật và lƣu trữ các nguồn gen quý hiếm, bảo vệ và ngăn chặn gió bão, chống xói mòn đất, đảm bảo cho sự sống, bảo vệ sức khỏe của con ngƣời… Tuy có vai trò quan trong nhƣ thế nhƣng rừng Việt Nam lại bị tàn phá nặng nề, trong 50 năm qua chúng ta đã mất đi 5 triệu ha rừng (năm 1943 là 14,3 triệu ha nhƣng đến năm 1993 chỉ còn lại 9,5 triệu ha), tính trung bình mỗi năm mất đi khoảng 100 ngàn ha rừng. Những năm gần đây diện tích rừng có xu hƣớng tăng lên rõ rệt, tính đến năm 2015 tổng diện tích rừng tự nhiên đã tăng 10,17 triệu ha , tuy nhiên chất lƣợng rừng ngày càng bị giảm sút, rừng gỗ tự nhiên chỉ còn lại rất ít, chủ yếu phân bố ở vùng sâu xa, vùng núi cao nơi có độ dốc lớn khả năng khai thác gỗ để phục vụ cho nhu cầu xã hội bị hạn chế nên mới còn. Tình trạng tàn phá trên cũng ảnh hƣởng đến tác dụng bảo vệ môi trƣờng.
Hiện biến dổi khí hậu cũng nhƣ thiên tai xảy ra bất ngờ và thƣờng xuyên không những đe dọa đến con ngƣời mà còn ảnh hƣởng đến diện tích rừng. Hiện nay việc nghiên cứu việc nghiên cứu biến động rừng đã đƣợc quan tâm bằng việc kiểm kê rừng qua các năm hoặc các giai đoạn ngắn thức hiện bằng việc thu thập thông tin tính theo cách lấy năm sau trừ đi năm trƣớc. Tuy nhiên, việc này rất tốn kém chi phí, thời gian và công sức mà lại không thể hiện đƣợc những điều theo mong muốn là cụ thể hóa từng loại rừng, xu hƣớng tƣơng lai nhƣ nào, việc thu thập, cập nhật thông tin phải nhanh chóng hơn. Xuất phát từ những mong muốn đó phƣơng pháp sử dụng ảnh viễn thám và GIS đã đáp 1 ứng đƣợc yêu cầu trên.
Các số liệu đƣợc số hóa trên hệ thống việc cập nhật thông tin mới sẽ dễ dàng hơn, không hạn chế về không gian và thời gian của ở khu vực nào nó, đánh giá đƣợc qua các thời kì khác nhau, xác định đƣợc các xu hƣớng sắp tới và đƣa ra đƣợc các phƣơng pháp quản lý phù hợp với khu vực đó. Huyện Lâm Bình, tỉnh Tuyên Quang là một huyện mới đƣợc thành lập (2011), có vị trí rất quan trọng là nơi đầu nguồn của sông Gâm, có một phần diện tích hồ thủy điện Tuyên Quang. Nơi rừng có vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa khí hậu, điều tiết dòng chảy của sông, cung cấp lƣợng nƣớc cho sông. Hiện nay chƣa có nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám và GIS trong đánh giá diện tích rừng tại địa phƣơng.
Do vậy dữ liệu của các cơ quan quản lý rất hạn chế về không gian và thời gian ở khu vực này. Xuất phát từ việc cần thiết và ý nghĩa của nó, tôi đã chọn đề tài: “Sử dụng ảnh viễn thám và GIS đánh giá biến động diện tích rừng tại huyện Lâm Bình, tỉnh Tuyên Quang giai đoạn 2000- 2017” 2 PHẦN I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về viễn thám và GIS 1. Các khái niệm cơ bản Khái niệm về viễn thám Viễn thám (Remate sensing): Là khoa học và công nghệ để thu nhận thông tin về mộ 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. Các khái niệm liên quan đến viễn thám: - Cảm biến viễn thám: các thiết bị tạo ra ảnh về sự phân bố năng lƣợng phản xạ hay phát xạ của các vật thể từ mặt đất theo những phần nhất định của quang phổ điện tử. - Cảm biến bị động: bị động thu nhận bức xạ do vật thể phản xạ hoặc phát xạ từ nguồn phát tự nhiên là Mặt trời. - Cảm biến chủ động: Chủ động thu năng lƣợng do vật thể phản xạ từ một nguồn cung cấp nhân tạo.
- Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật thể ở nhiều kênh phổ trong dải sóng nhìn thấy đến Radar. - Đa thời gian: Dữ liệu ở nhiều thời điểm khác nhau của cùng một vật thể. Các vệ tinh cung cấp ảnh viễn thám: các thế hệ vệ tinh Landsat (Mỹ), SPOT (Pháp), MOS (Nhật). Gần đây nhất là ảnh của vệ tinh IKONOS của Mỹ, các ảnh này có độ phân giải cao 1m.
Ảnh IKONOS đƣợc sử dụng để cập nhật và hiệu chỉnh các bản đồ tỷ lệ trung bình hay làm bản đồ sử dụng đất tốt. Quá trình xử lý ảnh viễn thám qua những bƣớc: Hiệu chỉnh ảnh: - Hiệu chỉnh bức xạ: mức nhiễu xạ nhất định, cần loại trừ các nhiễu này bằng một số phép tiền xử lý. 1 - Biến đổi độ nhạy của bộ cảm biến - Góc chiếu mặt trời và do địa hình, do trạng thái khí quyển: hấp thụ, phản xạ, tán xạ ảnh hƣởng tới chất lƣợng ảnh thu. - Hiệu chỉnh khí quyển: bức xạ mặt trời bị hấp thụ, tán xạ một lƣợng nhất định trƣớc khi tới mặt đất; bức xạ và tán xạ từ vật thể cũng bị hấp thụ và tán xạ trƣớc khi tới bộ cảm biến.
- Do vậy: bộ cảm biến thu đƣợc không chỉ chứa riêng năng lƣợng hữu ích mà còn chứa nhiều thành phần nhiễu khác Hiệu chỉnh hình học: - Sai lệch vị trí giữa tọa độ ảnh thực tế đo đƣợc; tọa độ ảnh lý tƣởng thu đƣợc từ bộ cảm biến có thiết kế hình học lý tƣởng. - Xây dựng mối tƣơng quan giữa hệ tọa độ ảnh đo và hệ tọa độ qui chiếu chuẩn; Hệ qui chiếu chuẩn là hệ tọa độ mặt đất hoặc hệ tọa độ ảnh khác Biến đổi ảnh: - Tăng cƣờng chất lƣợng và tách đặc tính: - Biến đổi cấp xám: thay đổi giá trị cấp độ xám có khả năng thể hiện đƣợc đối tƣợng tốt hơn. - Thể hiện màu trên tƣ liệu ảnh vệ tinh: tổ hợp màu, hiện màu giả. Giải đoán ảnh: - Là quá trình tách thông tin định tính cũng nhƣ định lƣợng từ ảnh trên kiến thức chuyên ngành/kinh nghiệm của ngƣời đoán đọc ảnh.
Có thể giải đoán ảnh bằng: - Bằng mắt: Chủ yếu dựa vào sự phân biệt của mắt ngƣời trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các dụng cụ quang học mang tính chất định tính. Tuy nhiên, ảnh nghiên cứu trong đề tài có độ phân giải chƣa lớn nên việc giải đoán ảnh bằng mắt không đƣợc sử dụng nhiều. - Xử lý bằng máy tính: Để xử lý hoá ảnh cần thiết phải có những chƣơng trình phần mềm chuyên dụng: ERDAS, ENVI, Ecognition, ARCVIEW,….với các phiên bản khác nhau thƣờng xuyên đƣợc cải tiến & nâng cao.Khôi phục sự 2 bỏ sót các đƣờng quét, lọc những nhiễu xuất hiện tản mạn trên hình ảnh, hiệu chỉnh sự tán xạ của khí quyển, hiệu chỉnh sự méo hình học. Khái niệm về GIS GIS là gói phần mềm tích hợp đƣợc thiết kế đặc biệt để sử dụng các dữ liệu địa lý nhằm thực hiện các tác vụ một cách hiệu quả và toàn diện (Calkins & Tomlinson (1977).
Các tác vụ: dữ liệu vào, lƣu trữ, truy xuất & dữ liệu ra, bên cạnh đó còn có hàng loạt các mô tả & quá trình phân tích. GIS xử lý các dữ liệu địa lý (dữ liệu không gian & thuộc tính mô tả các đặc điểm địa lý). GIS có 4 chức năng cơ bản (Basanta Shrestha, 2001), đó là: - Thu thập dữ liệu: Dữ liệu đƣợc sử dụng trong GIS đến từ nhiều nguồn khác nhau, có nhiều dạng và đƣợc lƣu trữ theo nhiều cách khác nhau. GIS cung cấp công cụ để tích hợp dữ liệu thành một định dạng chung để so sánh và phân tích.
Nguồn dữ liệu chính bao gồm số hóa thủ công/ quét ảnh hàng không, bản đồ giấy và dữ liệu số có sẵn. Ảnh vệ tinh và Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) cũng là nguồn dữ liệu đầu vào. - Thao tác dữ liệu: vì nguồn dữ liệu đƣợc thu thập từ nhiều nguồn có định dạng khác nhau và có những trƣờng hợp các dạng dữ liệu phải đƣợc chuyển dạng và thao tác theo một số bƣớc để phù hợp - Quản lý dữ liệu: Sau khi dữ liệu đƣợc thu thập và tích hợp, GIS cung cấp chức năng lƣu trữ và duy trì dữ liệu. Hệ thống quản lý dữ liệu hiệu quả phải đảm bảo các điều kiện về an toàn dữ liệu, toàn vẹn dữ liệu, lƣu trữ và trích xuất dữ liệu, thao tác dữ liệu.
- Phân tích không gian: Đây là chức năng quan trọng nhất của GIS làm cho nó khác với các hệ thống khác. Phân tích không gian cung cấp các chức năng nhƣ nội suy không gian, tạo vùng đệm, chồng lớp. - Hiển thị kết quả: Một trong những khía cạnh nổi bật của GIS là có nhiều cách hiển thị thông tin khác nhau. Phƣơng pháp truyền thống bằng bảng biểu và 3 đồ thị đƣợc bổ sung với bản đồ và ảnh ba chiều.
Hiển thị trực quan là một trong những khả năng đáng chú ý nhất của GIS, cho phép ngƣời sử dụng tƣơng tác hữu hiệu với dữ liệu. Việc sử dụng ảnh viễn thám và GIS trong việc đánh giá diện tích rừng 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 và công sức. - 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 hóa. - Tạo khả năng lƣu trữ và xử lý số liệu, cải tiến, truyền thông tin. - Truy xuất những thay đổi về diện tích, trạng thái rừng và cà phê trong thời điểm cụ thể. Khái quát về vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat là tên chung cho hệ thống các vệ tinh chuyên dùng vào mục tích thăm dò trái đất.