Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hệ thống thông tin địa lý Geographic Information System (được viết tắt là GIS) nằm trong hệ thống công nghệ thông tin, nhưng được phát triển chuyên sâu cho việc quản lý cơ sở dữ liệu gắn với các yếu tố địa lý, không gian và bản đồ. Công nghệ GIS ngày càng được phát triển rộng rãi bởi khả năng tích hợp, phân tích thông tin sâu và giải quyết được nhiều vấn đề tổng hợp.
Thông qua công nghệ GIS như thu thập, phân tích, tổng hợp, tìm kiếm, tổ hợp thông tin, cơ sở dữ liệu gắn với yếu tố địa lý, giúp cho việc đánh giá các quá trình, dự báo những khả năng xảy ra, cũng như đưa ra những giải pháp mới; do vậy GIS ngày càng được ứng dụng trong nhiều hoạt động cả về kinh tế - xã hội, quản lý và môi trường. Trong Lâm nghiệp nhờ có ứng dụng GIS, viễn thám và GPS mà công tác theo dõi, đánh giá diễn biến tài nguyên rừng, xây dựng bản đồ hiện trạng trở nên hiệu quả hơn và có tính chính xác cao hơn. Trong giai đoạn thế chiến thứ nhất, đã có ứng dụng ảnh hàng không xây dựng bản đồ rừng ở vùng Maurice thuộc Canada, bản đồ thực vật rừng ở Anh (1924), điều tra trữ lượng rừng từ ảnh hàng không của Mỹ (1940). Thí nghiệm các phương pháp đo tán, đo chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff,… Tuy nhiên, giai đoạn này chưa xây dựng được hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đọc đoán ảnh hàng không (Vũ Tiến Hinh & Phạm Ngọc Giao, 1997).
Kết quả theo dõi từ năm 1972 đến năm 1991, nhờ ứng dụng công nghệ RS và GIS trong đánh giá biến động rừng và độ che phủ rừng cho thấy ở Ấn Độ diện tích rừng từ 14,12 triệu ha xuống còn 11,72 triệu ha, giảm 2,4 triệu ha. Từ kết quả đó Ấn độ đã xây dựng hệ thống bản đồ hiện trạng với 5 chu kỳ 2 năm để quản lý, bảo vệ và phát triển rừng hiệu quả. (Dutt, Udayalakshmt, 1994) Theo Devendra Kumar (2011), việc ước tính sự thay đổi về độ che phủ rừng dựa trên dữ liệu vệ tinh có thể giúp các nhà nghiên cứu thấy rõ được khả năng tích lũy carbon, biến đổi khí hậu, mối đe dọa đến đa dạng sinh học và mức độ biến động rừng thông qua dữ liệu vệ tinh. Bản đồ lớp phủ rừng của các vùng được xây dựng dựa trên ba loại nguồn dữ liệu: thu thập ý kiến chuyên gia, dựa vào các sản phẩm viễn thám và thống kê quốc gia.
Bodart et al (2009), theo dõi sự thay đổi độ che phủ rừng nhiệt đới ở châu Mỹ Latinh, Nam Á và châu Phi năm 1990-2000 bằng cách sử dụng ảnh vệ tinh và phát triển một cách tiếp cận hoạt động và mạnh mẽ có thể trước khi một quá trình rất lớn số lượng dữ liệu từ các điều kiện khác nhau một cách tự động để đưa các dữ liệu multitemporal và đa cảnh trên quy mô tương tự và phân khúc xạ hình ảnh trước khi phân loại giám sát. Ở Nhật Bản, đã ứng dụng RS và GIS để xây dựng bản đồ địa hình và bản đồ lớp phủ rừng, đây là cơ sở cho việc theo dõi và đánh giá sự phục hồi sinh thái của Siri Kawala Ierd, K. Su-Fen Wang (2004), khi tiến hành giải đoán ảnh Spot 4 và Spot 5 theo phương pháp phân loại có kiểm định cho những vùng núi ở phía bắc Đài Loan, kết quả cho thấy độ chính xác của ảnh Spot 5 (74%) cao hơn ảnh Spot 4 (71%) do ảnh Spot 5 có độ chính xác cao hơn. Kết quả phân loại ra 3 trạng thái là rừng Chamaecyparis formosensis, rừng trồng cây thuộc họ tùng, rừng cây lá rụng.
GIS bắt đầu được xây dựng ở Canada từ những năm 60 của thế kỉ XX và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới. Năm 1972, với việc phóng vệ tinh Landsat 1 đã mở ra một kỉ nguyên mới cho việc sử dụng viễn thám trong quan sát và nghiên cứu trái đất. Cho đến nay hơn 30 năm phát triển việc sử dụng ảnh viễn thám và GIS cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau đã rất phổ biến trên khắp thế giới. 6 Công nghệ viễn thám, một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành kỹ thuật phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội ở nhiều nước trên thế giới.
Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không những trong phạm vi Quốc gia, mà cả phạm vi Quốc tế. Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay. Kỹ thuật thám trắc bằng vệ tinh đã phát triển nhanh chóng hình thành lên hệ thống quan trắc khí tượng vệ tinh toàn cầu.
Quan trắc trái đất và quan trắc không gian đã bước sang một giai đoạn mới, làm phong phú thêm phạm vi, nội dung quan trắc. Từ quan trắc mang tính cục bộ ở tầng thấp của khí quyển chuyển sang quan trắc cả hệ thống khí quyển. Rất nhiều những yếu tố, những vị trí trong khí quyển và trên trái đất trước đây rất khó quan trắc thì ngày nay với vệ tinh khí tượng đều có thể thực hiện được. Công nghệ viễn thám đã cung cấp rất nhiều số liệu cho các lĩnh vực như: thiên văn, khí tượng, địa chất, địa lý, hải dương, nông nghiệp, lâm nghiệp, quân sự, thông tin, hàng không, vũ trụ.
Từ năm 1979 đến năm 1991, các vệ tinh NOAA 6, NOAA 7,… NOAA 12; năm 1992 NOAA - I và năm 1993 NOAA - J đã cung cấp ảnh theo chế độ cập nhật với độ phân giải không gian 1. Pháp đã phóng vệ tinh SPOT 1 (22/02/1986), SPOT 2 (22/01/1990) Và SPOT 3 (26/09/1993) với bộ cảm HVR (High Resolution Visible) với 3 kênh phổ có độ phân giải 20m và một kênh toàn sắc có độ phân giải 10m. Đến ngày 24 tháng 3 năm 1998, SPOT 4 đã được phóng vào quỹ đạo với bộ cảm mới HRVIR (High Resolution Visible and Infrared) và SPOT 5 (2002) với bộ cảm HRVIR đã được nâng cấp, thu ảnh có độ phân giải đến 5m [35]. 7 Ngoài ra Ấn Độ cũng đã phóng thành công vệ tinh giám sát tài nguyên IRS-1A vào năm 1998 (sau đó là vệ tinh IRS-1B năm 1991, IRS - 1C năm 1995 và IRS-1D năm 1997) với bộ cảm LISS (Linear Imaging Scanner System) có các tính năng kỹ thuật tương đương MSS.
Nhật Bản cũng đã phóng vệ tinh tài nguyên JERS-1 vào năm 1992 với bộ cảm SAR (Synthetic Aperture Rada), VNIR (Visible and Near Infrared Radiometer) và SWIR (Short Wavelength Infrared Radiometer). Năm 1996, vệ tinh ADEOS (Advanced Earth Observation Satellite) của Nhật đã được đưa vào quỹ đạo với các bộ cảm OCTS (Ocean Colour & Temperature Scanner) độ phân giải 700m, AVNIR (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer) độ phân giải 16m và các bộ cảm biến có độ phân giải không gian thấp. Nhật Bản cũng đã nỗ lực cộng tác với Hoa Kỳ trong việc xây dựng bộ cảm biến hiện đại ASTER (The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) đặt trên vệ tinh Terra được NASA phóng lên quỹ đạo tháng 12 năm 1999 [36]. Hiện nay ảnh vệ tinh có độ phân giải cao (1 ÷ 4m) đang được các chuyên gia sử dụng theo hướng tích hợp với GPS (Global Positioning System) và GIS (Geographical Information System) nhằm khai thác dữ liệu không gian hiệu quả phục vụ công tác thành lập bản đồ thành phố, quy hoạch giao thông, giám sát biến động sử dụng đất,… Trong đó, vệ tinh IKONOS được phóng vào tháng 4 năm 1999 đã cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 1m và đặc biệt vệ tinh Quickbird được phóng vào tháng 10 năm 2001 cung cấp ảnh với độ phân giải không gian 0.
Ảnh đa phổ với độ phân giải không gian cao đã góp phần quan trọng trong việc phát triển ứng dụng viễn thám trong nhiều lĩnh vực, đáp ứng đòi hỏi mức độ cung cấp thông tin chi tiết và chính xác. Ngoài ra, sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu Trái đất bằng viễn thám được đẩy mạnh do áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới với việc sử dụng các ảnh radar. Viễn thám radar tích cực, thu nhận ảnh bằng việc phát 8 sóng dài siêu tần và thu tia phản hồi, cho phép thực hiện các nghiên cứu độc lập, không phụ thuộc vào mây. Sóng radar có đặc tính xuyên qua mây, lớp đất mỏng và thực vật và là nguồn sóng nhân tạo, nên nó có khả năng hoạt động cả ngày và đêm, không phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời.
Các bức ảnh tạo nên bởi hệ radar kiểu SLAR được ghi nhận đầu tiên trên bộ cảm Seasat. Đặc tính của sóng radar là thu tia phản hồi từ nguồn phát với góc xiên rất đa dạng. Sóng này hết sức nhạy cảm với độ gồ ghề của bề mặt vật, được chùm tia radar phát tới, vì vậy nó được ứng dụng cho nghiên cứu cấu trúc một khu vực nào đó. Công nghệ máy tính ngày nay đã phát triển mạnh mẽ cùng với các sản phẩm phần mềm chuyên dụng, tạo điều kiện cho phân tích ảnh vệ tinh dạng số hoặc ảnh radar [33].
Trong lâm nghiệp thì Spurr S. đã chia lịch sử viễn thám trong lâm nghiệp thế giới thành ba giai đoạn chính như sau: Giai đoạn thứ nhất: Từ cuối thế kỷ 19 đến trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất, đánh dấu bằng sự ra đời của ảnh hàng không, kính lập thể và những thử nghiệm lẻ tẻ ban đầu về ứng dụng của chúng trong lâm nghiệp. Thí dụ một số thí nghiệm của Rodolf Kobsa và Ferdinand Wang (Áo - 1982), Hugershoff R (Đức - 1911), Hand Dock (Áo - 1913). Giai đoạn thứ hai: Từ chiến tranh thế giới thứ nhất đến cuối chiến tranh thế giới thứ hai.
Giai đoạn này đã ghi nhận thành công của một số tác giả ở một số nước: Xây dựng bản đồ rừng từ ảnh hàng không ở vùng Maurice thuộc Canada, bản đồ thực vật rừng ở Anh (1924), điều tra trữ lượng rừng từ ảnh hàng không ở Mỹ (1940). Thí nghiệm các phương pháp đo tán, đo chiều cao trên ảnh của Seely, Hugershoff,… Tuy nhiên, giai đoạn này vẫn chưa xây dựng hoàn chỉnh hệ thống lý luận cũng như các phương pháp đoán đọc ảnh hàng không.
