Ứng Dụng Công Nghệ GIS Xây Dựng Bản Đồ Hiện Trạng Rừng Trồng Và Phân Bố Trữ Lượng Carbon Tại Cao Phong, Hòa Bình

• Trường học: Trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Ứng Dụng Công Nghệ GIS Trong Xây Dựng Bản Đồ Hiện Trạng Rừng Trồng Tại Cao Phong, Hòa Bình
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Lược sử ra đời và sự phát triển của Hệ thống thông tin địa lý
• 1.2. Sự cần thiết của công tác xây dựng bản đồ số
• 1.3. Cơ sở khoa học của việc ứng dụng GIS trong công tác xây dựng bản đồ hiện trạng rừng
• 1.3.1. Bản đồ hiện trạng
• 1.3.2. Các phương pháp xây dựng bản đồ hiện trạng rừng
• 1.3.2.1. Phương pháp đo vẽ ngoài thực địa
• 1.3.2.2. Phương pháp sử dụng ảnh vệ tinh, ảnh máy bay
• 1.3.2.3. Phương pháp đo vẽ và chỉnh lý tài liệu bản đồ hiện có
• 1.3.3. Ứng dụng công nghệ bản đồ số
• 1.4. Hệ thống thông tin địa lý và ứng dụng GIS trong công tác thành lập bản đồ hiện trạng và quản lý tài nguyên
• 1.5. Khái quát về bản đồ số và một số phần mềm đồ họa dùng trong công tác thành lập bản đồ số
• 2. PHẦN 2: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN
• 2.1. Thực trạng của các hiện trường được lựa chọn tại huyện Cao Phong
• 2.2. Điều kiện tự nhiên, khí hậu, thủy văn
• 2.3. Nhận xét và đánh giá chung
• 3. PHẦN 3: MỤC TIÊU - NỘI DUNG - PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. Phương pháp nghiên cứu
• 4. PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Các bước xây dựng bản đồ rừng Cao Phong - Hòa Bình
• 4.2. Kết quả xử lý số liệu
• 4.3. Kết quả xây dựng bản đồ thiết kế Hòa Bình
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH

Tóm tắt

I. Cách công nghệ GIS cách mạng hóa việc xây dựng bản đồ rừng

Trong bối cảnh tài nguyên rừng đang đối mặt với nhiều thách thức, việc quản lý hiệu quả và bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu. Phương pháp quản lý truyền thống dựa trên bản đồ giấy bộc lộ nhiều hạn chế về tính chính xác, khả năng cập nhật và lưu trữ. Sự ra đời của Hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành lâm nghiệp. Công nghệ này không chỉ là một công cụ vẽ bản đồ, mà là một hệ thống toàn diện cho phép thu thập, quản lý, phân tích và trực quan hóa mọi loại dữ liệu không gian. Ứng dụng công nghệ GIS trong xây dựng bản đồ hiện trạng rừng trồng cho phép các nhà quản lý có cái nhìn chính xác, đa chiều và luôn được cập nhật về tài nguyên. Từ đó, các quyết định liên quan đến quy hoạch sử dụng đất, giám sát và bảo vệ rừng trở nên khoa học và hiệu quả hơn. Nghiên cứu tại Cao Phong, Hòa Bình là một minh chứng điển hình cho tiềm năng to lớn này.

1.1. Khái niệm và vai trò của hệ thống thông tin địa lý GIS

Một hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information Systems - GIS) là tập hợp có tổ chức của phần cứng máy tính, phần mềm, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế để thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý. Vai trò của GIS trong lâm nghiệp là vô cùng quan trọng. Nó biến đổi các dữ liệu thô từ ảnh vệ tinh, đo đạc GPS, và thu thập dữ liệu thực địa thành các thông tin hữu ích. GIS giúp tạo ra các bản đồ chuyên đề thể hiện các lớp thông tin khác nhau như lớp phủ thực vật, loại đất, độ dốc, hay trữ lượng carbon. Điều này hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý tài nguyên rừng, giúp theo dõi giám sát biến động rừng và đưa ra các quyết sách kịp thời.

1.2. Sự cần thiết của việc số hóa bản đồ trong lâm nghiệp

Công tác quản lý rừng ở cấp cơ sở trước đây phần lớn dựa vào bản đồ giấy, một phương pháp bộc lộ nhiều bất cập. Mỗi khi có sự thay đổi về hiện trạng, việc cập nhật đòi hỏi phải vẽ lại một bản đồ mới, tốn nhiều thời gian và dễ phát sinh sai số. Bản đồ số, được tạo ra và quản lý bởi GIS, khắc phục hoàn toàn những nhược điểm này. Việc số hóa bản đồ cho phép thông tin được cập nhật nhanh chóng, chính xác. Dữ liệu có thể được lưu trữ gọn nhẹ, an toàn và dễ dàng chia sẻ. Từ một cơ sở dữ liệu GIS duy nhất, người dùng có thể in bản đồ ở bất kỳ tỷ lệ nào, tạo ra các phân tích phức tạp như chồng xếp các lớp thông tin, và truy vấn dữ liệu thuộc tính của từng lô rừng một cách dễ dàng. Đây là nền tảng cho một hệ thống quản lý lâm nghiệp hiện đại, linh hoạt và chính xác.

II. Thách thức quản lý tại sao cần bản đồ hiện trạng rừng

Quản lý rừng trồng đối mặt với nhiều thách thức cố hữu. Sự suy giảm diện tích do các hoạt động dân sinh, hiệu quả kinh tế chưa cao, và việc thiếu hụt thông tin chính xác, kịp thời là những rào cản lớn. Việc quản lý dựa trên các tài liệu giấy, rời rạc khiến công tác theo dõi, kiểm kê và lập kế hoạch trở nên khó khăn. Không có một bức tranh tổng thể, các nhà quản lý khó có thể đánh giá đúng hiện trạng lâm nghiệp Cao Phong hay bất kỳ khu vực nào khác. Đây chính là lúc bản đồ hiện trạng rừng phát huy vai trò không thể thiếu của mình. Một bản đồ chính xác không chỉ thể hiện vị trí, diện tích các lô khoảnh mà còn là công cụ để đánh giá những biến động theo thời gian. Nó là cơ sở để thực hiện các nghiên cứu khoa học, lập kế hoạch khai thác, trồng mới, và đặc biệt là phục vụ các dự án liên quan đến môi trường như dự án AR-CDM.

2.1. Hạn chế của phương pháp thành lập bản đồ truyền thống

Phương pháp thành lập bản đồ thủ công trên giấy gặp phải nhiều hạn chế nghiêm trọng. Quá trình đo vẽ ngoài thực địa tốn nhiều công sức, thời gian và chi phí. Độ chính xác của bản đồ phụ thuộc lớn vào tay nghề của người vẽ và dễ bị ảnh hưởng bởi sai số đồ họa trong quá trình sao chép, thanh vẽ. Khi hiện trạng rừng thay đổi, việc cập nhật bản đồ giấy là một quy trình phức tạp và không đồng bộ. Hơn nữa, việc khai thác thông tin từ bản đồ giấy rất hạn chế, chủ yếu là đọc các ký hiệu và ghi chú trên bề mặt. Không thể thực hiện các phép phân tích không gian phức tạp hay liên kết với các bảng dữ liệu thống kê một cách tự động. Những nhược điểm này làm cho công tác quản lý trở nên bị động và thiếu hiệu quả trong bối cảnh tài nguyên rừng biến động nhanh chóng.

2.2. Vai trò của bản đồ hiện trạng trong quản lý tài nguyên rừng

Bản đồ hiện trạng rừng là tài liệu nền tảng, cung cấp thông tin cốt lõi cho mọi hoạt động trong quản lý tài nguyên rừng. Vai trò của nó thể hiện ở các khía cạnh: (1) Cung cấp cơ sở dữ liệu chính xác về vị trí, ranh giới, diện tích của từng lô, khoảnh rừng. (2) Là công cụ để theo dõi, giám sát biến động rừng qua các thời kỳ, giúp phát hiện sớm các khu vực bị suy thoái hoặc xâm lấn. (3) Hỗ trợ công tác quy hoạch sử dụng đất lâm nghiệp, xác định các khu vực phù hợp cho trồng mới, khai thác, hay bảo tồn. (4) Là đầu vào quan trọng cho các mô hình tính toán, đánh giá sinh khối và trữ lượng carbon, phục vụ các chương trình tín chỉ carbon như AR-CDM. Một bản đồ hiện trạng được xây dựng bằng công nghệ GIS sẽ tối ưu hóa tất cả các vai trò này.

III. Phương pháp thu thập dữ liệu GIS cho bản đồ hiện trạng

Chất lượng của một bản đồ GIS phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của dữ liệu đầu vào. Quá trình thu thập dữ liệu là bước nền tảng, quyết định sự thành công của toàn bộ dự án. Đối với việc xây dựng bản đồ hiện trạng rừng tại Cao Phong, Hòa Bình, phương pháp thu thập được áp dụng một cách đa dạng và có sự kết hợp. Dữ liệu không chỉ đến từ một nguồn duy nhất mà được tổng hợp từ các tài liệu sẵn có, kết quả điều tra thực địa và công nghệ viễn thám. Việc kế thừa các bản đồ thiết kế, bản đồ địa hình giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Đồng thời, việc khảo sát ngoại nghiệp sử dụng thiết bị định vị GPS để xác minh, hiệu chỉnh và cập nhật những thay đổi thực tế đảm bảo tính thời sự của dữ liệu. Sự kết hợp này tạo ra một bộ cơ sở dữ liệu GIS đáng tin cậy cho các bước phân tích và xử lý tiếp theo.

3.1. Kế thừa tài liệu số liệu bản đồ có sẵn

Phương pháp kế thừa tài liệu là bước đi hiệu quả và nhanh chóng. Trong nghiên cứu tại Cao Phong, các tài liệu quan trọng đã được thu thập và sử dụng làm nền, bao gồm: Bản đồ thiết kế trồng rừng của dự án AR-CDM các năm 2009-2010, bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000, và các số liệu liên quan đến lô, khoảnh. Việc tận dụng những tài liệu đã có giúp tiết kiệm đáng kể nguồn lực, không đòi hỏi đầu tư lớn về trang thiết bị đo đạc. Tuy nhiên, chất lượng bản đồ cuối cùng phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của tài liệu gốc. Do đó, bước tiếp theo là phải phân tích, đánh giá chất lượng và tiến hành các biện pháp hiệu chỉnh, cập nhật để đảm bảo dữ liệu phản ánh đúng thực tế nhất có thể.

3.2. Phương pháp thu thập dữ liệu thực địa bằng GPS

Để xác minh và cập nhật thông tin từ bản đồ cũ, phương pháp ngoại nghiệp là bắt buộc. Công tác thu thập dữ liệu thực địa được thực hiện bằng cách sử dụng máy định vị GPS. Các nhóm khảo sát di chuyển đến các vị trí trọng yếu, các lô rừng có sự thay đổi để ghi nhận tọa độ chính xác. Phương pháp khoanh vẽ hiện trạng các lô rừng bị mất hoặc thay đổi được thực hiện trực tiếp tại hiện trường. Bên cạnh đó, các ô mẫu tiêu chuẩn được thiết lập để thu thập dữ liệu thuộc tính như đường kính cây, loài cây, mật độ, phục vụ cho việc đánh giá sinh khối. Dữ liệu từ GPS sau đó được trút vào máy tính, tạo thành một lớp thông tin quan trọng để chồng xếp và hiệu chỉnh bản đồ nền, đảm bảo bản đồ cuối cùng có độ chính xác cao.

IV. Quy trình xây dựng bản đồ hiện trạng rừng bằng GIS

Sau khi dữ liệu được thu thập, quy trình xử lý và xây dựng bản đồ bằng phần mềm chuyên dụng được tiến hành. Đây là giai đoạn cốt lõi biến những dữ liệu rời rạc thành một sản phẩm bản đồ số thông minh và có cấu trúc. Trong nghiên cứu này, phần mềm Mapinfo được sử dụng làm công cụ chính. Toàn bộ quy trình được thực hiện trên máy tính, giúp giảm thiểu sai số và tăng tốc độ hoàn thành. Các bước chính bao gồm: số hóa bản đồ giấy, tạo cấu trúc cơ sở dữ liệu, liên kết thông tin không gian với thông tin thuộc tính, và cuối cùng là biên tập, trình bày bản đồ. Phương pháp này cho phép tạo ra các sản phẩm bản đồ có độ chính xác cao, dễ dàng chỉnh sửa, cập nhật và có khả năng thực hiện các phép phân tích không gian phức tạp, đáp ứng yêu cầu cấp bách trong quản lý tài nguyên rừng hiện nay.

4.1. Kỹ thuật số hóa và xử lý dữ liệu không gian

Bước đầu tiên trong xử lý nội nghiệp là số hóa bản đồ. Các bản đồ giấy (bản đồ địa hình, bản đồ thiết kế) được quét (scan) để tạo thành ảnh số (dữ liệu Raster). Sau đó, trong môi trường phần mềm GIS, người thực hiện sẽ tiến hành "vẽ lại" các đối tượng trên ảnh nền thành dữ liệu vector. Quá trình này được gọi là số hóa thủ công. Các đối tượng như ranh giới lô, khoảnh được vẽ thành các vùng (polygon), sông suối, đường giao thông được vẽ thành các đường (line). Mỗi đối tượng được gán một mã định danh duy nhất. Mục tiêu của quá trình này là biến đổi dữ liệu từ dạng ảnh tĩnh thành dữ liệu vector có cấu trúc, có thể được máy tính hiểu và xử lý. Các phần mềm như phần mềm ArcGIS hay QGIS cũng thực hiện quy trình tương tự.

4.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu và liên kết thông tin thuộc tính

Một bản đồ số trong GIS không chỉ chứa thông tin hình học (vị trí, hình dạng) mà còn chứa các thông tin thuộc tính chi tiết. Sau khi các đối tượng không gian được số hóa, một cơ sở dữ liệu GIS thuộc tính được xây dựng. Các bảng dữ liệu được tạo ra với các trường thông tin như: mã lô, tên loài cây, năm trồng, diện tích, trữ lượng carbon... Mối liên kết giữa đối tượng trên bản đồ (dữ liệu không gian) và thông tin trong bảng (dữ liệu thuộc tính) được thiết lập thông qua một mã ID chung. Nhờ sự liên kết này, người dùng có thể nhấp vào một lô rừng trên bản đồ và ngay lập tức xem được toàn bộ thông tin chi tiết về nó. Đây chính là ưu điểm vượt trội của GIS so với bản đồ giấy truyền thống.

V. Kết quả thực tiễn Bản đồ hiện trạng rừng tại Cao Phong

Việc ứng dụng công nghệ GIS trong xây dựng bản đồ hiện trạng rừng trồng tại Cao Phong, Hòa Bình đã mang lại những kết quả cụ thể và có giá trị thực tiễn cao. Nghiên cứu đã xây dựng thành công bộ bản đồ số chi tiết, phản ánh đúng thực trạng rừng trồng trong khu vực dự án AR-CDM. Các bản đồ này không chỉ là những hình ảnh tĩnh mà là một cơ sở dữ liệu GIS sống, cho phép truy vấn và phân tích. Kết quả quan trọng nhất là việc xác định được sự sai khác giữa diện tích thiết kế và diện tích thực tế, cung cấp bằng chứng xác thực cho các nhà quản lý. Bên cạnh đó, việc xây dựng được bản đồ phân bố trữ lượng carbon đã nâng cao giá trị của nghiên cứu, trực tiếp phục vụ mục tiêu của dự án và mở ra hướng ứng dụng mới cho công nghệ GIS tại địa phương.

5.1. So sánh bản đồ thiết kế và bản đồ hiện trạng thực tế

Một trong những kết quả nổi bật là việc phát hiện sự chênh lệch đáng kể giữa kế hoạch và thực tế. Bằng phương pháp chồng xếp bản đồ thiết kế và bản đồ hiện trạng được cập nhật từ thực địa, nghiên cứu đã thống kê chi tiết diện tích rừng bị mất hoặc không được trồng. Ví dụ, tại khu vực Xóm Má, diện tích thiết kế trồng năm 2010 là 46,97 ha nhưng trên thực tế không thực hiện trồng (0 ha). Tại Xóm Cạn, tỷ lệ diện tích thực tế so với thiết kế chỉ đạt khoảng 73-75%. Nguyên nhân được xác định bao gồm địa hình hiểm trở, công tác quản lý chưa chặt chẽ và tình trạng chăn thả gia súc. Những số liệu này là thông tin đầu vào cực kỳ quan trọng, giúp chính quyền địa phương và chủ dự án có những điều chỉnh kịp thời.

5.2. Xây dựng bản đồ phân bố trữ lượng Carbon rừng trồng

Vượt qua việc chỉ lập bản đồ hiện trạng, nghiên cứu đã tiến thêm một bước khi xây dựng bản đồ chuyên đề về phân bố trữ lượng carbon. Dựa trên số liệu đánh giá sinh khối thu thập từ các ô mẫu thực địa và kế thừa kết quả từ các nghiên cứu liên quan, trữ lượng carbon của từng lô rừng đã được tính toán. Thông tin này sau đó được liên kết với cơ sở dữ liệu GIS thuộc tính. Kết quả là một bản đồ trực quan, thể hiện rõ những khu vực có khả năng tích lũy carbon cao và những khu vực thấp. Bản đồ này không chỉ phục vụ công tác quản lý, theo dõi mà còn là tài liệu quan trọng để báo cáo cho dự án AR-CDM, minh chứng cho hiệu quả giảm phát thải khí nhà kính của rừng trồng.

VI. Đánh giá và định hướng phát triển ứng dụng GIS Lâm nghiệp

Kết quả nghiên cứu tại Cao Phong đã khẳng định tính ưu việt của việc ứng dụng GIS trong công tác xây dựng và quản lý bản đồ rừng. Công nghệ này giúp tăng độ chính xác, tiết kiệm thời gian, và nâng cao hiệu quả quản lý một cách rõ rệt. Việc xây dựng thành công cơ sở dữ liệu GIS cho phép chỉnh lý, bổ sung biến động một cách dễ dàng, giúp các nhà quản lý luôn có thông tin cập nhật để ra quyết định. Tuy nhiên, việc triển khai vẫn còn một số tồn tại như hạn chế về thời gian khảo sát thực địa. Để phát huy tối đa hiệu quả, cần có sự quan tâm đầu tư hơn nữa từ các cơ quan quản lý. Việc nhân rộng mô hình này và ứng dụng sâu hơn các công nghệ như viễn thám và máy bay không người lái (UAV/Drone) sẽ là hướng đi tất yếu cho ngành quản lý lâm nghiệp Việt Nam trong tương lai.

6.1. Ưu điểm và tồn tại của phương pháp nghiên cứu

Phương pháp ứng dụng GIS đã chứng tỏ nhiều ưu điểm vượt trội: (1) Cung cấp sản phẩm bản đồ số với độ chính xác cao. (2) Tạo ra một cơ sở dữ liệu tập trung, dễ quản lý và cập nhật. (3) Cho phép thực hiện các phân tích không gian và tạo ra các bản đồ chuyên đề có giá trị. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra một số tồn tại. Do thời gian và nguồn lực có hạn, việc khảo sát thực địa chưa thể bao phủ toàn bộ diện tích, một số thao tác khoanh vẽ vẫn mang tính tương đối. Độ chính xác của kết quả cuối cùng vẫn phụ thuộc một phần vào chất lượng của các bản đồ gốc được kế thừa. Để khắc phục, các nghiên cứu trong tương lai cần có thời gian thực địa dài hơn và kết hợp thêm nhiều nguồn dữ liệu có độ phân giải cao.

6.2. Đề xuất và kiến nghị nhân rộng mô hình ứng dụng GIS

Từ thành công của đề tài, một số kiến nghị được đề xuất. Cần ứng dụng hệ thống thông tin địa lý một cách sâu rộng hơn nữa tại các địa phương, không chỉ trong lâm nghiệp mà còn trong các lĩnh vực khác như quản lý đất đai, quy hoạch đô thị. Các cơ quan quản lý nhà nước cần quan tâm, tạo điều kiện và đầu tư để xây dựng các bộ cơ sở dữ liệu GIS cấp huyện, tỉnh một cách đồng bộ. Việc kết hợp GIS với các công nghệ mới như ảnh vệ tinh độ phân giải cao hay dữ liệu từ máy bay không người lái (UAV/Drone) sẽ giúp công tác giám sát biến động rừng trở nên nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm chi phí hơn nữa. Nhân rộng mô hình này sẽ góp phần quan trọng vào công cuộc quản lý tài nguyên bền vững trên cả nước.