ĐẶT VẤN ĐỀ Rừng là nguồn tài nguyên có ý nghĩa to lớn về kinh tế và bảo vệ môi trƣờng của đất nƣớc. Trong nhũng năm gần đây, diện tích rừng, nhất là rừng tự nhiên bị giảm đi ở nhiều nơi, có địa phƣơng mất hàng nhìn hecta mỗi năm. Vì vậy, phát hiện sớm tình trạng mất rừng để có những biện pháp ngăn chặn kịp thời là nhiệm vụ cấp bách của bảo vệ và phát triển rừng. Trƣớc đây, do thiếu tƣ liệu ảnh vệ tinh, thiếu những phƣơng pháp và công nghệ xử lý dữ liệu mà việc phát hiện và dự đoán mất rừng, suy thoái rừng đƣợc thực hiện chủ yếu qua các cuộc tuần tra, khảo sát, tổng hợp báo cáo diễn biến rừng hàng năm của các cơ quan liểm lân và qua các đợt tổng điều tra rừng với chu kỳ 5 năm.
Số liệu thƣờng có độ chính xác thấp, không kịp thời, và ít hiệu quá trong công tác bảo vệ, ngăn chặn mất rừng. Ngày nay, với sự ra đời của hàng loạt các vệ tinh có khả năng cung cấp nguồn ảnh viễn thám với độ phân giải ngày càng cao và chu kỳ bay chụp ngắn đã mở ra triển vọng lớn cho việc dự báo sớm mất rừng. Nghiên cứu sử dụng tƣ liệu viễn thám vào xác định biến động tài nguyên rừng đã đƣợc thực hiện ở nhiều nơi. Tuy nhiên, các phần lớn quan tâm đến biến động diện tích rừng sau một năm hoặc một số năm.
Hiện còn ít nghiên cứu để xác định độ suy thoái và mất rừng trong khoảng thời gian ngắn nhƣ hàng ngày và hàng tháng. Đây mới là những nghiên cứu có ý nghĩa to lớn cho thực tiễn quản lý rừng hiện nay. Xuất phát từ những thực tiễn trên, đề tài “Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS để phát hiện sớm mất rừng góp phần nâng cao hiệu quả quản lý rừng tại huyện Sơn Động, tỉnh Bắc Giang” đƣợc nghiên cứu nhằm dự báo sớm và góp phần quan trọng trong công tác bảo vệ, ngăn chặn mất rừng tại địa phƣơng. 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.
Nghiên cứu và ứng dụng GIS trên thế giới 1. Nghiên cứu về GIS: Hệ thống thông tin địa lý GIS (viết tắt của cụm từ tiếng Anh Geographic Information Systems) là một công cụ tập hợp những quy trình dựa trên máy tính để lập bản đồ, lƣu trữ và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật hiện tƣợng thực trên trái đất, dự đoán tác động và hoạch định chiến lƣợc. Thuật ngữ này đƣợc biết đến từ những năm 60 của thế kỉ 20 và Giáo sƣ Roger Tomlinson đƣợc cả thế giới công nhận là cha đẻ của GIS. Một tập hợp có tổ chức của phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và con ngƣời đƣợc thiết kế để thu nhận, lƣu trữ, cập nhật, thao tác phân tích làm mô hình và hiển thị tất cả các dạng thông tin địa lý có quan hệ không gian nhằm giải quyết các vấn đề về quản lý và quy hoạch.
[4] Mô hình công nghệ Dữ liệu Quản lí dữ Xử lí dữ Phân tích Dữ liệu ra vào liệu liệu và mô hình Hình 1.1 Mô hình công nghệ GIS 1. Các thành phần GIS Dữ liệu Phƣơng pháp Con ngƣời phân tích GIS gồm 5 thành phần Phần cứng Phần mềm Hình 1. Các thành phần của GIS 2 Các thành phần này kết hợp với nhau nhằm tự động quản lý và phân phối thông tin thông tin qua biểu diễn địa lý. Chức năng GIS Một hệ GIS phải đảm bảo đƣợc 6 chức năng cơ bản sau: Capture: thu thập dữ liệu.
Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số… Store: lƣu trữ. Dữ liệu có thể đƣợc lƣu dƣới dạng vector hay raster. Query: truy vấn (tìm kiếm). Ngƣời dùng có thể truy vấn thông tin đồ hoạ hiển thị trên bản đồ. Analyze: phân tích.
Đây là chức năng hộ trợ việc ra quyết định của ngƣời dùng. Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi. Display: hiển thị. Hiển thị bản đồ.
Output: xuất dữ liệu. Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dƣới nhiều định dạng: giấy in, Web, ảnh, file… 1. Nghiên cứu về Viễn Thám Gi i thiệu chung Viễn thám tiếng anh gọi là Remote Sending đƣợc hiểu nhƣ một khoa học, nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tƣợng, khu vực hay hiện tƣợng trên bề mặt Trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Công việc này đƣợc thực hiện bởi cảm nhận (sensing) và lƣu trữ các nặng lƣợng phản xạ hay đƣợc phát ra từ các đối tƣợng nghiên cứu.
Sau đó là thực hiện phân tích, xử lý và ứng dụng các thông tin nay vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Thuật ngữ viễn thám (Remote sensing) điều tra từ xa, xuất hiện từ năm 1960 do một nhà địa lý ngƣời Mỹ là E.Pruit đặt ra (Thomas, 1999). Ngày nay kỹ thuật viễn thám đã đƣợc phát triển và ứng dụng rất nhanh và rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực. Nhìn chung viễn thám thông qua kỹ thuật hiện đại không tiếp cận với đối tƣợng mà xác định nó qua thông tin ảnh chụp từ khoảng cách vài chục mét 3 tới vài nghìn km.
Kỹ thuật viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn khác nhau nhƣ: + Thu nhận thông tin + Tiền xử lý thông tin + Phân tích và giải đoán thông tin + Đƣa ra các sản phẩm dƣới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp. Đặc trưng của ảnh Viễn thám Năng lƣợng điện tử có thể đƣợc nhận biết bằng phim ảnh hay điện tử. Có thể ghi biến thiên năng lƣợng trên phim nháy ánh sáng. Cần phân biệt hai khái niệm ảnh (image) và ảnh chụp (photograph) trong viễn thám.
Ảnh đƣợc hiểu là hình thức biểu diễn “cảnh” bất kỳ, không quan tâm đến bƣớc sóng hay thiết bị viễn thám nào đƣợc sử dụng. Ảnh chụp đề cập đến ảnh đƣợc chụp trên phim ảnh. Thông thƣờng, ảnh đƣợc chụp tại bƣớc sóng từ 0. Vậy, mọi ảnh chụp là ảnh, nhƣng không phải mọi ảnh là ảnh chụp.
Ảnh chụp có thể đƣợc biểu diễn và hiển thị dƣới dạng ảnh số bằng cách chia ảnh thành các ô vuông nhỏ bằng nhau (theo cột và hàng), gọi là pixel. Biểu diễn độ sang của mỗi vùng bằng một giá trị số (DN- Digital Number). Các loại ảnh viễn thám a. Khuôn mẫu dữ liệu ảnh viễn thám Khuôn mẫu dữ liệu ảnh viễn thám mô tả cách thức dữ liệu đƣợc ghi lên thiết bị lƣu trữ, ví dụ DVD.
Một ảnh viễn thám thƣờng đƣợc lƣu trữ trong hai tệp, ví dụ với Landsat ETM+ nhƣ sau: Tệp metadata: Chứa tập các mô tả bằng chữ hay số của dữ liệu lƣu trữ trong tệp dữ liệu ảnh (tệp thứ 2). Chúng bao gồm tổng số dòng quét, số pixel/dòng, phép chiếu sử dụng tọa độ địa lý của tâm ảnh. Tệp dữ liệu ảnh: Chứa các giá trị điểm ảnh của các kênh 1-7, sắp xếp theo từng kênh. Với mỗi kênh, các giá trị pixel của dòng quét thứ 1 sẽ đƣợc 4 lƣu trữ từ trái sang phải thành một bản ghi.
Tiếp theo là lƣu trữ dữ liệu của dòng quét thứ 2,… b. Một số hệ thống vệ tinh và loại ảnh viễn thám Vệ tinh/Cảm biến thời tiết Theo dõi và dự báo thời tiết là một trong những ứng dụng dân sự đầu tiên của vệ tinh viễn thám. Dƣới đây là một vài cảm biến/ vệ tinh tiêu biểu, sử dụng trong các ứng dụng khí tƣợng. GOES Vệ tinh địa tĩnh môi trƣờng GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) là phiên bản tiếp theo của các hệ thống vệ tinh ATS.
Chúng đƣợc NASA thiết kế cho cơ quan khí tƣợng và đại dƣơng quốc tế Hoa Kỳ nhằm cung cấp thƣờng xuyên các bức ảnh kích thƣớc 7 nhỏ về bề mặt Trái đất và sự bảo phủ của mây. Các vệ tinh thế hệ GOES đã đƣợc các nhà khí tƣợng học sử dụng rỗng rãi trong việc giám sát và dự báo thời tiết trong hơn 20 năm nay. Những vệ tinh này là một phần của mạng lƣới vệ tinh khí tƣợng toàn cầu đƣợc bố trí cách nhau khoảng 70 độ theo trục Kinh độ của trái đất, nó bao phủ gần nhƣ toàn cầu. NOAA AVHRR : Đây là các vệ tinh khí tƣợng hoạt động trên quỹ đạo gần cực ở độ cao 380- 870 km, đƣợc đồng bộ với Mặt trời (sun- synchronous), chúng là một phần của thế hệ vệ tinh TIROS cái tiến, chúng cung cấp các thông tin bổ sung cho các vệ tinh khí tƣợng địa tĩnh (GOES).
Mỗi cặp vệ tinh có thể bao phủ toàn cầu, chúng làm việc cùng nhau để đảm bảo thông tin ở bất kỳ vùng nào trên Trái đất đều đƣợc cập nhật sau không quá 6 giờ. Một trong chúng bay ngang qua xích đạo theo hƣớng từ Bắc tới Nam vào buổi sáng sớm trong khi vệ tinh còn lại làm việc này vào buổi chiều. Các cảm biến/ vệ tinh quan trắc mặt đất Landsat : Mặc dù tồn tại nhiều hệ thống vệ tinh thời tiết, tuy nhiên tất cả đều sử dụng cho mục đích giám sát bề mặt Trái đất, chúng không đƣợc 5 thiết kế tối ƣu cho mục đích lập bản đồ chi tiết bề mặt trái đất. Vệ tinh đầu tiên đƣợc thiết kế để giám sát bề mặt Trái đất, vệ tinh Landsat-1, đƣợc phóng bởi NASA vào năm 1972.
Ban đầu đƣợc gọi là ERTS-1 (Earth Resource Technology Satellite), Landsat đƣợc thiết kế nhƣ một thử nghiệm để kiểm tra tính khả thi của việc thu thập dữ liệu quan trắc Trái đất đa quang phổ. Kể từ đó, chƣơng trình đã thu thập đƣợc dữ liệu phong phú từ khắp nơi trên thế giới từ một số vệ tinh Landsat. SPOT : SPOT (Systeme Pour l’Observation de la Terre) là thế hệ vệ tinh chụp ảnh và quan sát Trái đất đƣợc thiết kế và phóng lên bởi CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) của Pháp, với sự hỗ trợ của Thụy Điển và Bỉ. Ảnh SPOT tƣơng đối đa dạng về dải phổ và độ phân giải không gian từ thấp, trung bình đến cao (5m-1km), trƣờng phủ mặt đất của ảnh SPOT cũng tƣơng đối đa dạng từ 10km x 10km đến 200km x 200km.
Ảnh SPOT có thể thu ảnh của từng ngày, thƣờng vào 11h sáng. IRS : Các vệ tinh viễn thám của Ấn Độ (IRS) kết hợp các tính năng của cảm biến MSS/TM và cảm biến HRV SOPT. Vệ tinh thứ ba của thế hệ vệ tinh IRS là IRS-1C đƣợc phóng lên năm 1995 có ba độ cảm biến. Các cảm biến toàn sắc không chỉ có độ phân giải cao mà còn có thể 8 đƣợc định hƣớng tới một góc 26º quanh trục, cho phép chụp ảnh lập thể và tăng tần suất quét lại.
Bảng dƣới đây cung cấp những đặc điểm cụ thể của mỗi cảm biến.