Tổng quan nghiên cứu

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong quản lý tài nguyên rừng ngày càng trở nên thiết yếu, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi môi trường và áp lực khai thác tài nguyên ngày càng gia tăng. Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng, với diện tích 123.326 ha và độ che phủ rừng khoảng 92%, là một trong những khu vực rừng nguyên sinh quan trọng của Việt Nam, được UNESCO công nhận là Di sản thiên nhiên thế giới từ năm 2003. Tuy nhiên, công tác giám sát và đánh giá biến động thảm thực vật tại đây còn nhiều hạn chế do thiếu đồng bộ về dữ liệu và phương pháp phân tích. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng năm 2019, đánh giá biến động thảm thực vật giai đoạn 2009-2019, đồng thời đề xuất quy trình sử dụng ảnh vệ tinh trong giám sát tài nguyên rừng tại Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại huyện Bố Trạch và Minh Hóa, tỉnh Quảng Bình, sử dụng ảnh vệ tinh Sentinel-2A với độ phân giải không gian 10x10m. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, bảo tồn và phát triển bền vững tài nguyên rừng, góp phần nâng cao hiệu quả giám sát biến động thảm thực vật trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS). Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu nhận thông tin về đối tượng, khu vực mà không tiếp xúc trực tiếp, thông qua các cảm biến trên vệ tinh hoặc máy bay. Các đặc trưng phổ phản xạ của thảm thực vật, thổ nhưỡng và nước được phân tích để phân loại và đánh giá trạng thái rừng. GIS là công cụ máy tính để lưu trữ, phân tích và trình bày dữ liệu không gian, cho phép tích hợp các lớp thông tin chuyên đề khác nhau nhằm mô hình hóa và phân tích biến động tài nguyên rừng. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Phân loại ảnh viễn thám: Phân loại có kiểm định và không kiểm định dựa trên đặc trưng phổ và cấu trúc không gian.
  • Chỉ số thực vật NDVI: Chỉ số đánh giá sức khỏe và mật độ thảm thực vật dựa trên phổ phản xạ vùng đỏ và hồng ngoại gần.
  • Ma trận biến động: Công cụ phân tích sự thay đổi trạng thái rừng giữa các thời điểm.
  • Chỉ số Kappa: Đánh giá độ chính xác phân loại ảnh viễn thám.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là ảnh vệ tinh Sentinel-2A chụp ngày 11/4/2019 với độ phân giải 10x10m, kết hợp ảnh Landsat 5 cho giai đoạn 2009. Dữ liệu được xử lý qua các bước: hiệu chỉnh bức xạ, hiệu chỉnh hình học, phân đoạn ảnh bằng phần mềm eCognition Developer sử dụng phương pháp phân loại hướng đối tượng. Bộ mẫu khóa ảnh (MKA) gồm 90 điểm mẫu được thu thập ngoài thực địa bằng máy định vị GPS, phân bố đều trên các dạng lập địa và trạng thái rừng khác nhau, làm cơ sở cho phân loại có kiểm định. Độ chính xác phân loại được đánh giá bằng chỉ số Kappa và ma trận sai số phân loại. Quá trình phân tích biến động sử dụng phần mềm ArcGIS 10.4, áp dụng công cụ Union để chồng ghép bản đồ hiện trạng rừng năm 2009 và 2019, từ đó xây dựng ma trận biến động và phân tích sự thay đổi diện tích các trạng thái rừng. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm thu thập dữ liệu, xử lý ảnh, điều tra thực địa, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Bản đồ hiện trạng thảm thực vật năm 2019 được xây dựng với độ chính xác toàn cục đạt khoảng 85%, chỉ số Kappa đạt 0.82, cho thấy phân loại ảnh có độ tin cậy cao. Diện tích rừng nguyên sinh chiếm khoảng 88,3% tổng diện tích Vườn quốc gia, với các trạng thái rừng khác nhau được phân loại rõ ràng theo quy định của Thông tư 33/2018/TT-BNNPTNT.

  2. Biến động thảm thực vật giai đoạn 2009-2019 cho thấy diện tích rừng nguyên sinh giảm khoảng 3,5%, trong khi diện tích rừng phục hồi sinh thái tăng khoảng 2,1%. Diện tích đất trống và đất bị suy thoái tăng nhẹ, phản ánh tác động của các hoạt động khai thác và biến đổi môi trường.

  3. Ma trận biến động cho thấy tỷ lệ chuyển đổi giữa các trạng thái rừng, trong đó có khoảng 4% diện tích rừng nguyên sinh chuyển sang trạng thái rừng suy thoái hoặc đất trống, đồng thời có sự phục hồi diện tích rừng ở một số khu vực nhờ công tác bảo vệ và phục hồi.

  4. Nguyên nhân biến động được xác định chủ yếu do các hoạt động khai thác gỗ trái phép, săn bẫy động vật hoang dã, và tác động của biến đổi khí hậu như hạn hán và lũ lụt. Các khu vực có địa hình phức tạp ít bị tác động hơn do khó tiếp cận.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân tích cho thấy công nghệ viễn thám và GIS là công cụ hiệu quả trong việc giám sát biến động thảm thực vật rừng, giúp phát hiện kịp thời các thay đổi về diện tích và trạng thái rừng. So sánh với các nghiên cứu tương tự tại các vườn quốc gia khác như Tam Đảo và Côn Đảo, mức độ biến động tại Phong Nha – Kẻ Bàng tương đối thấp, phản ánh hiệu quả của công tác quản lý bảo vệ rừng. Việc sử dụng ảnh Sentinel-2A với độ phân giải cao giúp nâng cao độ chính xác phân loại so với các ảnh Landsat trước đây. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tỷ lệ phần trăm diện tích các trạng thái rừng qua các năm và bảng ma trận biến động chi tiết, hỗ trợ trực quan cho công tác ra quyết định. Tuy nhiên, hạn chế về dữ liệu lịch sử và điều kiện thực địa còn ảnh hưởng đến độ chính xác tổng thể, đòi hỏi tiếp tục hoàn thiện cơ sở dữ liệu GIS và mở rộng điều tra thực địa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường thu thập và cập nhật dữ liệu viễn thám định kỳ hàng năm nhằm theo dõi biến động thảm thực vật kịp thời, nâng cao độ chính xác bản đồ hiện trạng và biến động. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng, thời gian: liên tục.

  2. Xây dựng và hoàn thiện cơ sở dữ liệu GIS đồng bộ về tài nguyên rừng, bao gồm dữ liệu động, thực vật, đất đai và các yếu tố môi trường liên quan, phục vụ công tác quản lý và nghiên cứu. Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Quảng Bình, thời gian: 1-2 năm.

  3. Đào tạo nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ quản lý và kỹ thuật viên về công nghệ viễn thám và GIS, đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống giám sát và phân tích dữ liệu. Chủ thể: Trường Đại học Lâm nghiệp phối hợp với Ban quản lý Vườn quốc gia, thời gian: 6-12 tháng.

  4. Phát triển quy trình chuẩn trong sử dụng ảnh vệ tinh và GIS cho công tác giám sát biến động rừng, bao gồm quy trình thu thập mẫu khóa ảnh, phân loại ảnh và đánh giá độ chính xác, nhằm đảm bảo tính nhất quán và khả năng so sánh qua các thời kỳ. Chủ thể: Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, thời gian: 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý rừng và bảo tồn thiên nhiên tại các vườn quốc gia và khu bảo tồn, giúp nâng cao hiệu quả giám sát và quản lý tài nguyên rừng thông qua ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý tài nguyên rừng, môi trường và địa lý có nhu cầu tìm hiểu phương pháp ứng dụng công nghệ không gian địa lý trong đánh giá biến động thảm thực vật.

  3. Các cơ quan quản lý nhà nước về nông nghiệp, lâm nghiệp và môi trường trong việc xây dựng chính sách, quy hoạch và giám sát tài nguyên thiên nhiên dựa trên dữ liệu không gian chính xác và cập nhật.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và dự án quốc tế hoạt động trong lĩnh vực bảo tồn đa dạng sinh học và phát triển bền vững, sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho các hoạt động giám sát và đánh giá tác động môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ viễn thám và GIS có ưu điểm gì trong giám sát biến động rừng?
    Viễn thám cung cấp dữ liệu ảnh số với độ phân giải cao, cho phép quan sát diện tích lớn và khu vực khó tiếp cận. GIS tích hợp và phân tích dữ liệu không gian giúp xây dựng bản đồ hiện trạng và biến động chính xác, nhanh chóng, giảm chi phí so với điều tra thực địa truyền thống.

  2. Ảnh vệ tinh Sentinel-2A có điểm gì nổi bật so với các loại ảnh khác?
    Sentinel-2A có độ phân giải không gian 10m, nhiều kênh phổ đa dạng (13 kênh), chu kỳ quan sát nhanh (5 ngày khi kết hợp với Sentinel-2B), phù hợp cho việc theo dõi biến động thảm thực vật chi tiết và thường xuyên.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác trong phân loại ảnh viễn thám?
    Sử dụng bộ mẫu khóa ảnh thu thập ngoài thực địa làm cơ sở phân loại có kiểm định, áp dụng thuật toán phân loại hướng đối tượng, đánh giá độ chính xác bằng chỉ số Kappa và ma trận sai số, đồng thời kiểm chứng ngẫu nhiên ngoài thực địa.

  4. Nguyên nhân chính gây biến động thảm thực vật tại Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng là gì?
    Chủ yếu do khai thác gỗ trái phép, săn bẫy động vật hoang dã, tác động của biến đổi khí hậu như hạn hán và lũ lụt, cùng với sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế xã hội trong vùng đệm.

  5. Quy trình đề xuất trong luận văn có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Quy trình sử dụng ảnh viễn thám Sentinel-2A kết hợp GIS và điều tra thực địa có thể áp dụng cho nhiều khu vực rừng khác có điều kiện tương tự, giúp nâng cao hiệu quả giám sát biến động tài nguyên rừng trên phạm vi rộng.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng năm 2019 tại Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng với độ chính xác cao, làm cơ sở cho công tác quản lý và bảo tồn.
  • Đánh giá biến động giai đoạn 2009-2019 cho thấy sự giảm nhẹ diện tích rừng nguyên sinh và sự gia tăng diện tích rừng phục hồi, phản ánh tác động đa chiều của con người và môi trường.
  • Phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS kết hợp điều tra thực địa được đề xuất có tính khả thi và hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế của khu vực nghiên cứu.
  • Các giải pháp đề xuất tập trung vào nâng cao năng lực công nghệ, hoàn thiện cơ sở dữ liệu và quy trình giám sát nhằm tăng cường bảo vệ tài nguyên rừng.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển tiếp theo trong việc ứng dụng công nghệ không gian địa lý cho quản lý tài nguyên thiên nhiên, góp phần phát triển bền vững và bảo tồn đa dạng sinh học.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai áp dụng quy trình đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các khu vực rừng khác để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên rừng trên toàn quốc.