Luận văn: Ứng dụng GIS, viễn thám đánh giá thảm thực vật rừng Tân Phú, Đồng Nai

Luận văn thạc sĩ ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám đánh giá hiện trạng, biến động thảm thực vật rừng tại huyện Tân Phú, Đồng Nai giai đoạn 2015-2023.

• Tác giả: Lê Danh Đức
• Người hướng dẫn: Ts. Lê Phú Tuấn
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Quản Lý Tài Nguyên Và Môi Trường
• Đề tài: Ứng dụng Công nghệ GIS và Viễn thám đánh giá Thảm thực vật rừng tại Huyện Tân Phú, Tỉnh Đồng Nai
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Đồng Nai

Tóm tắt

I. Giới thiệu về GIS và Viễn thám trong Đánh giá Thảm thực vật Rừng

GIS và viễn thám là những công nghệ hiện đại đóng vai trò quan trọng trong quản lý và bảo vệ tài nguyên rừng. Tại huyện Tân Phú, tỉnh Đồng Nai, việc ứng dụng các công nghệ này giúp đánh giá hiệu quả thảm thực vật rừng và biến động lớp phủ đất. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cho phép xử lý, phân tích dữ liệu không gian, trong khi viễn thám cung cấp ảnh vệ tinh độ phân giải cao để giám sát thực vật. Sự kết hợp giữa hai công nghệ này tạo ra những bản đồ chính xác, giúp các nhà quản lý rừng đưa ra quyết định khoa học. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng các công nghệ này để đánh giá hiện trạng tài nguyên rừng giai đoạn 2015-2023 tại huyện Tân Phú.

1.1. Khái niệm và ứng dụng Hệ thống Thông tin Địa lý GIS

GIS là công nghệ cho phép thu thập, lưu trữ, xử lý và phân tích dữ liệu không gian. Trong quản lý thảm thực vật rừng, GIS giúp tạo lập bản đồ, phân tích sự biến động của lớp phủ rừng và hỗ trợ việc quản lý tài nguyên rừng bền vững. Công nghệ này cho phép các chuyên gia theo dõi sự thay đổi của diện tích rừng, xác định các khu vực cần bảo vệ ưu tiên và đánh giá tác động của hoạt động kinh tế đến môi trường.

1.2. Vai trò của Viễn thám trong Giám sát Lớp phủ Thực vật

Viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh để theo dõi thảm thực vật rừng từ xa với độ chính xác cao. Các ảnh vệ tinh cung cấp thông tin về phổ phản xạ của thực vật, giúp phân loại các loại rừng tự nhiên và rừng trồng. Ứng dụng viễn thám giúp giám sát biến động diện tích rừng, phát hiện mất rừng sớm và đánh giá chất lượng lớp phủ thực vật một cách nhanh chóng, tiết kiệm chi phí so với phương pháp truyền thống.

II. Đặc điểm Khu vực Nghiên cứu Huyện Tân Phú

Huyện Tân Phú nằm tại tỉnh Đồng Nai, một khu vực có tiềm năng rừng lớn nhưng cũng đối mặt với áp lực từ phát triển kinh tế. Tài nguyên rừng tại đây bao gồm rừng tự nhiên, rừng trồng và các loài thực vật đa dạng. Điều kiện tự nhiên với khí hậu nhiệt đới, độ ẩm cao, lượng mưa phong phú tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của thảm thực vật rừng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, khu vực này chứng kiến sự biến động đáng kể trong hiện trạng lớp phủ đất. Nghiên cứu ứng dụng GIS và viễn thám tại huyện Tân Phú giúp cung cấp dữ liệu chính xác về tình trạng tài nguyên rừng và hỗ trợ các quyết định quản lý bền vững.

2.1. Điều kiện Tự nhiên và Khí hậu Thủy văn

Huyện Tân Phú có khí hậu nhiệt đới gió mùa với mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng 9. Lượng mưa hàng năm lên đến 2000-2500mm, tạo điều kiện thuận lợi cho thảm thực vật rừng phát triển. Nhiệt độ trung bình khoảng 25-26°C quanh năm. Địa hình chủ yếu là núi đồi, cao độ từ 100-800m, với các loài đất chuyên biệt phù hợp trồng rừng.

2.2. Hiện trạng Tài nguyên Rừng và Lâm học

Tài nguyên rừng tại huyện Tân Phú bao gồm rừng trồng chủ yếu là thông, keo với diện tích lớn, và rừng tự nhiên còn sót lại với thảm thực vật phong phú. Đặc điểm lâm học cho thấy các loài lá rộng thường xanh (LRTX) và hỗn giao gỗ-tre nứa (HG) là thành phần chính. Diện tích đất khác (DKH) và đất trống (DT1) đang gia tăng, phản ánh áp lực từ chuyển đổi mục đích sử dụng đất.

III. Phương pháp Giải đoán Ảnh Vệ tinh và Xây dựng Bản đồ Thảm thực vật

Để xây dựng bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng, nghiên cứu sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh từ các vệ tinh quan sát Trái đất với độ phân giải từ 10-30m. Quá trình giải đoán ảnh sử dụng mẫu khóa ảnh (MKA) được xây dựng dựa trên kiểm chứng thực địa. Bộ mẫu khóa này giúp phân loại các loại lớp phủ đất khác nhau như rừng trồng, rừng tự nhiên, đất trống và mặt nước. Phương pháp này kết hợp xử lý ảnh số trong GIS để tạo ra bản đồ hiện trạng có độ chính xác cao. Việc kiểm chứng kết quả giải đoán ảnh được thực hiện thông qua điều tra thực địa, đảm bảo dữ liệu viễn thám đáng tin cậy.

3.1. Bộ Mẫu Khóa Giải đoán Ảnh Vệ tinh

Mẫu khóa ảnh (MKA) được xây dựng bằng cách kết hợp kinh nghiệm lâm học với ảnh vệ tinh. Các mẫu này xác định đặc tính quang phổ của từng loại lớp phủ: rừng trồng có mẫu đều đặn, rừng tự nhiên có mẫu không đều, đất trống có phổ phản xạ cao. Bộ mẫu khóa được kiểm chứng tại 200+ điểm điều tra thực địa, đạt độ chính xác 85-90%.

3.2. Quy trình Kiểm chứng và Lập Bản đồ Chính thức

Sau khi giải đoán ảnh, kết quả được đưa ra kiểm chứng thực địa bằng GPS để xác minh độ chính xác. Dữ liệu viễn thám được hiệu chỉnh dựa trên những sai số phát hiện được. Bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng cuối cùng được tạo lập trong GIS, thể hiện phân bố không gian các loại lớp phủ đất với độ phân giải 30m.

IV. Đánh giá Biến động Tài nguyên Rừng và Giải pháp Quản lý

Biến động tài nguyên rừng tại huyện Tân Phú giai đoạn 2015-2023 được đánh giá thông qua phương pháp so sánh bản đồ hiện trạng hai thời kỳ. Kết quả cho thấy diện tích rừng giảm 15-20% trong giai đoạn 2015-2019, chủ yếu do chuyển đổi sang đất trống và mặt nước. Giai đoạn 2019-2023, tốc độ mất rừng giảm nhờ các chính sách bảo vệ rừng, nhưng thảm thực vật rừng vẫn còn suy giảm. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu đề xuất các giải pháp như nâng cao năng lực ứng dụng GIS và viễn thám trong giám sát rừng, đầu tư trang thiết bị hiện đại, và xây dựng quy trình giám sát thảm thực vật định kỳ. Việc áp dụng công nghệ viễn thám thường xuyên sẽ giúp phát hiện sớm các biến động, hỗ trợ quản lý tài nguyên rừng bền vững.

4.1. Kết quả Biến động Rừng 2015 2023

Phân tích bản đồ hiện trạng cho thấy diện tích rừng tự nhiên giảm từ 12,500 ha (2015) xuống 10,200 ha (2023). Rừng trồng có diện tích tương đối ổn định. Đất trống tăng 30%, phản ánh áp lực phát triển kinh tế. Mặt nước tăng do xây dựng các công trình thủy lợi. Tỷ lệ mất rừng bình quân 287 ha/năm giai đoạn 2015-2019, giảm còn 162 ha/năm giai đoạn 2019-2023.

4.2. Giải pháp Ứng dụng GIS và Viễn thám trong Quản lý Rừng

Đề xuất thiết lập hệ thống giám sát tài nguyên rừng sử dụng GIS và viễn thám trong thời gian thực. Đầu tư trang thiết bị như máy GPS, phần mềm GIS chuyên nghiệp. Xây dựng cơ sở dữ liệu lâm nghiệp tập trung. Thực hiện cập nhật bản đồ thảm thực vật hàng năm dựa trên ảnh vệ tinh mới. Đào tạo nhân lực chuyên môn để nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ trong quản lý rừng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Sự cần thiết của nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Mục tiêu tổng quát.

Mục tiêu cụ thể. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Đối tượng và vật liệu nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp kế thừa tài liệu. Phương pháp xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ thực vật. Phương pháp đánh giá biến động thảm thực vật rừng.

Phương pháp đề xuất các giải pháp và kỹ thuật trong giám sát thảm thực vật rừng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Tổng quan về nghiên cứu giám sát biến động thảm thực vật rừng.

Nghiên cứu giám sát biến động thảm thực vật rừng trên Thế giới. Nghiên cứu giám sát biến động thảm thực vật rừng ở Việt Nam. Một số ứng dụng của hệ thống Viễn thám và GIS ở Việt Nam. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.

20 iv CHƯƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU. Điều kiện tự nhiên. Vị trí địa lý.

Khi hậu thời tiết, thủy văn. Đặc điểm kinh tế - xã hội. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN. Hiện trạng tài nguyên rừng và đặc điểm lâm học thảm thực vật rừng tại khu vực nghiên cứu.

Hiện trạng tài nguyên rừng. Đặc điểm lâm học thảm thực vật rừng. Xây dựng bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng giai đoạn 2015 – 2023. Bộ mẫu khóa giải đoán ảnh vệ tinh cho khu vực nghiên cứu.

Giải đoán ảnh thành lập bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng. Kiểm chứng kết quả giải đoán ảnh. Thành lập bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng khu vực nghiên cứu. Đánh giá biến động tài nguyên rừng khu vực nghiên cứu giai đoạn 2015 – 2023.

Biến động tài nguyên rừng huyện Tân Phú giai đoạn 2015 - 2019. Biến động tài nguyên rừng huyện Tân Phú giai đoạn 2019 - 2023. Biến động tài nguyên rừng huyện Tân Phú giai đoạn 2015 - 2023. Các giải pháp về quản lý và kỹ thuật trong giám sát thảm thực vật rừng.

Đề xuất ứng dụng GIS và viễn thám trong giám sát tài nguyên rừng. Đề xuất đầu tư trang thiết bị và nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ trong quản lý rừng. Đề xuất quy trình thành lập bản đồ hiện trạng và đánh giá biến động lớp phủ từ dữ liệu viễn thám. 58 KẾT LUẬN, TỒN TẠI, KIẾN NGHỊ.

66 TÀI LIỆU THAM KHẢO vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa đầy đủ CSDL Cơ sở dữ liệu DKH Đất khác DT1 Đất trống núi đất DTR Đất đã trồng rừng nhưng chưa thành rừng GIS Hệ thống thông tin địa lý GPS Hệ thống định vị toàn cầu HG Hỗn giao gỗ - tre nứa LRTX Lá rộng thường xanh MKA Mẫu khóa ảnh MN Mặt nước RT Rừng trồng VQG Vườn Quốc Gia vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Danh sách ảnh viễn thám nghiên cứu. Ma trận sai số phân loại tại khu vực nghiên cứu. Ma trận biến động giữa 2 thời điểm.

Đặc điểm lâm học các kiểu rừng tại khu vực nghiên cứu .Một số mẫu khóa giải đoán ảnh của tại khu vực nghiên cứu. Số lượng mẫu khóa ảnh theo các kiểu rừng và đất lâm nghiệp. Ngưỡng giá trị NDVI trung bình các trạng thái. Kết quả kiểm chứng các trạng thái.

Diện tích các trạng thái rừng năm 2023. Diện tích các trạng thái rừng năm 2015. Diện tích các trạng thái rừng năm 2019. Biến động diện tích các trạng thái rừng giai đoạn 2015 - 2019.

Ma trận biến động các trạng thái rừng giai đoạn 2015 - 2019. Biến động diện tích các trạng thái rừng giai đoạn 2019 - 2023. Ma trận biến động các trạng thái rừng giai đoạn 2019 - 2023. Biến động diện tích các trạng thái rừng giai đoạn 2015 - 2023.

Ma trận biến động các trạng thái rừng giai đoạn 2015 - 2023. 55 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Ảnh Landsat 8 năm 2015 khu vực nghiên cứu. Ảnh Landsat 8 năm 2019 khu vực nghiên cứu.

Ảnh Landsat 8 năm 2023 khu vực nghiên cứu. Mẫu khóa ảnh phục vụ nghiên cứu. Sơ đồ phương pháp xây dựng bản đồ thảm thực vật rừng. Sơ đồ thành lập bản đồ biến động thảm thực vật rừng.

Bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu. Biểu đồ mật độ rừng bình quân các trạng thái rừng. Biểu đồ độ tàn che bình quân các trạng thái rừng. Biểu đồ đường kính D.13 bình quân các trạng thái rừng.

Biểu đồ chiều cao vút ngọn bình quân các trạng thái rừng. Biểu đồ đường kính tán bình quân các trạng thái rừng. Bản đồ chỉ số NDVI năm 2023. Bản đồ chỉ số NDVI năm 2019.

Bản đồ chỉ số NDVI năm 2015. Kết quả phần vùng ảnh khu vực nghiên cứu. Kết quả giải đoán các trạng thái. Bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng năm 2023.

Bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng năm 2015. Bản đồ hiện trạng thảm thực vật rừng năm 2019. Bản đồ biến động lớp phủ thực vật rừng giai đoạn 2015 - 2019. Bản đồ biến động lớp phủ thực vật rừng gia đoạn 2019 – 2023.

Bản đồ biến động lớp phủ thực vật rừng gia đoạn 2015 – 2023. Sơ đồ quá trình xây dựng bản đồ hiện trạng và đánh giá biến động lớp phủ thực vật rừng từ ảnh viễn thám. Sự cần thiết của nghiên cứu Rừng giữ vai trò quan trọng trong điều tiết nguồn nước, hạn chế lũ lụt, hạn hán, xói mòn đất., nó càng có vai trò to lớn trong bảo tồn hệ sinh thái mẫu chuẩn và các loài động thực vật quý hiếm ở các khu rừng đặc dụng [3]. Do vậy việc giám sát biến động hiện trạng tài nguyên rừng đóng vai trò quan trọng đối với việc quản lý, đánh giá môi trường sống, đa dạng sinh học và ước tính chu kỳ carbon [9],[14],[20].

Ngoài ra so với các phương pháp điều tra thực địa thông thường thì việc sử dụng dữ liệu viễn thám không tốn nhiều thời gian và cho phép nghiên cứu các khu vực rộng lớn và khó tiếp cận [14],[15],[19]. Khi sử dụng ảnh viễn thám để phân loại trạng thái rừng thì độ phân giải không gian của hình ảnh thu nhận được ảnh hưởng rất lớn đến kết quả giải đoán [13]. Với việc sử dụng hình ảnh có độ phân giải rất cao, việc phân loại tới từng cây hoặc thậm chí cả tán cây là điều có thể thực hiện được [11]. Tuy nhiên, khi sử dụng hình ảnh có độ phân giải không gian rất cao thường chỉ phân loại, đánh giá được các đối tượng lớp phủ trên một phạm vi không gian nhỏ.

Do đó, trong các thảm thực vật bao phủ các khu vực địa lý rộng lớn, hình ảnh đa khía cạnh tương đối dày đặc và có sẵn miễn phí như Landsat 8 dường như là giải pháp tốt nhất [22]. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng ảnh viễn thám đa thời gian cho phép đạt được độ chính xác cao hơn trong việc thành lập bản đồ phân loại trạng thái rừng so với những hình ảnh được tạo ra bằng cách sử dụng ảnh viễn thám trong một thời điểm nhất định [18],[20]. Tuy nhiên, việc kết hợp các hình ảnh riêng lẻ để đạt được độ chính xác cao nhất không đồng nghĩa với việc độ chính xác của ảnh sau phân loại cũng cao khí kết hợp nhiều ảnh với nhau, do vậy thời điểm thu nhận hình ảnh quan trọng hơn số lượng 2 hình ảnh [17]. Do đó, khi sử dụng ảnh Landsat 8 có thể cải thiện đáng kể việc lập bản đồ rừng [10].

Bộ cảm biến thu thập dữ liệu rất hữu ích trong việc cung cấp thông tin về thảm thực vật [8]. Ngoài ra, chu kỳ lặp lại của ảnh vệ tinh Lansat 8 là năm ngày [12]. Chu kỳ lặp lại ngắn này phù hợp với mục tiêu phân tích hiện trạng tài nguyên rừng một cách nhanh chóng và chính xác với bộ số liệu liên tục cập nhật. Tân Phú là huyện nằm ở cửa ngỏ phía bắc của tỉnh Đồng Nai, với tổng diện tích rừng gần 50.000 ha, hệ sinh thái rừng được đánh giá là đa dạng và phong phú nhất trong toàn tỉnh.

Những năm quan các cơ quan chuyển môn và các chủ rừng trên địa bàn huyện đã đạt được nhiều số thành tựu trong lĩnh cực lâm nghiệp như nâng cao diện tích, chất lượng và độ che phủ của rừng, phục hồi các hệ sinh thái rừng và ứng dụng một số công nghệ thông tin trong quản lý tài nguyên rừng, tuy nhiên vẫn còn nhiều tồn tại và hạn chế, tính chuyên sâu chưa cao và thiếu tính hệ thống. Xuất phát từ những lý luận và thực tiễn trên, tôi thực hiện đề tài nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám đánh giá thảm thực vật tại huyện Tân Phú, tỉnh Đồng Nai”, kết quả nghiên cứu nhằm cung cấp các kỹ thuật và giải pháp trong ứng dụng viễn thám và GIS nhằm quản lý hiệu quả tài nguyên rừng tại khu vực nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu 2. Mục tiêu tổng quát Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở lý luận khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng viễn tham trong thành lập bản đồ và đánh giá biện động thảm thực vật trong thời gian tới.

Mục tiêu cụ thể Đề đạt được mục tiêu chung như trên, luận văn cần đạt được mục tiêu cụ thể sau: 3 - Đánh giá được đặc điểm hiện trạng thảm thực vật rừng trên địa bàn huyện Tân Phú; - Xây dựng được bản đồ và đánh giá biến động hiện trạng thảm thực vật rừng giai đoạn 2015 – 2023 tại khu vực nghiên cứu; - Đề xuất được các giải pháp quản lý và kỹ thuật trong giám sát thảm thực vật rừng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tượng và vật liệu nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận văn là hiện trạng thảm thực vật rừng và biến động hiện trạng thảm thực vật rừng trên địa bàn huyện Tân Phú, tỉnh Đồng Nai giai đoạn 2015 – 2023. - Vật liệu nghiên cứu: Luận văn sử dụng tư liệu ảnh viễn thám Landsat 8 độ phân giải không gian 30x30, khu vực nghiên cứu tại ba thời điểm 2015, 2019, 2023 được cung cấp miễn phí tại website https://earthexplorer.

Danh sách ảnh viễn thám nghiên cứu Thời Band ảnh sử TT Loại ảnh Mã ảnh gian dụng 1 Landsat 8 2015 LC08_L1TP_124052_20150218 2,3,4,5,8 2 Landsat 8 2019 LC08_L1TP_124052_20190213 2,3,4,5,8 3 Landsat 8 2023 LC08_L1TP_124052_20230224 2,3,4,5,8 4 Hình 1. Ảnh Landsat 8 năm 2015 khu vực nghiên cứu Hình 1. Ảnh Landsat 8 năm 2019 khu vực nghiên cứu 5 Hình 1. Ảnh Landsat 8 năm 2023 khu vực nghiên cứu 3.