Tài liệu Khoá luận tốt nghiệp 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

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt luận văn này, ngoài những cố gắng của bản thân, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của Ban lãnh đạo trƣờng Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam, Khoa QLTNR&MT, các đơn vị trong và ngoài hệ thống Kiểm lâm của tỉnh Bắc Giang. Em xin đƣợc trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của các thầy cô Khoa QLTNR&MT - Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam. Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn, sự kính trọng sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Phùng Văn Khoa, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, trực tiếp hƣớng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các đồng chí, các anh, các chị trong Chi cục Kiểm lâm tỉnh Bắc Giang đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu, thu thập tài liệu, tạo mọi điều kiện tốt nhất để em học tập và thực hiện luận văn. Trong quá trình thực tập, cũng nhƣ là trong quá trình làm bài báo cáo thực tập, khó tránh khỏi sai sót, rất mong các Thầy, Cô bỏ qua. Đồng thời do trình độ lý luận cũng nhƣ kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp Thầy, Cô để em học thêm đƣợc nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo sắp tới. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 6 tháng 5 năm 2018 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU............................................ 2 1.1. Nghiên cứu và ứng dụng GIS trên thế giới........................................................... 2 1.1.1. Nghiên cứu về GIS: ............................................................................................. 2 1.1.2. Các thành phần GIS............................................................................................. 2 1.1.3. Chức năng GIS..................................................................................................... 3 1.2. Nghiên cứu về Viễn Thám ..................................................................................... 3 1.2.1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 3 1.2.2. Đặc trƣng của ảnh Viễn thám ............................................................................. 4 1.2.3. Các loại ảnh viễn thám ........................................................................................ 4 1.2.4. Khái quát về xử lý ảnh Viễn thám ..................................................................... 6 1.2.5. Phân lớp ảnh viễn thám ....................................................................................... 7 1.3. Đặc điểm của một số loại ảnh viễn thám đƣợc nghiên cứu ............................. 7 1.3.1 Ảnh Landsat ........................................................................................................10 1.3.2. Ảnh Sentinel .......................................................................................................12 1.4. Ứng dụng viễn thám trong lâm nghiệp ...............................................................15 CHƢƠNG 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................................................................................................17 2.1. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................17 2.1.1. Mục tiêu chung: .................................................................................................17 2.1.2. Mục tiêu cụ thể: .................................................................................................17 2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................17 2.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu........................................................................................17 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................................17 2.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................17 2.3.1. Nghiên cứu hiện trạng rừng khu vực 7 xã phía Nam huyện Sơn Động .......17 2.3.2. Nghiên cứu lịch sử mất rừng của khu vực thông qua điều tra và đi khảo sát thực tế phỏng vấn. ........................................................................................................18 2.3.3. Đề xuất các bƣớc kỹ thuật sử dụng ảnh viễn thám để phát hiện sớm mất rừng................................................................................................................................18 2.3.4. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả công tác quản lý rừng. ...........18 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu .....................................................................................18 2.4.1. Phƣơng pháp luận ..............................................................................................18 2.4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể .......................................................................18 CHƢƠNG 3 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ - XÃ HỘI .........27 HIỆN TRẠNG TÀI NGUYÊN RỪNG ....................................................................27 3.1. Điều kiện tự nhiên.................................................................................................27 3.1.1 Vị trí địa lý...........................................................................................................27 3.1.2 Địa hình, địa mạo................................................................................................27 3.1.3. Khí hậu – Thủy văn ...........................................................................................27 3.1.4 Địa chất, đất đai ..................................................................................................28 3.1.5. Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên .............................................................29 3.2. Điều kiện kinh tế - xã hội .....................................................................................30 3.2.1. Tình hình dân sinh .............................................................................................30 3.2.2. Tình hình kinh tế, văn hóa, xã hội ....................................................................31 CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU..................................................................33 4.1. Hiện trạng rừng tại huyện Sơn Động, tỉnh Bắc Giang .....................................33 4.1.1. Diện tích các loại rừng ......................................................................................33 4.1.2. Trữ lƣợng các loại rừng và độ che phủ rừng...................................................33 4.2. Tình hình mất rừng ở khu vực nghiên cứu theo kết quả dự án kiểm kê rừng .36 4.2.1 Diễn biến rừng tại khu vực trong những năm gần đây ...................................36 4.2.2 Đánh giá công tác quản lý rừng tại địa phƣơng ...............................................44 4.3. Quy trình phát hiện sớm mất rừng ......................................................................46 4.3.1 Xây dựng bản đồ hiện trạng rừng .....................................................................46 4.3.3. Đánh giá độ chính xác .......................................................................................53 4.4. Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý rừng tại địa phƣơng .....54 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN, TỒN TẠI, KHUYẾN NGHỊ........................................59 5.1 Kết luận ...................................................................................................................59 5.2. Tồn tại ....................................................................................................................59 5.3. Khuyến nghị ..........................................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Nghĩa STT Tên viết tắt 1 ETM Enhanced Thematic Mapper 2 ERTS Earth Resource Technology Satellite (Kỹ thuật viễn thám thăm dò Trái Đất) 3 GIS Geographic information system (Hệ thống thông tin địa lý) 4 MSS Multispectral Scanner System (Hệ thống bộ cảm đa phổ) 5 NASA National Aeronautics and Space (Cơ quan hàng không và vũ trụ Mỹ) 6 TM Thematic Mapper 7 BQ Bình quân DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số thông số kỹ thuật của ảnh Landsat TM .............................. 10 Bảng 1.2 : Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+, Landsat -7 ...11 Bảng 1.3 : Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat -8........................ 12 Bảng 1.4 : Một số thông số các kênh phổ của ảnh Sentinel 2A...................... 14 Bảng 2.1. Dữ liệu ảnh viễn thám đƣợc sử dụng trong đề tài. ......................... 19 Bảng 4.1: Tổng hợp diện tích độ che phủ rừng khu vực các xã nghiên cứu .. 35 Bảng 4.2: Biến động diện tích rừng của huyện Sơn Động ............................. 36 Bảng 4.3 Bảng thể hiện chi tiết khu mất rừng ................................................ 39 Bảng 4.4. Độ chính xác của các điểm mất rừng thực tế so với ảnh Landsat và Sentinel ............................................................................................................ 53 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mô hình công nghệ GIS ..................................................................... 2 Hình 1.2. Các thành phần của GIS .................................................................... 2 Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu............................................................................. 26 Hình 4.1: Biểu đồ biến động diện tích rừng huyện Sơn Động giai đoạn 20052017 ................................................................................................................. 37 Hình 4.2: Biểu đồ biến động diện tích rừng huyện Sơn Động từ năm 2010 đến năm 2017 .................................................................................................. 38 Hình 4.3 Bản đồ hiện trạng trƣớc thời điểm mất rừng tại các xã Tuấn Đạo, An Bá, Thanh Sơn, Bồng Am, Thanh Luận, Long Sơn, Dƣơng Hƣu .................. 47 Hình 4.4 Bản đồ hiện trạng sau thời điểm mất rừng tại các xã Tuấn Đạo, An Bá, Thanh Sơn, Bồng Am, Thanh Luận, Long Sơn, Dƣơng Hƣu .................. 48 Hình 4.5 Bản đồ hiện trạng trƣớc thời điểm mất rừng tại các xã Tuấn Đạo, An Bá, Thanh Sơn, Bồng Am, Thanh Luận, Long Sơn, Dƣơng Hƣu .................. 49 Hình 4.6 Bản đồ hiện trạng sau thời điểm mất rừng tại các xã Tuấn Đạo, An Bá, Thanh Sơn, Bồng Am, Thanh Luận, Long Sơn, Dƣơng Hƣu .................. 50 Hình 4.7. Bản đồ thể hiện vị trí mất rừng tại các xã Tuấn Đạo, An Bá, Thanh Sơn, Bồng Am, Thanh Luận, Long Sơn, Dƣơng Hƣu với ảnh Landsat 8 ...... 51 Hình 4.8. Bản đồ thể hiện vị trí mất rừng tại các xã Tuấn Đạo, An Bá, Thanh Sơn, Bồng Am, Thanh Luận, Long Sơn, Dƣơng Hƣu với ảnh Sentinel 2A ... 52 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 1.1. Nghiên cứu và ứng dụng GIS trên thế giới 1.1.1. 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 vào Quản lí dữ liệu Xử lí dữ liệu Phân tích và mô hình Hình 1.1 Mô hình công nghệ GIS 1.1.2. Các thành phần GIS Dữ liệu Phƣơng pháp phân tích Con ngƣời GIS gồm 5 thành phần Phần cứng Phần mềm Hình 1.2. Các thành phần của GIS 2 Dữ liệu ra 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. 1.1.3. 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… 1.2. 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 0.3µm đến 0.9µm (vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại phản xạ). 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). 1.2.3. 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. 1.2.4. Khái quát về xử lý ảnh Viễn thám Để có thể sử dụng đƣợc dữ liệu viễm thám ta phải có khả năng tách thông tin có ý nghĩa từ ảnh. Nói cách khác là phải diễn giải và phân tích ảnh viễn thám. Phân tích ảnh viễn thám là thực hiện nhận biết, đo các đối tƣợng khác nhau trong ảnh để tách thông tin hữu ích về chúng. Các đặc trƣng của đối tƣợng trên ảnh có đặc trƣng sau: Đối tƣợng có thể là các đặc trƣng điểm, đƣờng và vùng. Nó có thể có hình dạng bất kỳ. 6 Đối tƣợng cần đƣợc phân biệt với nhau, phải tƣơng phản với các đặc trƣng khác ở xung quanh chúng. Xử lý ảnh số là thực hiện một loạt thủ tục bao gồm lập khuôn mẫu, hiệu chỉnh dữ liệu, nâng cao chất lƣợng để dễ dàng giải đoán hay phân lớp tự động các đối tƣợng bằng máy tính. Để có thể xử lý số ảnh viếm thám, dữ liệu phải đƣợc thu thập dƣới dạng số phù hợp và lƣu trữ trong máy tính. Đồng thời phải có phần cứng, phần mềm phù hợp, nói cách khác phải có hệ thống phân tích ảnh phù hợp. Xử lý ảnh viếm thám bao gốm nhiều bƣớc đƣợc phân thành ba nhóm chính nhƣ sau : Tiền xử lý, nâng cao chất lƣợng, hiển thị ảnh và trích chọn đặc trƣng. 1.2.5. Phân l p ảnh viễn thám Phân lớp có giám sát: Phƣơng pháp phân lớp có giám sát sử dụng thuật toán tích hợp để xếp loại các pixel của ảnh theo các lớp phủ mặt đất khác nhau, việc phân lớp này dựa vào các thông tin đã biết về một số các mẫu. Phân lớp không giám sát: Phƣơng pháp này đƣợc dùng trong trƣờng hợp thông tin về các lớp phủ không đầy đủ hoặc thậm chí không có. Phân lớp không giám sát có thể đƣợc dùng nhƣ một phƣơng tiện để sơ bộ tìm hiểu sự chia lớp của một vùng sắp khảo sát, và đƣợc sự dụng trong ứng dụng mà không có dữ liệu huấn luyện. 1.3. Đặc điểm của một số loại ảnh viễn thám đƣợc nghiên cứu Bƣớc sang thế kỷ 21, tƣ liệu ảnh viễn thám đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và đã mang lại những ƣu việt vƣợt trội so với các phƣơng pháp nghiên cứu truyền thống. Sử dụng tƣ liệu viễn thám có thể xác định nhanh về đối tƣợng và có thể theo dõi sự biến động của chúng thông qua các bức ảnh đa phổ, đa thời gian và độ phân giải không gian cao. Các vệ tinh ngày nay ngày càng hoàn thiện sẽ là nguồn tƣ liệu quan trọng cho các nghiên cứu thuộc lĩnh vực khác nhau, trong đó có theo dõi diễn biến tài nguyên rừng. 7 Ảnh hàng không bắt đầu đƣợc áp dụng từ đầu thế kỷ 20 để khoanh vẽ các trạng thái rừng. Ảnh hàng không thƣờng đƣợc lƣu trên giấy ảnh, hoặc ảnh số. Từ những thử nghiệm lẻ tẻ về ứng dụng hàng không trong lâm nghiệp vào thời gian đầu, đã có nhiều tác giả sử dụng thành công ảnh hàng không để xây dựng bản đồ tài nguyên rừng ở các nƣớc nhƣ: Canada, Mỹ và Anh (Bickford,1952). Ƣu điểm của việc sử dụng ảnh hàng không so với điều tra mặt đất là: cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố của rừng trên một diện tích rông; lƣu giữ đƣợc những biến đổi về động thái của rừng theo thời gian; ảnh hàng không có thể chụp với bƣớc sóng từ tia cực tím đến hồng ngoại gần (0.3μm – 0.9μm), vì vậy có thể phản ánh những thông tin mà mắt thƣờng không thấy đƣợc. Nhƣợc điểm của ảnh hàng không là rất khó chụp, lƣu giữ, hiệu chỉnh và giải đoán. Ngoài ra việc giải đoán bằng mắt là rất chủ quan, phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm ngƣời giải đoán, kết quả không đồng nhất, khó triển khai trên diện rộng, thời gian thực hiện lâu và tốn kém nhiều nhân lực. Ở Việt Nam, công nghệ giải đoán bằng mắt cũng đã và đang đƣợc áp dụng đối với ảnh viễn thám trong phân loại rừng và bộc lộ nhiều tồn tại. Trong hơn 35 năm trở lại đây, ảnh viễn thám với phƣơng pháp xử lý số đã đƣợc sử dụng rộng rãi và dần thay thế ảnh hàng không trong xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng phục vụ công tác điều tra và kiểm kê rừng (Lambin, 2001). Phƣơng pháp xử lý số có ƣu điểm là thời gian xử lý ngắn, việc phân loại các đối tƣợng đƣợc tiến hành nhanh chóng trên phạm vi rộng và không cần công đi thực địa, công việc đƣợc thực hiện hoàn toàn nhờ vào cấp độ xám của các pixel, nên kết quả thu đƣợc khách quan không phụ thuộc vào chủ quan của ngƣời giải đoán. Tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, ảnh viễn thám sẽ cho phép xây dựng các bản đồ tài nguyên rừng với quy mô và tỷ lệ khác nhau một cách nhanh chóng, hoặc đánh giá đƣợc biến động của hiện trạng rừng ở hiện tại so sánh với các thời điểm trong quá khứ. 8 Với những ƣu điểm nhƣ vậy, đã có rất nhiều chuyên gia và các nhà nghiên cứu sử dụng ảnh viễn thám để khoanh vẽ và theo dõi biến động của lớp phủ thực vật trên bề mặt trái đất từ quy mô nhỏ đến toàn cầu (Yichun et al., 2008). Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều vệ tinh cung cấp ảnh có độ phân giải không gian, bƣớc sóng, số lƣợng kênh phổ và chu kỳ bay chụp khác nhau, từ các ảnh đa phổ (multispectral sensors) tới ảnh siêu phổ (hyperspectral), bƣớc sóng biến động từ nhìn thấy tới sóng siêu cao tần, độ phân giải không gian <1m tới vài km, chu kỳ bay chụp có thể từ 30 phút tới tuần hoặc tháng. Navulur (2006) đã phân nhóm các loại ảnh viễn thám theo độ phân giải không gian nhƣ sau: (i) ảnh có độ phân giải thấp >30m (ii) ảnh có độ phân giải trung bình 2-30m (iii) ảnh có độ phân giải cao 0,5-2m (iv) ảnh có độ phân giải rất cao < 0,5m Mỗi loại ảnh viễn thám khác nhau lại có đặc điểm về độ phân giải không gian, bƣớc sóng, chu kỳ bay chụp, giá thành khác nhau. Sau đây đề tài tổng hợp đặc điểm kỹ thuật và khả năng ứng dụng của 2 loại ảnh viễn thám đƣợc sử dụng trong bài: ảnh đa phổ Landsat 8 và Sentinel 2. Lý do rất đơn giản:  Ảnh đƣợc phân phối miễn phí ở quy mô toàn cầu  Hỗ trợ tìm và tải ảnh nhanh, cụ thể  Độ phân giải không gian khá cao, có thể phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau  Tần suất bay lặp cao: 2 cảnh 1 tháng đối với ảnh Landsat 8 và 1 cảnh/tháng đối với ảnh Sentinel 2  Quy trình xử lý rõ, nhiều bƣớc đƣợc tự động hóa. Ngƣời sử dụng có thể yêu cầu xử lý đến phản xạ bề mặt (Surface Reflectance) đối với Landsat 8 hoặc chuyển về gía trị phản xạ tại đáy khí quyển (RefBOA) đối với ảnh Sentinel 2. 9 1.3.1 Ảnh Landsat Hiện nay ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lƣợng kênh phổ và độ phân giải khác nhau. Tuy nhiên thế hệ ảnh Landsat ETM+ đƣợc thu từ vệ tinh Landsat -4 và -5 và ảnh Landsat ETM+ đƣợc thu từ vệ tinh Landsat -7 đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Ảnh Landsat TM gồm 6 kênh phổ nằm trên dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại với độ phân giải không gian 30mx30m và một giải phổ hồng ngoại nhiệt ở kênh 6, độ phân giải 120mx120m để đo nhiệt độ bề mặt. Ảnh Landsat ETM+ ghi phổ biến tên 8 kênh ở các bƣớc sóng giống nhƣ của ảnh Landsat TM, điều khác biệt chính là ở ảnh Landsat ETM+, kênh hồng ngoại nhiệt (Thermal) có độ phân giải cao hơn (60mx60) và có thêm kênh toàn sắc (Pan) với độ phân giải không gian là 15mx15m. Bảng 1.1: Một số thông số kỹ thuật của ảnh Landsat TM Kênh Bƣớc sóng µm Tên gọi phổ TM1 0,45 – 0,52 Xanh lam Độ phân giải không gian (m) 30 Lƣu trữ (bit) 8 TM2 0,52 – 0,60 Xanh lục 30 8 TM3 0,63 – 0,69 Đỏ 30 8 TM4 0,76 – 0,90 Cận hồng ngoại 30 8 TM5 1,55 – 1,75 Hồng ngoại sóng ngắn 30 8 TM6 10,4 – 12,5 Hồng ngoại nhiệt 120 8 TM7 2,08 – 2,35 Hồng ngoại sóng ngắn 30 8 Ảnh Landsat đƣợc ứng dụng trong nghiên cứu của nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu hiện trạng đến giám sát biến động và đƣợc sử dụng phổ biến nhất, với giá thành thấp, dƣới đây đề tài thống kê những ứng dụng chính của ảnh Landsat trong nghiên cứu : 10 - Kênh phổ xanh lam (0,45 µm – 0,5 µm) ứng dụng trong nghiên cứu đƣờng bờ, phân biệt thực vật đất và lập bản đồ về rừng, xác định các đối tƣợng khác. - Kênh phổ xanh lục (0,52 µm – 0,6 µm) đƣợc dùng để đo phản xạ cực đại phổ lục của thực vật và đất, lập bản đồ về rừng và xác định các đối tƣợng khác. - Kênh phổ đỏ (0,63 µm – 0,69 µm) dùng xác định vùng hấp thụ chlorophylgiusp phân loại thực vật, xác định các đối tƣợng khác. - Kênh phổ cận hồng ngoại (0,76 µm – 0,90 µm) dùng xác định các kiểu thực vật, trạng thái, sinh khối, độ ẩm của đất. - Kênh hồng ngoại sóng ngắn (1,55-1,75 µm ; 2,08-2,35 µm) đƣợc dùng để xác định đổ ẩm của đất và thực vật, nghiên cứu về đá khoáng, tách tuyết và mây. - Kênh hồng ngoại nhiệt (10,4 µm – 12,5 µm) đƣợc dùng để xác định thời điểm thực vật bị sốc, độ ẩm của đất và thành lập bản đồ nhiệt. - Kênh toàn sắc (0,52 µm – 0,9 µm) với độ phân giải thấp và giải phổ liên tục, ảnh của kênh này đƣợc sử dụng để lồng ghép với các kênh khác, từ đó đo chính xác đối tƣợng. Bảng 1.2 : Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat ETM+, Landsat -7 Tên gọi phổ ETM+1 Bƣớc sóng (µm) 0,45 – 0,52 Xanh lam Độ phân giải không gian (m) 30 Lƣu trữ (bit) 8 ETM+2 0,52 – 0,60 Xanh lục 30 8 ETM+3 0,63 – 0,69 Đỏ 30 8 ETM+4 0,76 – 0,90 Cận hồng ngoại 30 8 ETM+5 1,55 – 1,75 30 8 ETM+6 10,4 – 12,5 Hồng ngoại sóng ngắn Hồng ngoại nhiệt 30 8 ETM+7 2,08 – 2,35 Hồng ngoại sóng ngắn 15 8 Kênh 11 Bảng 1.3 : Một số thông số các kênh phổ của ảnh Landsat -8 1 Coastal aerosol 0,433 - 0,453 Độ phân giải không gian (m) 30 2 Blue 0,450 - 0,515 30 3 Band 3 - Green 0,525 - 0,600 30 4 Red 0,630 - 0,680 30 5 Near Infrared (NIR) 0,845 - 0,885 30 6 SWIR 1 1,560 - 1,660 30 7 SWIR 2 2,100 - 2,300 30 8 Panchromatic 0,500 – 0,680 15 9 Cirrus 1,360 – 1,390 30 10 Thermal Infrared (TIR) 1 10,3 – 11,3 100 11 Thermal Infrared (TIR) 2 11,5 – 12,5 100 Kênh Tên gọi phổ Bƣớc sóng (µm) 1.3.2. Ảnh Sentinel Sentinel-2 sẽ phục vụ một loạt các ứng dụng liên quan đến bề mặt đất của trái đất và các vùng ven biển. Nhiệm vụ chủ yếu là cung cấp thông tin cho các hoạt động nông nghiệp và lâm nghiệp và để giúp quản lý an ninh lƣơng thực. Hình ảnh vệ tinh sẽ đƣợc sử dụng để xác định các chỉ số nhà máy khác nhau nhƣ chỉ số chất diệp lục vùng lá và chỉ số lƣợng nƣớc. Điều này đặc biệt quan trọng đối với việc tiên đoán năng suất và các ứng dụng có liên quan đến thảm thực vật của trái đất. 12 Cũng nhƣ giám sát sự phát triển của cây trồng, Sentinel-2 có thể đƣợc sử dụng để lập bản đồ các thay đổi trong che phủ đất và giám sát các khu rừng trên thế giới. Nó cũng sẽ cung cấp thông tin về ô nhiễm trong hồ và vùng nƣớc ven biển. Hình ảnh lũ lụt, phun trào núi lửa và sạt lở đất góp phần lập bản đồ thảm họa và giúp đỡ các nỗ lực cứu trợ nhân đạo. Ví dụ cho các ứng dụng bao gồm:  Theo dõi thay đổi độ che phủ đất để giám sát môi trƣờng  Các ứng dụng nông nghiệp, chẳng hạn nhƣ giám sát cây trồng và quản lý để giúp an ninh lƣơng thực  Kiểm tra thực vật và rừng đặc trƣng và tạo ra tham số (ví dụ: chỉ số diện tích lá, nồng độ chlorophyll, ƣớc tính khối lƣợng cacbon)  Quan trắc các vùng ven biển (giám sát môi trƣờng biển, lập bản đồ vùng ven biển)  Giám sát nƣớc nội địa  Theo dõi sông băng, lập bản đồ băng, giám sát tuyết  Lập bản đồ và quản lý lũ (phân tích rủi ro, đánh giá thiệt hại, quản lý thiên tai trong lũ lụt) Các ứng dụng web giám sát Sentinel cung cấp một cách dễ dàng để quan sát và phân tích sự thay đổi đất dựa trên dữ liệu Sentinel-2 lƣu trữ. 13