ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

------------------

Trần Tuấn Ngọc

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH VỆ TINH RADAR TRONG

XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TỈNH HÒA BÌNH

Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin Địa lý

Mã số: 62440214

(DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội - 2014

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Bản đồ Viễn thám, Khoa Địa

lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Phạm Văn Cự

PGS.TS. Nguyên Ngọc Thạch

Phản biện 1:

…………….……………………………………………………………

………………………………………………………………………..

Phản biện 2:

…………………………………………………………………………

………………………………………………………………………….

Phản biện 3:

…………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………

Luận án sẽ được bảo vệ trược hội đồng khoa học cấp nhà nước chấm

luận án tiến sỹ họp tại…………………………………………………

Vào hồi…………giờ……ngày……tháng………..năm………………

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin – Thư viện , Đại học Quốc gia Hà Nội

1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết

Lịch sử phát triển của loài người gắn liền với rừng và sử dụng rừng.

Từ xa xưa rừng là nguồn cung cấp nguyên liệu thô cho xây dựng, giao

thông, là nguồn thực phẩm cho con người. Việc bảo vệ và phát triển

rừng có ý nghĩa quan trọng trong sự phát triển bền vững của mỗi quốc

gia cũng như toàn thế giới. Rừng không chỉ là bể chứa các bon giúp

giảm nhẹ biến đổi khi hậu mà còn duy trì sự tuần hoàn của nước, giảm

nhẹ thiên tai.

Để quản lý, bảo vệ và phát triển rừng thì dữ liệu điều tra, đánh giá

rừng là hết sức quan trọng. Ở nước ta việc điều tra, đánh giá tài nguyên

rừng được thực hiện theo chu kỳ 05 năm, chu kỳ điều tra kéo dài này có

thể dẫn đến sự sai lệch giữa báo cáo với tình hình thực tế của hiện trạng

rừng do việc khai thác và phát triển rừng diễn ra trong chu kỳ điều tra.

Với việc sử dụng dữ liệu viễn thám quang học vào công tác điều

tra, kiểm kê rừng, thì việc tăng tần xuất điều tra rừng là không khả thi vì

một trong các hạn chế của ảnh quang học là việc chụp ảnh phụ thuộc

nhiều vào điều kiện thời tiết.

Để khắc phục hạn chế nêu trên, hiện nay trên thế giới đã có nhiều

nghiên cứu ứng dữ liệu viễn thám siêu cao tần hay còn gọi là viễn thám

radar trong công tác điều tra đánh giá thực phủ trên thế giới do chụp ảnh

radar không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.

Vấn đề đặt ra trong đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh

RADAR trong xác định sinh khối rừng tuy không phải là vấn đề mới đối

với thế giới, tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới cho đến nay tập

trung chủ yếu vào rừng phía bắc (boreal forest) với chủng loại thông mà

2

chưa có nhiều nghiên cứu đối với rừng nhiệt đới. Hơn nữa, độ chính xác

xác định sinh khối rừng bằng dữ liệu ảnh RADAR phụ thuộc rất nhiều

vào các yếu tố ngoại cảnh như trữ lượng rừng, đặc điểm sinh thái rừng,

các điều kiện môi trường (khí hâu, địa hình...). Do vậy để áp dụng công

nghệ này cho việc xác định sinh khối rừng ở Việt Nam cần có các

nghiên cứu về cơ sở khoa học của phương pháp, lựa chọn thông số kỹ

thuật của dữ liệu. Chính vì vậy tôi đề xuất “Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ

tinh radar trong xác định sinh khối rừng tỉnh Hòa Bình”.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu

Xây dựng cơ sở khoa học cho việc lựa chọn phương pháp và dữ

liệu viễn thám siêu cao tần phù hợp trong xác định sinh khối rừng ở Việt

Nam.

Đánh giá khả năng ứng dụng của ảnh viễn thám siêu cao tần đối với

xác định sinh khối lớp phủ rừng trên mặt đất của Việt Nam.

Nhiệm vụ

Để thực hiện được các mục tiêu nêu trên, những nội dung sau cần

được nghiên cứu:

- Tổng quan về rừng Việt Nam nói chung và rừng tỉnh Hòa Bình

nói riêng để làm rõ tính đặc thù của đối tượng cần nghiên cứu;

- Tổng quan về phương pháp viễn thám trong nghiên cứu về sinh

khối rừng nhằm làm rõ, kế thừa các kết quả nghiên cứu đi

trước, làm sáng tỏ cơ cở khoa học của việccac đồng thời định

hướng các nghiên cứu cho luận văn.

- Thử nghiêm xác định sinh khối rừng trên mặt đất tại tỉnh Hòa

Bình sử dụng dữ liệu ENVISAT ASAR và ALOS PALSAR;

3

- Kiểm chứng kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất từ dữ liệu

viễn thám siêu cao tần bằng các dữ liệu khác;

- Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm và phương pháp tính

sinh khối rừng.

Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

Về không gian:

Luận án nghiên cứu ứng dụng ảnh radar cho xác định sinh khối

rừng trên tỉnh Hòa Binh.

Về thời gian:

Luận án nghiên cứu dựa trên dữ liệu năm 2009.

Về đối tƣợng nghiên cứu:

Sinh khối trên mặt đất của rừng;

Đặc tính tương tác tia RADAR và lớp phủ rừng;

Phương pháp tính sinh khối rừng.

Những điểm mới của Luận án

- Đưa ra được sự lựa chọn tối ưu cho dữ liệu phân cực (HH và

HV) trong bài toán đánh giá sinh khối trên mặt đất của rừng

khu vực nghiên cứu;

- Phương pháp tích hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau

một cách có lựa chọn để nâng cao độ chính xác tính sinh khối

trên mặt đất của rừng;

- Chỉ ra ngưỡng bão hòa của tán xạ ngược trên ảnh radar đối với

sinh khối rừng khu vực nghiên cứu;

4

- Chỉ ra ngưỡng giới hạn thấp nhất của sinh khối, ngưỡng mà tán

xạ ngược của nền đất ành hưởng lớn đến kết quả xác định sinh

khối.

- Kết quả tính sinh khối rừng trên mặt đất bằng dữ liệu viễn thám

siêu cao tần cho đối tượng đặc thù là rừng tỉnh Hòa Bình.

Luận điểm bảo vệ

- Sử dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần với các phương thức

phân cực HH, HV cho phép đánh giá sinh khối trên mặt đất cho

cả rừng trồng và rừng tự nhiên tại khu vực nghiên cứu.

- Phối hợp dữ liệu với cấu hình chụp ảnh khác nhau sẽ góp phần

tăng độ chính xác trong tính sinh khối rừng trên mặt đất sử

dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần.

CHƢƠNG 1: SINH KHỐI RỪNG VÀ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM

TRONG XÁC ĐỊNH SINH KHỐI RỪNG TRÊN MẶT ĐẤT

1.1. Sinh khối thực vật

Sinh khối thực vật được hiểu là khối lượng các vật chất hữu cơ còn

sống hay đã chết của thực vật có thể chưa khô (sinh khối tươi), tuy nhiên

phổ biến được hiểu là trọng lượng khô của thực vật.

Theo Brown, 1997, sinh khối thực vật được định nghĩa là tất cả các

thành phần sống của thực vật ở trên mặt và dưới mặt đất cả cây bụi, cây

non, bao gồm cành, lá, vỏ cây và các thực vật đã chết và được biểu thị

bằng đơn vị là tấn hoặc mega-gram. Sinh khối rừng bao gồm: sinh khối

trên bề mặt đất (AGB); sinh khối dưới bề mặt đất; khối vật chất hữu cơ

5

đã chết; rác vụn.

Hình 1. 1 Các thành phần sinh khối trên mặt đất và dưới mặt đất

Để tính sinh khối rừng có hai phương pháp đó là xác định trực tiếp

thông qua các thông số đo đếm kích thước của cá thể thực vật ngoài

thực địa và phương pháp gián tiếp thông qua các trị đo viễn thám.

1.2. Tổng quan rừng Việt Nam

Hệ sinh thái rừng Việt Nam hết sức phong phú, Thái Văn Trừng

căn cứ vào quan điểm sinh thái phát sinh quần thể thực vật để phân loại

thảm thực vật rừng Việt Nam thành 14 kiểu thảm thực vật chia làm 5

nhóm kiểu rừng chính gồm có: các kiểu rừng kín vùng thấp; các kiểu

rừng thưa; các kiểu trảng truông; các kiểu rừng kín vùng cao; các kiểu

quần hệ khô lạnh vùng cao. Thực vật rừng của chúng ta hết sức phong

phú với khoảng 11.373 loài thực vật thuộc 2524 chi và 378 họ. Các nhà

thực vật học dự đoán con số loài thực vật ở nước ta còn có thể lên đến

15.000 loài.

Rừng nước ta có biến động rất lớn trong những năm gần đây với

14,3 triệu ha rừng, độ che phủ là 43% năm 1943 giảm xuống còn 9,18

6

triệu ha, độ che phủ rừng 27,2% năm 1990 và tăng lên 13.258.843 ha

với độ che phủ đạt 38% năm 2009. Rừng nước ta có độ che phủ lớn

nhưng sản lượng gỗ thấp với bình quân khoảng 75 m3.ha so với thế giới

con số này là 110 m3/ha.

1.3. Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định sinh khối

rừng

1.3.1. Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định sinh

khối rừng trên thế giới

Việc ứng dụng viễn thám nói chung và viễn thám radar nói riêng

trong xác đinh sinh khối rừng trên mặt đất đã được nghiên cứu, ứng

dụng khá rộng rãi trên thế giới. Tuy nhiên, nghiên cứu ứng dụng viễn

thám radar trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất chủ yếu được

nghiên cưú cho rừng phương bắc với nhóm cây họ thông.

Hiện nay nghiên cứu ứng dụng viễn thám radar trong xác định sinh

khối rừng trên mặt đất có ba phương pháp chính căn cứ theo trị đo sử

dụng.

Phương pháp ước tính sinh khối dựa trên cường độ tán xạ: Phương

pháp này dựa trên cơ sở sóng radar với bước sóng dài có khả năng

xuyên vào sâu trong tán lá và tương tác với các thành phần của cây như

lá, cuống cành và thân cây. Khi tương tác với các thành phần khác nhau

của cây với hằng số điện môi tương đối khác nhau sẽ làm thay đổi thuộc

tính của tia phản hồi về cường độ và phân cực, những thay đổi này

tương quan với thuộc tính của cây hay nói cách khác tia phản hồi mang

thông tin về sinh khối của cây nhờ đó có thể tính được sinh khối của lớp

phủ thực vật trên mặt đất.

Phương pháp ước tính sinh khối dựa trên giá trị tương quan

(coherence image) giữa hai ảnh SAR. Việc tính toán sinh khối trên mặt

7

đất lớp phủ rừng dựa trên giả thiết, thực vật với sinh khối lớn có sự ổn

định cao và ít bị tác động của môi trường (gió, mưa) nên giá trị tương

quan cao trên ảnh hơn so với thực vật có sinh khối thấp hơn.

Phương pháp ước tính sinh khối dựa trên trị đo pha. Phương pháp

này dựa trên cơ sở tia radar với bước sóng khác nhau có khả năng đâm

xuyên vào thực phủ với độ sâu khác nhau hay tâm tán xạ khác nhau.

Với kỹ thuật giao thoa có thể tính toán được độ cao của tâm tán xạ. Khi

kết hợp dữ liệu với bước sóng khác nhau sẽ cho phép xác định các thông

số chiều cao cũng như độ dày của tán là từ đó tính ra sinh khối rừng trên

mặt đất.

1.3.2. Tổng quan về ứng dụng viễn thám trong xác định sinh

khối rừng ở Việt Nam

Việc ứng dụng dữ liệu viễn thám trong công tác điều tra, kiểm kê

rừng đã được thực hiện rộng rãi ở nước ta cũng như trên thế giới. Tuy

nhiên việc ứng dụng dữ liệu viễn thám trong xác định trực tiếp sinh khối

trên mặt đất của lớp phủ rừng thì không có nhiều và chủ yếu với ảnh

viễn thám quang học. Một số nghiên cứu có thể kể đến như của Nguyễn

Viết Lương cho rừng khu vực Tây Nguyên và của Nguyễn Thị Hồng

Điệp và Lê Quang Toan cho rừng ngập mặn.

1.4. Lựa chọn phƣơng pháp xác định sinh khối rừng ở Việt Nam

Bảng 1.1 so sánh các thuận lợi và khó khăn của ba phương pháp

xác định sinh khối trên mặt đất của rừng bằng dữ liệu radar. Bảng thể

hiện phương pháp xác định sinh khối rừng bằng giá trị tán xạ ngược trên

ảnh có khá nhiều ưu điểm hơn so với hai phương pháp còn lại.

Điều bất lợi nhất của phương pháp này so với hai phương pháp còn

lại là ngưỡng bão hòa của giá trị tán xạ với sinh khối rừng nhỏ hơn. Tuy

nhiên với sinh khối rừng trên mặt đất không lớn của Việt Nam thì bất lợi

8

này cũng không ảnh hưởng nhiều đến hầu hết diện tích rừng của nước ta

nếu sử dụng phương pháp này để xác định sinh khối rừng trên mặt đất.

Bảng 1. 1: So sánh công nghệ radar trong xác định sinh khối rừng

Các yếu tố ảnh

hưởng đến kết quả

Phương pháp

Giá trị tán

xạ

Hệ số tương

quan

Trị đo pha

Ngưỡng bão hòa

(kênh L)

150 t/ha 200 t/ha 300 t/ha

Thu thập dữ liệu Đơn Lặp theo chu

kỳ

Lặp theo chu

kỳ

Yêu cầu quỹ đạo Bình thường Chính xác cao Chính xác cao

Nhiễu pha Không phụ

thuộc

Phụ thuộc Phụ thuộc

Điều kiện cung cấp

dữ liệu

Không hạn

chế

Hạn chế Hạn chế

Địa hình Phụ thuộc Phụ thuộc Phụ thuộc

Sự dịch chuyển của

địa hình

Ít phụ thộc Phụ thuộc Phụ thuộc

Điều kiện thời tiết Ít phụ thuộc Phụ thuộc Phụ thuộc

Khí quyển Ít phụ thuộc Phụ thuộc Phụ thuộc

Chính vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào phương pháp xác định

sinh khối trên mặt đất của rừng Viêt Nam dựa vào trị đo tán xạ ngược

của ảnh radar với mong muốn đưa ra những bằng chứng khoa học trong

việc ứng dụng công nghệ này trong xác định sinh khối lớp phủ rừng tại

nước ta.

CHƢƠNG 2: SAR VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH SINH

KHỐI

2.1. Đặc tính vật lý ảnh radar

Viễn thám siêu cao tần hay viễn thám radar là phương pháp viễn

9

thám chủ động hoạt động trong dải siêu cao tần của quang phổ sóng

điện từ. Hệ thống viễn thám radar chủ động phát đi các tín hiệu dưới

dạng xung điện từ và ghi lại phần năng lượng phản xạ (tán xạ ngược)

của tín hiệu đó sau khi tương tác với các đối tượng bề mặt. Các thông số

có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng đến tín hiệu phàn hồi của hệ thống

radar khi tương tác với thực vật gồm chiều dài bước sóng, phân cực và

góc tời.

Chiều dài bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh của giao động

sóng hình sin. Sóng radar có bước sóng ngắn như kênh X và kênh C khó

có thể xuyên sâu vào trong vòm là của tán cây rừng dày đặc trái lại sóng

radar có bước sóng dài như kênh L hay kênh P thì có thể xuyên sâu vào

trong vòm lá hơn.

Phân cực của sóng là hướng của trường điện của sóng điện từ

truyền và nhận bởi ăng ten. Khi sóng radar tương tác với thực phủ có thể

đi sâu vào trong vòm lá và bị phân cực bời các thành phần của vòm lá

và phản xạ sóng radar theo nhiều hướng khác nhau, quá trình này

thường được gọi là tán xạ khối.

Góc tới là góc giữa tia tới và bề mặt trái đất. Góc này phụ thuộc vào

độ cao của ăng ten và tăng dần theo khoảng cách từ điểm đáy ảnh tới địa

vật hay phụ thuộc vào cấu hình chụp ảnh. Tia radar với góc tới nhỏ

thường đâm xuyên vào trong vòm cây sâu hơn, trong khi đó cường độ

tán xạ ngược có chiều hướng tỷ lệ nghịch với sự tăng lên của góc tới.

2.2. Các vấn đề trong xử lý ảnh radar

2.2.1. Định chuẩn ảnh (data calibration)

Anh radar gốc hay là ảnh xử lý mức 1 tại các trạm thu ảnh cho giá

trị điểm ảnh dưới dạng số (Digital Number-DN). Muốn nghiên cứu các

thông tin về đối tượng chụp được từ ảnh radar cần phải tính chuyển về

10

giá trị tán xạ ngược. Quan hệ giữa giá trị số trên ảnh thô và tán xạ ngược

được biểu diễn trong công thức 2.1.

2. 1

Trong đó:

- DN là giá trị số của điểm ảnh;

- k là hằng số kiểm định tuyệt đối;

- 0 là giá trị tán xạ ngược (db);

- β0 là giá trị độ sáng;

- α là góc tới.

Mặc dù công thức 2.1 là chung cho mọi loại ảnh radar tuy nhiên đối

với mỗi loại ảnh của cùng một đầu thu nhưng khác chế độ chụp và ảnh

của các đầu thu khác nhau đều có công thức tính toán giá trị tán xạ

ngược khác nhau.

2.2.2. Hiệu chỉnh hình học

Hiệu chỉnh hình học nhằm hiệu chỉnh các sai số do ảnh hưởng của

cấu hình chụp nghiêng của hệ thống radar, chênh cao địa hình tới vị trí

điểm và chuyển tọa độ các điểm ảnh từ hệ tọa độ không gian ảnh sang

một hệ tọa độ, hệ quy chếu xác định.

2.2.3. Hiệu chỉnh ảnh hƣởng của địa hình đến giá trị tán xạ

trên ảnh (radiometric normalization)

Với cấu hình chụp nghiêng ở khu vực có chênh cao địa hình thì giá

trị tán xạ ngược thường quá mạnh ở các sườn núi quay về hướng ăng ten

trong khi đó lại yếu ở các sườn núi quay ngược với hướng ăng ten. Để

hiệu chỉnh hiện tượng này cần phải tiến hành hiệu chỉnh giá trị tán xạ

ngược trên ảnh để loại bỏ ảnh hưởng của địa hình tới trị tán xạ trên ảnh.

11

2.3. Cơ sở vật lý ứng dụng ảnh SAR trong xác định sinh khối rừng

2.3.1. Cơ sở vật lý

Các thành phần của cây (lá, thân, vỏ, cành…) có hằng số điện môi

tương đối (dielectricity contant hay relative permittivity) không đồng

nhất và khác với môi trường xung quanh (không khí, đất). Sóng SAR có

bước sóng lớn hơn kích thước các thành phần của cây có khả năng

xuyên thấu qua tán lá cây tương tác với các thành phần của cây, với sự

đa dạng về kích thươc, hướng, hằng số điện môi của các thành phần của

cây sẽ hấp thụ và tán xạ sóng radar. Vì sinh khối của thực vật cũng là

hàm của các thành phần của cây bao gồm kích thước, độ ẩm, các thông

số có quan hệ trực tiếp với tín hiệu tán xạ ngược thu nhận tại đầu thu

SAR, do vậy dựa vào trị đo SAR có thể xác định được giá trị sinh khối

của thực vật.

2.3.2. Cơ chế tán xạ của rừng đối với sóng radar

Tán xạ của thực vật là tổng tán xạ từ các cơ chế tán xạ gồm:

- Tán xạ trực tiếp tại các ngọn cây (1);

- Tán xạ trực tiếp tại thân cây- mặt đất (2);

- Tán xạ tại thân cây (3);

- Tán xạ nhiều lần thân cây-mặt đất (4);

- Suy giảm tại mặt đất (5);

- Tán xạ trực tiếp tại mặt đất (6).

Độ lớn của các thành phần tán xạ phụ thuộc vào chiều dài bước

sóng, sự phân cực của sóng, góc tới của tia radar, sự đa dạng của địa

hình và thông số của thực phủ.

12

Hình 2. 1: Tán xạ radar của thực phủ rừng

CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM TÍNH SINH KHỐI TRÊN MẶT

ĐẤT TỈNH HÒA BÌNH

3.1. Khái quát khu vực thực nghiệm

Tỉnh Hòa Bình nằm phía tây Bắc Việt Nam có ranh giới phía Tây

giáp với Lào, phía Đông giáp với Hà Nội, phía bắc giáp với Sơn La,

phía nam giáp với Thanh Hóa. Hòa Bình có tổng cộng 10 huyện và 1

Thành Phố (thành phố Hòa Bình) với tổng diện tích tự nhiên là

469.912,2 ha, diện tích có rừng là 208.922,1 ha.

Nếu tiếp cận theo hệ sinh thái thì rừng tỉnh Hòa Bình thuộc Hệ sinh

thái rừng lá rộng thường xanh trên núi đá vôi. Hệ thực vật vùng núi đá

vôi mang tính chất pha trộn của nhiều luồng thực vật nhưng đặc trưng

cơ bản là luồng thực vật bản địa Bắc Việt Nam - Nam Trung Hoa, đồng

thời cũng chịu nhiều ảnh hưởng của các luồng thực vật khác.

Phần lớn diện tích rừng của Hòa Bình là rừng tự nhiên, diện tích

này chiếm đến 55,8% diện tích rừng của toàn tỉnh, trong đó diện tích

rừng non phục hồi chiếm phần lớn diện tích rừng tự nhiên.

13

Với đặc điểm của rừng tỉnh Hòa Bình ta có thể thấy một số điểm

lưu ý khi ứng dụng dữ liệu viễn thám siêu cao tần để tính sinh khối trên

mặt đất rừng của tỉnh Hòa Bình như sau:

Rừng tỉnh Hòa Bình nằm ở địa hình núi đá vôi với địa hình phức

tạp có độ dốc lớn nên khi xử lý ảnh radar cần phải hiệu chỉnh ảnh hưởng

của địa hình đến vị trí điểm ảnh cũng như tán xạ ngược trên ảnh.

Tỉnh Hòa Bình có diện tích rừng trồng lớn (hơn 92 nghìn ha), rừng

này với đặc điểm là chu kỳ thu hoạch chỉ từ 5 đến 7 năm nên cần chú ý

số liệu ô kiểm định và thời điểm chụp ảnh phải gần nhau để tránh sai số

do sự sai khác về hiện trạng rừng đo tại

3.2. Dữ liệu sử dụng

3.2.1. Dữ liệu ảnh

Phục vụ tính sinh khối rừng trên mặt đất tỉnh Hòa Bình sử dụng 07

cảnh ảnh ENVISAT ASAR chụp năm 2009 với các góc chụp khác nhau

và quỹ đạo khác nhau (đi lên và đi xuống). 02 cảnh ảnh ALOS

PALSAR cũng được sử dụng trong công tác thực nghiệm.

3.2.2. Dữ liệu ô tiêu chuẩn

Trong thực nghiêm sử

dụng 84 ô tiêu chuẩn đo đếm

các thông số cây. Sinh khối

rừng tại vị trí các ô tiêu chuẩn

được tính bằng công thức

chuyển đổi.

3.2.3. Dữ liệu bản đồ

Trong thực nghiệm này

sử dụng bản đồ hiện trạng rừng tỉnh Hòa Bình ở tỷ lệ 1: 50 000 do Viện

14

Điều tra Quy hoạch rừng thành lập phục vụ cho mục tiêu điều tra, kiểm

kê tài nguyên rừng chu kỳ 4. Bản đồ được thành lập sử dụng ảnh viễn

thám Spot 5 với độ phân giải 2,5x2,5m để giải đoán và xây dựng bản đồ

hiện trạng rừng.

3.3. Các bƣớc tính sinh khối

Các bước tính sinh khối gồm:

- Kiểm định ảnh

(calibration);

- Xử lý hình học ảnh;

- Hiệu chỉnh ảnh hưởng

của địa hình tới giá trị tán

xạ trên ảnh;

- Đo giá trị tán xạ ngược

tại vị trí các ô tiêu chuẩn;

- Thiết lập hàm tương

quan;

- Tính sinh khối;

- Đánh giá kết quả.

Hình 3. 1:

Ảnh ASAR

ngày 30

tháng 3 sau

khi hiệu

chỉnh ảnh

hưởng của

địa hình

15

3.4. Tính toán hồi quy

Phần tính toán hồi quy này được thực hiện cho rừng trên địa bàn

toàn tỉnh Hòa Bình, rừng tự nhiên của tỉnh Hòa Bình và rừng trồng trên

địa bàn tỉnh Hòa Bình, tuy nhiên do khuôn khổ có hạn của báo cáo tóm

tắt nên trong tài liệu này chỉ trình bày vắn tắt kết quả hồi quy cho rừng

trên toàn tỉnh Hòa Bình.

3.4.1. Tính toán hồi quy đối với sinh khối rừng trên toàn tỉnh

Hòa Bình

3.4.1.1. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ENVISAT ASAR

a) Hồi quy đa thực bậc 2

Hình 3.1 là kết quả hồi quy đa thức bậc hai giữa sinh khối sinh khối

rừng trên mặt đất các ô tiêu chuẩn có trị sinh khối nhỏ hơn 70 tấn/ha với

giá trị tán xạ tại vị trí tương ứng trên ảnh. Hình vẽ thể hiện trị tán xạ

phân cực HV có hệ số xác định R2 tốt hơn so với phân cực HH.

11/03/2009- HH

11/03/2009- HV

Hình 3. 2: Hồi quy đa thức bậc 2 giá trị sinh khối tại các ô tiêu

chuẩn có giá trị sinh khối nhỏ hơn 70 tấn và giá trị tán xạ của ảnh

b) Hồi quy đa tuyến

Bảng 3.1 là kết quả hồi quy đa tuyến, bảng cho thất kết quả hồi quy

R² = 0.5404

-20

30

80

-22 -12

R² = 0.7834

-20

30

80

-17 -7

16

đa tuyến cải thiện đáng kể khi kết hợp dữ liệu viễn thám siêu cao tần với

cấu hình chụp ảnh khác nhau và kết hợp hai phân cực HH và HV.

Bảng 3. 1: Hồi quy đa tuyến đối với dữ liệu ENVISAT ASAR

Trị đo sử dụng R2 F

F tới

hạn

Sai số

chuẩn

Phân cực HH và HV của 1 ảnh 0.678 19.983 0.000 9.255

Phân cực HH và HV của 2 ảnh 0.826 21.621 0.000 6.986

Phân cực HH và HV của 3 ảnh 0.840 13.158 0.000 7.332

Phân cực HH và HV của 4 ảnh 0.868 10.724 0.000 7.150

Phân cực HH và HV của 5 ảnh 0.871 7.445 0.001 7.688

Phân cực HH và HV của 6 ảnh 0.926 9.402 0.001 6.439

Phân cực HH và HV của 7 ảnh 0.967 14.700 0.001 4.872

Phân cực HV của 1 ảnh 0.639 35.370 0.000 9.551

Phân cực HH của 1 ảnh 0.093 2.042 0.168 15.137

Phân cực HV của 8 ảnh 0.741 31.621 0.000 4.633

Phân cực HH của 8 ảnh 0.557 2.519 0.067 12.636

3.4.1.2. Kết quả hồi quy đối với dữ liệu ALOS PALSAR

a) Hồi quy đa thức bậc 2

b) Hình 3. 3: Quan hệ phi tuyến của tán xạ ngược và sinh khối mặt đất

R² = 0.8243

-50

50

150

250

-25 -15 -5 5

PHÂN CỰC HH

R² = 0.906

0

100

200

300

-15 -10 -5 0 5

PHÂN CỰC HV

17

Hình 3.2 là kết quả hồi quy đa tuyến, hình vẽ cho thấy giá trị phân

cực HV cũng thể hiện sự nhạy cảm tốt hơn với sinh khối rừng trên mặt

đất so với phân cực HH.

c) Hồi quy đa tuyến

Bảng 3.2 thể hiện kết quả hồi quy đa tuyến đối với giá trị tán xạ

trên ảnh ALOS PALSAR và sinh khối rừng trên mặt đất tại các ô tiêu

chuẩn tương ứng.

Cũng giống như kết quả hồi quy đa tuyến đối với ảnh ENVISAT

ASAR, việc hồi quy sử dụng trị đo tán xạ cả hai phân cực HH và HV cải

thiện đáng kể kết quả hồi quy với giá trị xác đinh R2 tăng từ 0.8 đối với

việc sử dụng trị đo tán xạ ngược phân cực HH lên 0.92 khi sử dụng trị

đo từ cả hai phân cực.

Bảng 3. 2: Hồi quy đa tuyến đối với dữ liệu ALOS PALSAR

Trị đo sử dụng R2 F F tới hạn Sai số

chuẩn

Phân cực HH và HV 0.918 151.739 0.000 17.339

Phân cực HV 0.847 155.434 0.000 23.274

Phân cực HH 0.808 117.461 0.000 26.136

3.4.2. So sánh kết quả hồi quy

Từ kết quả hồi quy giữa giá trị tán xạ trên ảnh ENVISAT ASAR,

ALOS PALSAR, và sinh khối trên mặt đất ô tiêu chuẩn có thể rút ra

một số so sánh như sau:

Phân cực HV là thích hợp hơn cho việc xác định sinh khối rừng so

với sử dụng phân cực HH, điều này thể hiện hệ số xác định R2 khi hồi

quy giá trị tán xạ trên ảnh với sinh khối trên mặt đất ô tiêu chuẩn khi sử

dụng phân cực HV luôn lớn hơn so với sử dụng phân cực HH.

Sử dụng hàm đa thức bậc hai cho kết quả hồi quy khả quan giữa

18

sinh khối rừng trên mặt đất và giá trị tán xạ ngược trên ảnh ALOS

PALSAR, với hệ số xác định R2 đối phân cực HV là 0.90 và 0.82 khi sử

dụng phân cực HH.

Khi sử dụng hàm đa thực bậc hai để hồi quy thì cũng thể hiện rõ sự

bão hòa của giá trị tán xạ ngược trên ảnh ENVISAT ASAR khi giá trị

sinh khối rừng trên mặt đất lớn hơn 60 tấn/ha đối với phân cực HV. Giá

trị này đối với phân cực HV của ảnh ALOS PALSAR vào khoảng 160

tấn. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Wenjian đối với rừng

tự nhiên ở nam Trung Quốc.

Sử dụng phương pháp hồi quy đa tuyến (Multiple Regression) đối

ảnh đa thời gian giúp tăng đáng kể kết quả hồi quy. Kết quả có thể giải

thích như sau:

- Sóng radar với phân cực khác nhau có cơ chế tương tác với thực vật

khác nhau. Khi tia radar tương tác với thực vật thì một phần của

sóng radar tương tác với thực vật và quay trở lại đầu thu và không

thay đổi phân cực, phần còn lại đâm xuyên vào trong thực vật,

tương tác với các thành phần của cây tạo hiện tượng tán xạ khối gây

thay đổi phân cực của sóng radar so với chùm tia tới. Như vậy, khi

sử dụng ảnh đa phân cực sẽ giúp thu thập được nhiều thông tin về

sinh khối trên mặt đất của lớp phủ thực vật so với sử dụng phân cực

đơn.

- Bên cạnh đó việc kết hợp hai quỹ đạo đi xuống và đi lên cũng như

với góc chụp khác nhau giúp giảm thiểu ảnh hưởng của địa hình

đến giá trị tán xạ trên ảnh. Thực vậy, với việc sử dụng hai quỹ đạo

ngược nhau (đi lên và đi xuống) và góc chụp khác nhau giúp hạn

chế ảnh hưởng của vùng bị bóng cũng như hiện tượng ngắn và

19

chồng đè ở các sườn núi hướng về ăng ten do thông tin thu thập

được là thông tin phản hồi từ hai sườn của một dãy núi..

3.5. Kết quả tính sinh khối

Để tính sinh khối rừng trên toàn tỉnh Hòa Bình sử dụng hàm hồi

quy đa tuyến giữa giá trị tán xạ phân cực HH và HV trên ảnh ALOS

PALSAR và sinh khối rừng trên mặt đất ô tiêu chuẩn. Sau hồi quy

phương trình sử dụng để tính sinh khối như sau:

Trong đó:

- B là giá trị sinh khối (tấn/ha);

- X (HV) là trị tán xạ phân cực HV trên ảnh (Db);

Hình 3. 4:

Bản đồ

sinh khối

trên mặt

đất rừng

tỉnh Hòa

Bình

20

3.6. Đánh giá kết quả tính sinh khối

so sánh giá trị sinh khối trên mặt đất tại vị trí các ô tiêu chuẩn có giá

trị sinh khối lớn hơn 15 tấn/ha. Bảng cho kết quả khác khả quan với sai

số trung phương khoảng 6.5 tấn/ha. Tỷ lệ về sai số tính sinh khối với

sinh khối rừng có sai số độ lệch chuẩn là khoảng 23%, hay nói cách

khác tính sinh khối có thể cho độ chính xác tới 77%.

Bảng 3. 3: So sánh sinh khối tính từ ảnh với sinh khối ô tiêu chuẩn

Tên điểm Sinh khối đo Sinh khối tính Chênh GT Tỷ lệ%

OTC_29 17.700 22.900 5.200 29.379

OTC_30 26.700 32.786 6.086 22.795

OTC_31 27.920 31.223 3.303 11.830

OTC_32 49.640 56.546 6.906 13.913

OTC_34 24.480 26.899 2.419 9.881

OTC_36 30.120 27.932 -2.188 -7.263

OTC_39 20.580 11.930 -8.650 -42.029

OTC_42 28.960 24.089 -4.871 -16.821

OTC_43 32.660 34.288 1.628 4.985

OTC_46 26.650 32.752 6.102 22.895

OTC_47 23.300 18.227 -5.073 -21.771

OTC_49 56.070 59.884 3.814 6.802

OTC_50 18.100 27.557 9.457 52.249

OTC_52 24.020 18.725 -5.295 -22.043

OTC_54 24.110 19.971 -4.139 -17.167

OTC_55 38.680 33.032 -5.648 -14.603

OTC_60 21.290 36.779 15.489 72.751

OTC_61 44.170 41.443 -2.727 -6.175

OTC_62 18.800 24.300 5.500 29.255

OTC_63 26.670 22.157 -4.513 -16.922

21

Tên điểm Sinh khối đo Sinh khối tính Chênh GT Tỷ lệ%

OTC_64 55.900 61.528 5.628 10.067

OTC_65 17.000 11.854 -5.146 -30.271

OTC_71 45.080 56.654 11.574 25.674

OTC_72 18.100 24.300 6.200 34.254

OTC_73 65.110 79.013 13.903 21.353

OTC_74 36.140 44.108 7.968 22.048

OTC_75 45.720 46.845 1.125 2.461

OTC_76 34.420 41.246 6.826 19.832

OTC_77 20.430 27.363 6.933 33.934

OTC_82 21.830 26.254 4.424 20.268

OTC_83 27.840 35.280 7.440 26.726

OTC_84 24.850 31.755 6.905 27.789

OTC_86 23.940 29.655 5.715 23.873

PP_05_MT 80.000 78.635 -1.365 -1.706

PP_09_DR 61.000 67.168 6.168 10.111

PP_10_BS 58.000 62.410 4.410 7.604

PP_12_DL 48.330 45.135 -3.195 -6.612

PP_19_LV 128.000 135.242 7.242 5.658

PP_20_NL 34.000 24.938 -9.062 -26.653

PP_21_TD 160.000 143.285 -16.715 -10.447

DT_10 217.000 198.914 -18.086 -8.335

STDV 7.490 23.2536

RMSE 6.524

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Rừng Việt Nam có diện tích che phủ lớn tuy nhiên sinh khối rừng

22

không cao (sinh khối rừng trung bình chỉ khoảng 40 tấn/ha [57]) nên

việc ứng dụng viễn thám radar trong xác định sinh khối rừng trên mặt

đất ở Việt Nam có nhiều thuận lợi do ít gặp sự bão hòa của tán xạ ngược

ảnh radar đối với sinh khối rừng trên mặt đất.

Việc sử dụng ảnh viễn thám radar tính toán sinh khối rừng trên mặt

đất cho sinh khối rừng tỉnh Hòa Bình cho kết quả với độ chính xác cao

(RMSE khoảng 3.2 tấn/ha) càng chứng tỏ tính khả thi trong ứng dụng

viễn thám radar trong xác định sinh khối rừng trên mặt đất tại tỉnh Hòa

Bình nói riêng và các kiểu rừng lá rộng thường xanh trên núi đá vôi

tương tự ở Việt Nam.

Tán xạ ngược kênh L phân cực HV bão hòa khi sinh khối rừng lớn

hơn 160 tấn/ha, và 80 tấn/ha đối với phân cực HH, trong khi đó kênh C

phân cực HV chỉ nhạy cảm với sinh khối rừng trên mặt đất có giá trị

sinh khối nhỏ hơn 80 tấn và phân cực HH thì giá trị này là nhỏ hơn 40

tấn.

Rừng với sinh khối thấp, năng lượng bức xạ phần lớn nhận được từ

nền đất bên dưới nên làm giảm độ chính xác tính sinh khối rừng bằng

tán xạ ảnh radar.

Việc kết hợp giá trị tán xạ phân cực HH và HV cho khả năng nâng

cao độ chính xác trong xác định sinh khối rừng so với sử dụng đơn phân

cực HH hoặc HV riêng biệt.

Độ chính xác xác định sinh khối rừng trên mặt đất sử dụng dữ liệu

viễn thám siêu cao tần còn được cải thiện đáng kể hơn nữa khi sử dụng

dữ liệu đa thời gian cho cặp phân cực HH và HV.

Việc sử dụng ảnh đa thời gian và kết hợp giá trị đo tán xạ hai kênh

HH và HV không những nâng cao độ chính xác xác định sinh khối rừng

mà còn hạn chế được nhược điểm bão hòa của giá trị tán xạ đối với sinh

khối rừng nhất là đối với kênh C.

23

Kết quả tính sinh khối trên mặt đất rừng trên địa bàn tỉnh Hòa Bình

cho thấy, rừng giàu trên địa bàn tỉnh Hòa Bình còn không nhiều với gần

26 nghìn ha.

Kết quả tính cũng cho thấy rừng trên núi đá có năng suất thấp nhất

với năng suất trung bình khoảng 29 tấn/ha.

Rừng trồng trên địa bàn tỉnh Hòa Bình có năng suất tương đối cao

với khoảng hơn 30 nghìn tấn /ha..

Kiến nghị

Rừng Việt Nam với sự đa dạng cao, gồm nhiều sinh thái rừng khác

nhau nên việc chỉ thử nghiệm ứng dụng ảnh radar trong xác định sinh

khối trên mặt đất tại một khu vực xác định là rừng tỉnh Hòa Bình với

đặc thù là rừng lá rộng thường xanh trên núi đá vôi [55] vẫn chưa thể

đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ cho tất cả các loại rừng ở Việt

Nam, do vậy cần có những thử nghiệm cho các hệ sinh thái rừng khác ở

Việt Nam nhằm ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế công tác kiểm

kê, đánh giá tài nguyên rừng tại nước ta.

Kết quả thử nghiệm cho thấy tán xạ ảnh ASAR kênh C phân cực

HV bão hòa khi sinh khối rừng lớn hơn 80 tấn và giá trị này đối với ảnh

PALSAR là 160 tấn. Như vậy đối với rừng có trữ lượng lớn hơn 160 tấn

cần phải sử dụng, dữ liệu khác hay phương pháp khác để tính sinh khối

rừng..

24

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN

ĐẾN LUẬN ÁN

1 Trần Tuấn Ngọc, Nguyễn Thanh Nga, 2014, Ứng dụng viễn thám

radar trong xác định sinh khối lớp phủ rừng tại Việt Nam, Tạp chí

Trắc địa bản đồ. Tr. 51-57.

2. Tran Tuan Ngoc, Pham Van Cu, Nguyen Ngoc Thach. 2012.

Application of radar satellite Imagery for abouveground biomass

estimation of forest cover in Vietnam - A Case study in Hoa Binh

Province. VNU Journal of Science, Natuaral Science anf

Technology. Vol 28 (5s), P. 75-82.

3. Thuy Le Toan, Tran Tuan Ngoc, Nguyen Thanh Nga, Lam Dao

Nguyen, Ludovic Villard, Alexandre Bouvet, Ake Rosenqvist. 2011.

Forest biomass assessment in Vietnam using ALOS/PALSAR, The

ALOS Kyoto and Science Team Initiative, K C Science Report –

Phase 2 . P. 75-81.

4. Lê Quang Toan, Trần Tuấn Ngọc, Phạm Văn Cự. 2011. Ứng dụng tư

liệu ảnh SAR ước tính sinh khối rừng ngập mặn khu vực ven biển

tỉnh Nam Định. Hội thảo quốc gia về đất ngập nước và biến đổi khí

hậu. Tr. 465 - 471.