Thạc Sĩ ứng dụng công nghệ gis trong điều chế rừng tại công ty lâm nghiệp nam tây nguyên, tỉnh đăk nông

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ii
LỜI CẢM ƠN . iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
ĐẶT VẤN ĐỀ . 1
Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU . 4
1.1. Ngoài nước . 4
1.1.1. Hệ thống thông tin địa lý 4
1.1.2. Điều chế rừng 8
1.2. Trong nước . 9
1.2.1. Hệ thống thông tin địa lý: 9
1.2.2. Điều chế rừng 12
1.3. Thảo luận về vấn đề nghiên cứu 13
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG - ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU . 15
2.1. Địa điểm, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 15
2.2. Đặc điểm khu vực nghiên cứu . 15
2.2.1. Khu vực nghiên cứu . 15
2.2.2. Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 16
2.2.3. Điều kiện kinh tế xã hội, văn hóa khu vực nghiên cứu . 20
Chương 3: MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 23
3.1. Mục tiêu nghiên cứu . 23
3.2. Nội dung nghiên cứu 23
3.3. Phương pháp nghiên cứu 24
3.3.1. Phương pháp luận trong tiếp cận nghiên cứu 24
3.3.2. Phương pháp nghiên cứu cụ thể . 25
Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33
4.1. Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh viễn thám . 33
4.1.1. Đăng ký tọa độ và tăng cường chất lượng ảnh 33 v
4.1.2. Chuyển đổi ảnh 37
4.1.3. Phân loại trạng thái rừng trên ảnh 40
4.1.4. Xử lý sau phân loại trạng thái trên ảnh . 44
4.2. Xây dựng mô hình cấu trúc, tăng trưởng và hồi quy đa biến quan hệ của các
nhân tố điều tra lâm phần . 47
4.2.1. Mô hình cấu trúc định hướng và các chỉ tiêu kỹ thuật trong khai thác và chặt
nuôi dưỡng rừng 47
4.2.2. Mô hình xác định lượng tăng trưởng . 56
4.2.3. Mô hình xác định giải pháp lâm sinh (GPLS) . 62
4.3. Thiết lập bộ công cụ trong GIS để quản lý và tổ chức điều chế rừng 64
4.3.1. Tạo lập cơ sở dữ liệu trong GIS . 64
4.3.2. Kết quả điều chế rừng được quản lý trong GIS 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 89vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Band: Kênh ảnh (Band).
CSDL: Cơ sở dữ liệu
FAO: Tổ chức Nông lương thế giới (Food and Agriculture Organization)
GCP: Điểm khống chế mặt đất (Ground Control Point)
GIS: Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)
GPS: Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)
NDVI: Chỉ số thực vật (Normalized Difference Vegetation Index)
PCA: Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis)
UNDP: Chương trình phát triển Liên Hiệp quốc (United Nation Development
Programme)
UTM: Hệ lưới chiếu (Universal Transverse Mercator)
WGS 84: Hệ tọa độ thế giới xây dựng năm 1984 (World Geodetic System)
WRI (World Resouce Institute): Viện Tài nguyên Thế giới
Ký hiệu
D, D 1.3 (cm): Đường kính cây tại vị trí 1.3m
N (cây), n: Số cây, dung lượng mẫu quan sát
G (m 2 ): Tiết diện ngang tại vị trí 1.3m
H vn (m): Chiều cao vút ngọn cây
Ln(): Logarit tự nhiên (cơ số e)
M (m 3 ): trữ lượng lâm phần
R, R 2 Hệ số tương quan, Hệ số xác định
Pm: Suất tăng trưởng
χ 2 Tiêu chuẩn khi bình phương của Pearson
V (m 3 ) Thể tích cây
Zd, Zd 5 năm (mm/5năm) Tăng trưởng đường kính trong 5 năm
Zm Lượng tăng trưởng thường xuyên hàng năm vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Thống kê diện tích theo trạng thái rừng Công ty LN Nam Tây Nguyên. 20
Bảng 3.1. Thông tin dữ liệu ảnh vệ tinh . 25
Bảng 4.1. Tổng hợp diện tích theo trạng thái kết quả giải đoán ảnh SPOT 5 44
Bảng 4.2. Kết quả kiểm tra sự thuần nhất 8 ô tiêu chuẩn đưa vào xây dựng mô hình
rừng định hướng theo tiêu chuẩn χ2 47
Bảng 4.3. Sắp xếp số cây theo cỡ kính . 48
Bảng 4.4. Điều chỉnh cấu trúc N/D trong khai thác chọn rừng thường xanh, trạng
thái rừng giàu (IIIb, IIIa 3 ) 50
Bảng 4.5. Điều chỉnh cấu trúc N/D trong khai thác chọn rừng thường xanh, trạng
thái rừng trung bình (IIIa 2 ) . 51
Bảng 4.6. Điều chỉnh cấu trúc N/D trong chặt nuôi dưỡng rừng thường xanh, trạng
thái rừng nghèo (IIIa 1 ) . 52
Bảng 4.7. Điều chỉnh cấu trúc N/D trong chặt nuôi dưỡng rừng thường xanh, trạng
thái rừng non (IIb) . 53
Bảng 4.8. Điều chỉnh cấu trúc N/D trong chặt nuôi dưỡng rừng thường xanh, trạng
thái IIIa 2 hỗn giao tre nứa (IIIa 2 +L) . 54
Bảng 4.9. Cự ly cấp kính thay đổi theo Zd 5 năm để cây ở một cấp kính dưới có thể
chuyển hết lên cấp kinh trên 58
Bảng 4.10. Tính toán lượng tăng trưởng lâm phần trong 5 năm cho trạng thái rừng
giàu (IIIa 3 , IIIb) . 59
Bảng 4.11. Tính lượng tăng trưởng lâm phần 5 năm cho các trạng thái 60
Bảng 4.12. Kết quả mô hình mã hóa biện pháp lâm sinh theo đặc điểm điều tra lâm
phần 63
Bảng 4.13. Công thức nhập các trường dữ liệu dự báo. 68
Bảng 4.14. Kế hoạch giải pháp lâm sinh theo không gian và thời gian. 74
Bảng 4.15. Cơ sở dữ liệu giải pháp khai thác theo thời gian. 77
Bảng 4.16. Cơ sở dữ liệu giải pháp lâm sinh theo thời gian từ năm 2015 . 83 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Bản đồ khu vực nghiên cứu 16
Hình 2.2: Bản đồ hiện trạng rừng khu vực nghiên cứu . 19
Hình 3.1: Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu 24
Hình 3.2: Sơ đồ phương pháp phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh viễn thám . 27
Hình 4.1: Ảnh SPOT 5 trước và sau đăng ký tọa độ UTM WGS – 84 (tổ hợp màu
3:4:2) . 33
Hình 4.2: Ảnh Landsat tổ hợp màu 3:2:1 khu vực nghiên cứu . 34
Hình 4.3: Ảnh Landsat được tăng cường độ phân giải không gian bằng kênh toàn
sắc khu vực nghiên cứu – Tổ hợp màu 3:2:1 35
Hình 4.4: Ảnh SPOT 5 thể hiện khu vực nghiên cứu – Tổ hợp màu 3:4:2 36
Hình 4.5: Ảnh NDVI SPOT 5 38
Hình 4.6: Ảnh NDVI Landsat độ phân giải 14.5m 39
Hình 4.7: Ảnh SPOT 5 tổ hợp màu kênh PCA 1-NDVI – Band 1(gốc) 41
Hình 4.8: Kết quả phân loại trạng thái trên ảnh SPOT 5 42
Hình 4.9: Gộp nhóm, phân tích đa số, thiểu số ảnh SPOT 5 đã phân loại . 45
Hình 4.10: Bản đồ hiện trạng rừng trên cơ sở giải đoán ảnh SPOT 5 . 46
Hình 4.11: Mô hình N/D định hướng theo hàm Mayer . 49
Hình 4.12: So sánh cấu trúc trạng thái rừng giàu với cấu trúc định hướng . 51
Hình 4.13: So sánh cấu trúc thực trạng thái IIIa 2 với cấu trúc định hướng 52
Hình 4.14: So sánh cấu trúc thực trạng thái IIIa 1 với cấu trúc định hướng 53
Hình 4.15: So sánh cấu trúc thực trạng thái IIb với cấu trúc định hướng 54
Hình 4.16:. So sánh cấu trúc thực trạng thái IIIa 2 +L với cấu trúc định hướng 55
Hình 4.17: So sánh cấu trúc thực trạng thái IIIa 1 +L với cấu trúc định hướng . 56
Hình 4.18: Mô hình quan hệ Zd/D theo D 1.3 57
Hình 4.19: Mô hình quan hệ Pm theo M 61
Hình 4.20: Tạo các trường trong bảng cơ sở dữ liệu lớp trạng thái rừng . 65
Hình 4.21: Nhập dữ liệu cho bảng CSDL trong ArcGIS. . 66 ix
Hình 4.22: Trích bảng cơ sở dữ liệu phục vụ điều chế rừng được tạo trong ArcGIS
70
Hình 4.23: Tạo bản đồ giải pháp lâm sinh 71
Hình 4.24: Bản đồ về các giải pháp lâm sinh bắt đầu từ thời điểm 2009 72
Hình 4.25: Chuyển định dạng CSDL ArcGIS sang Exel 73
Hình 4.26: Tạo cơ sở dữ liệu giải pháp khai thác . 75
Hình 4.27: Bản đồ khai thác theo luân kỳ 76
Hình 4.28: Bản đồ giải pháp chặt nuôi dưỡng rừng theo thời gian . 78
Hình 4.29: Bản đồ giải pháp làm giàu rừng theo thời gian . 79
Hình 4.30: Bản đồ giải pháp lâm sinh ở Tiểu khu 1482 . 81
Hình 4.31: Bản đồ giải pháp lâm sinh từ năm 2015 . 82
Hình 4.32: Sơ đồ kỹ thuật phối hợp mô hình hồi quy với GIS phục vụ điều chế rừng
84 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tài nguyên rừng trên toàn thế giới bị suy thoái nghiêm trọng trong
thập niên 90 của thế kỷ XX, theo thống kê của FAO (2003), mỗi năm có
0,38% diện tích rừng bị chuyển sang các mục đích sử dụng khác, có nhiều
nguyên nhân khác nhau làm rừng bị suy thoái như xử lý lâm sinh không hiệu
quả làm giảm sức sản xuất của rừng, quản lý khai thác không tốt làm giảm giá
trị đa dạng sinh học, nhất là khai thác gỗ, củi, thực phẩm và chăn nuôi; trong
đó nhu cầu phát triển kinh tế và sự gia tăng dân số có ý nghĩa hàng đầu.
Việt Nam là một trong những quốc gia không tránh khỏi thực trạng trên,
diện tích rừng bị giảm liên tục từ 1943 đến 2000, nhất là rừng tự nhiên trong
giai đoạn 1980 - 1990, diện tích rừng trồng tuy có tăng nhưng không đủ bù
đắp lại rừng tự nhiên bị mất. Ngoài diện tích rừng bị mất, chất lượng rừng
cũng bị suy thoái. Theo thống kê năm 1943, diện tích rừng tự nhiên của Việt
Nam là 14,3 triệu ha đến năm 2000 diện tích rừng giảm xuống còn 9,444 triệu
ha [7], khu vực Tây nguyên giảm 440 nghìn ha từ năm 1975 đến năm 2003 1 .
Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến suy thoái tài nguyên rừng ở
Việt Nam là quản lý và sử dụng rừng không hợp lý, các chính sách và động
lực chưa phù hợp với nhu cầu phát triển của xã hội.
Ngày nay, chúng ta quan tâm nhiều việc tổ chức quản lý rừng bền vững
nhằm không ngừng phát huy với hiệu quả cao, ổn định liên tục những tác
dụng và lợi ích của rừng trên các lĩnh vực về môi trường, kinh tế, văn hoá, xã
hội trong hiện tại và tương lai. Một trong những cơ sở đóng góp vào tiến trình
này là xây dựng phương án điều chế rừng khoa học, phù hợp với thực tiễn sản
xuất của từng đơn vị. Từ những năm 80 của thế kỷ XX chúng ta bắt đầu chú
trọng vào khoa học điều chế rừng, tức là cố gắng tổ chức rừng khoa học hơn
về không gian và thời gian, tránh kinh doanh rừng để làm mất rừng. Hầu hết
1
Theo công bố của Bộ Nông nghiệp và PTNT năm 2003 2
các lâm trường đều phải xây dựng phương án điều chế rừng và hàng năm đều
có các thiết kế sản xuất, hoạt động này đã đóng góp tích cực vào việc quản lý
kinh doanh rừng ổn định hơn.
Tuy nhiên với phương pháp xây dựng điều chế rừng truyền thống việc thu
thập, cập nhật các thông tin, cơ sở dữ liệu chủ yếu dựa vào các quá trình điều
tra, khảo sát, tổng hợp các thông tin thu thập được bằng các mẫu biểu điều tra,
các bản đồ giấy thể hiện các loại đất đai, các loại rừng, hoặc sự kết hợp giữa
biểu tổng hợp và bản đồ giấy để mô tả đối tượng của điều chế. Công việc này
đỏi hỏi phải tiêu tốn nhiều thời gian, kinh phí, nhân lực nhưng độ chính xác
không cao.
Hơn nữa việc lưu giữ, phục hồi, chia sẻ thông tin cũng như cập nhật dữ
liệu không gian địa lýnhững biến động về tài nguyên để quản lý và đề ra các
giải pháp là rất khó, nhất là trong giai đoạn hiện nay do nhu cầu của xã hội về
áp lực dân số, đô thị hóa, nhu cầu đất sản xuất, ., làm cho diện tích rừng
ngày càng thu hẹp nhanh chóng, do đó cần có những phương pháp, công nghệ
có độ tin cậy để quản lý, cập nhật, xử lý, hỗ trợ các quyết định về quản lý tài
nguyên một cách khoa học, nhanh chóng, hiệu quả và chính xác.
Với sự phát triển vượt bậc của hệ thống máy tính, cùng với công nghệ
thông tin đã và đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng. Một trong những
công nghệ đáng quan tâm trong việc quản lý tài nguyên thiên nhiên là hệ
thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS). Trong đó sử
dụng ảnh viễn thám (Remote Sensing) và công nghệ GIS kết hợp hệ thống
định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là một nhu cầu khách
quan, vì điều chế rừng là tổ chức không gian và thời gian, nó liên quan đến
yếu tố địa lý và đặc điểm cấu trúc động thái rừng, vận dụng được vấn đề này
là một giải pháp hữu hiệu không chỉ cho quản lý vĩ mô mà cả quản lý vi mô ở
cơ sở trong quản lý, phát triển rừng có khoa học, có cơ sở dữ liệu thông tin
được cập nhật giúp cho việc xác định các giải pháp kỹ thuật cũng như hỗ trợ 3
các quyết định nhanh chóng, có độ tin cậy. Những thuận lợi đáng kể khi sử
dụng GIS như: Dễ dàng lưu giữ, bảo quản cơ sở dữ liệu; chỉnh sửa; cập nhật;
tìm kiếm và có khả năng phân tích chuyên đề, phân tích không gian; dễ chia
sẻ và trao đổi, .
Xuất phát từ thực tế trên, với mục tiêu ứng dụng các công nghệ vào quá
trình phân loại trạng thái rừng, quản lý điều chế rừng, chúng tôi thực hiện đề
tài “Ứng dụng công nghệ GIS trong điều chế rừng tại Công ty Lâm nghiệp
Nam Tây Nguyên, tỉnh Đăk Nông” nhằm góp phần xây dựng một bộ công cụ
quản lý dữ liệu và đưa ra các giải pháp phục vụ cho công tác điều chế rừng
phù hợp với khu vực nghiên cứu.