DANH MỤC BẢNG Bảng Ảnh vệ tinh sử dụng luận án Bảng Các đồ chuyên đề sử dụng Bảng 1.1 Điểm mạnh, yếu kỹ thuật thành lập đồ thực vật khác 24 Bảng 2.1 Các mức thông tin khai thác – giải đồ 49 Bảng 2.2 Ðộ phân tách mẫu 55 Bảng 2.3 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sơng Trà Khúc theo cấp độ cao 64 Bảng 2.4 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo cấp độ dốc .64 Bảng 2.5 Hệ số chuẩn hóa ảnh 72 Bảng 2.6 Thống kê diện tích trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 73 Bảng 2.7 Chỉ số biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc .83 Bảng 3.1.So sánh mơ hình raster vector mơ hình hóa xói mịn GIS 98 Bảng 3.2 Bảng tra C theo Hội khoa học đất quốc tế 112 Bảng 3.4 Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc tế .114 Bảng 3.5 Phân cấp xói mịn tiềm lưu vực sơng Trà Khúc 115 Bảng 3.6 Phân cấp xói mịn lưu vực sông Trà Khúc 117 Bảng 4.1 Biến động xói mịn 1989-1997 .132 Bảng 4.2 Biến động xói mịn 1997-2001 .132 Bảng 4.3 Biến động lớp phủ thực vật biến động xói mịn năm 1989-1997 136 Bảng 4.4 Biến động lớp phủ thực vật biến động xói mịn năm 1997-2001 137 Bảng 4.5 Phân cấp xói mịn xói mịn tiềm .148 Bảng 4.6 Tính tốn mức độ ưu tiên cho vị trí qui hoạch 151 Bảng 4.7 Diện tích biện pháp qui hoạch lưu vực sơng Trà Khúc 154 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Qui hoạch vấn đề sử dụng hợp lí tài ngun đất tiếp cận qua q trình xói mòn Hình Phương pháp nghiên cứu Hình 1.1 Các xu hướng nghiên cứu xói mịn đại 15 Hình 1.2.Thành lập đồ thực vật ba thập niên gần 23 Hình 1.3 Vị trí lưu vực sơng Trà Khúc 35 Hình 1.4 Phân cấp độ cao mạng lưới dịng chảy lưu vựcsơng Trà Khúc 38 Hình 2.1 Phản xạ phổ đất, nước thực vật 42 Hình 2.2 Các Phương pháp đánh giá biến động lớp phủ thực vật từ ảnh viễn thám 45 Hình 2.3 Sơ đồ bước xử lý ảnh 50 Hình 2.4 a DEM; b Góc tới cục lưu vực sông Trà Khúc cho ảnh chụp năm 2001 53 Hình 2.5 a Ảnh chưa nắn chỉnh địa hình; b Ảnh hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình đến xạtheo mơ hình Lambert 54 Hình 2.6 Phân bố mẫu khơng gian kênh kênh 3, lưu vực sông Trà Khúc 55 Hình 2.7 Histogram ảnh số thực vật 57 Hình 2.8 Ảnh số thực vật 58 a Ảnh tổ hợp màu giả ; b NDVI; c SR; d SAVI ; e GEMI ; f ARVI 58 Hình 2.9 Phản xạ phổ đối tượng pixel 60 Hình 2.10 Pixel “pure” 61 Hình 2.11 Kết hợp thông tin thành lập đồ trạng lớp phủ thực vật 63 Hình 2.12 Bản đồ trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 65 Hình 2.13 Phân bố lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc theo độ cao 66 Hình 2.14 Phân bố lớp phủ thực vật theo cấp độ dốc 66 Hình 2.15 Histogram ảnh tỷ số NDVI 69 Hình 2.16 Tính tốn biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc từ ảnh vệ tinh 70 Hình 2.17 Bản đồ trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1989 74 Hình 2.18 Bản đồ trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1997 75 Hình 2.19 Diện tích lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc năm 1989, 1997, 2001 76 Hình 2.20 Biến động rừng lưu vực sông Trà Khúc theo độ cao 79 Hình 2.21 Biến động rừng lưu vực sông Trà Khúc theo độ dốc 81 Hình 2.22 Chuyển đổi lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc thời điểm 1989-1997 1997-2001 82 Hình 3.1 Sử dụng mơ hình USLE tính tốn xói mịn GIS 96 Hình 3.2 Các bước tính tốn đồ hệ số R .100 Hình 3.3 Bản đồ hệ số R lưu vực sông Trà Khúc 102 Hình 3.4 Các bước thành lập đồ hệ số K 103 Hình 3.5 Bản đồ hệ số K lưu vực sông Trà Khúc 104 Hình 3.6 Các bước tính tốn đồ hệ số LS .109 Hình 3.7 Bản đồ hệ số LS lưu vực sông Trà Khúc 108 Hình 3.8 Bản đồ hệ số C lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 113 Hình 3.9 Bản đồ xói mịn tiềm lưu vực sơng Trà Khúc 116 Hình 3.10 Bản đồ xói mịn lưu vực sông Trà Khúc năm 2001 118 Hình 3.11 Bản đồ phân cấp xói mịn lưu vực sông Trà Khúc 119 Hình 3.12 Diện tích xói mịn xói mịn tiềm lưu vực sơng Trà Khúc 120 Hình 4.1 Tiếp cận ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mịn phục vụ mục đích sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc 123 Hình 4.2 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới q trình xói mịn .127 Hình 4.3 Bản đồ biến động xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc năm 1989-1997 .130 Hình 4.4 Bản đồ biến động xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc năm 1997-2001 .131 Hình 4.5 So sánh biến động xói mịn hai thời kỳ 1989-1997 134 Hình 4.6 Biến động xói mịn 1989-1997 134 Hình 4.7 Biến động xói mịn 1997-2001 135 Hình 4.8 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mịn thời kỳ 1989-1997 .138 Hình 4.9 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mịn thời kỳ 1997-2001138 Hình 4.10 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới biến động xói mịn lưu vực sông Trà Khúc năm 1989-1997 140 Hình 4.11 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới biến động xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc năm 1997-2001 141 Hình 4.12 Qui hoạch – công cụ giúp sử dụng hợp lý tài ngun đất 144 Hình 4.13 Phân tích mối quan hệ lớp phủ thực vật-xói mịn để đưa thông tin phục vụ qui hoạch 147 Hình 4.14 Các bước tính tốn khu vực tác động 149 Hình 4.15 Các bước tính tốn khu vực ưu tiên .150 Hình 4.16 Các bước tính tốn biện pháp tác động 151 Hình 4.17 Bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc 152 Hình 4.18 Bản đồ qui hoạch giảm thiểu xói mịn huyện Sơn Tây 153 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 10 Tính cấp bách vấn đề .1 Mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu .3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu Quan điểm phương pháp nghiên cứu Các giả thiết nghiên cứu (luận điểm bảo vệ) Những điểm luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cơ sở tài liệu thực luận án .8 Khối lượng cấu trúc luận án .9 Chương TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XĨI MÒN VÀ ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI………………………………… 10 1.1 Tổng quan nghiên cứu xói mịn .10 1.1.1.Vấn đề xói mịn .10 1.1.2 Mơ hình mơ hình hóa xói mịn 13 1.1.3 Các xu hướng nghiên cứu xói mịn .14 1.1.4 Vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên đất biện pháp hạn chế xói mịn 16 1.2 Ðánh giá biến động lớp phủ thực vật ảnh vệ tinh 21 1.2.1 Ảnh vệ tinh thông tin phản ánh trạng lớp phủ 21 1.2.2 Nghiên cứu lập đồ trạng lớp phủ từ ảnh vệ tinh .24 1.2.3 Nghiên cứu theo dõi biến động lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh .26 1.3 Điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Trà Khúc 35 Chương ÁP DỤNG TIẾP CẬN ĐA QUY MÔ TRONG XỬ LÝ SỐ ẢNH VIỄN THÁM ĐỂ THEO DÕI BIẾN ÐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT LƯU VỰC SÔNG TRÀ KHÚC 41 2.1 Thông tin ảnh viễn thám tiếp cận đa quy mô chiết xuất thông tin .41 2.1.1 Thông tin ảnh viễn thám 41 2.1.2 Chiết xuất thông tin tiếp cận đa quy mô 44 2.2 Các phương pháp đánh giá biến động 45 2.3 Hệ thống phân loại lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 47 2.4 Thành lập đồ trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 49 2.4.1 Nắn chỉnh hình học 50 2.4.2 Hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình đến xạ 52 2.4.3 Phân loại có kiểm định: 54 2.4.4 Tính số thực vật 56 2.4.5 Phân loại pixel .60 2.4.6 Kết hợp thông tin .62 2.4.7 Bản đồ trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 63 2.5.Theo dõi biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 68 2.5.1 Ðịnh chuẩn tương đối 71 2.5.2 Thành lập đồ khu vực biến động 72 2.5.3 Biến động lớp phủ thực vật lưu vực sơng Trà Khúc .72 2.6 Phân tích đặc trưng biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc 76 2.6.1 Biến động theo thời gian 77 2.6.2 Biến động theo không gian 78 2.6.3 Cấu trúc (pattern) biến động 81 2.7 Hạn chế việc sử dụng ảnh viễn thám đánh giá biến động lớp phủ thực vật lưu vực lưu vực sông Trà Khúc cách khắc phục 84 Chương MƠ HÌNH HĨA XĨI MỊN LƯU VỰC SƠNG TRÀ KHÚC BẰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ .87 3.1 Phương pháp mơ hình đánh giá xói mòn đất 87 3.2 Các mơ hình đánh giá lượng đất xói mịn 88 3.2.1.Mơ hình kinh nghiệm .88 3.2.2 Mơ hình nhận thức 93 3.3 Áp dụng GIS mơ hình hóa đánh giá xói mịn đất lưu vực sông Trà Khúc 95 3.3.1 Lựa chọn mơ hình 95 3.3.2 Xây dựng sở liệu 97 3.4 Thành lập đồ xói mịn xói mịn tiềm lưu vực sơng Trà Khúc 99 3.4.1 Bản đồ hệ số R .99 3.4.2 Bản đồ hệ số K .101 3.4.3 Bản đồ hệ số LS 103 3.4.4 Bản đồ hệ số C .109 3.4.5 Bản đồ hệ số P .114 3.4.6 Bản đồ xói mịn tiềm lưu vực sông Trà Khúc .114 3.4.7 Bản đồ xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc .117 3.5 Một số ưu điểm phương pháp mơ hình hố xói mịn hệ thống thông tin địa lý so với phương pháp truyền thống 120 Chương ẢNH HƯỞNG BIẾN ĐỘNG LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI XĨI MỊN VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUN ĐẤT LƯU VỰC SÔNG TRÀ KHÚC 122 4.1 Ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc 122 4.1.1 Tiếp cận theo mơ hình tốn 124 4.1.2 Tiếp cận theo phân tích khơng gian .126 4.2 Sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc 142 4.2.1 Xói mịn vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên đất .142 4.2.2 Sử dụng quan hệ lớp phủ thực vật xói mịn qui hoạch 145 4.3 Một số nhận xét đồ qui hoạch giảm thiểu xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc 154 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .157 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .160 TÀI LIỆU THAM KHẢO .161 Phụ lục Ðiểm khống chế sai số nắn chỉnh hình học .172 Phụ lục 2a Báo cáo phân loại có kiểm định cửa sổ khảo sát 175 Phụ lục 2b Phân loại pixel 177 Phụ lục Thư viện số end-member (theo John Hopkins University USGS) 186 Phụ lục Bảng ma trận biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc .188 Phụ lục Giới thiệu số phần mềm tính tốn xói mịn .191 Phụ lục Thông tin thực địa kiểm tra độ xác đồ trạng lớp phủ thực vật ……………………………………………………………………… ….195 MỞ ĐẦU Tính cấp bách vấn đề Xói mịn từ lâu coi ngun nhân gây thối hóa tài ngun đất nghiêm trọng Vấn đề bảo vệ đất xói mịn đề cập đến cơng trình tác giả Hy Lạp La Mã cổ đại Trong nhiều trường hợp, văn minh đất đai bị khai thác cạn kiệt [31] Vì vậy, với thối hố đất, xói mịn tồn vấn đề suốt trình phát triển tồn nhân loại Có thể nói xói mịn đất coi nguyên nhân hàng đầu gây thoái hóa tài nguyên đất vùng miền núi Nguyên nhân xói mịn đất có nhiều, lại thành hai nguyên nhân tự nhiên hoạt động người Nguyên nhân người, theo nhiều nhà nghiên cứu thể quản lý (đất) dường giá phải trả cho phát triển kinh tế, xã hội Các giải pháp đưa ra, phân tích khả thi nhất, biện pháp can thiệp vào lớp phủ thực vật nhằm đạt hiệu tốt việc chống xói mịn [41] Xói mịn có nguồn gốc tự nhiên q trình diễn liên tục tự nhiên thứ yếu so với xói mịn ngun nhân người Trong nguyên nhân người, việc phá hoại thảm (lớp phủ) thực vật, áo che chắn cho đất khỏi bị xói mịn ngun nhân trực tiếp khiến cho xói mịn gia tăng vùng miền núi Ðể giảm thiểu xói mịn khu vực miền núi, hai vấn đề cần song song nghiên cứu: thân q trình xói mịn, ngun nhân yếu tố ảnh hưởng đến vấn đề sử dụng hợp lý tài nguyên hai vấn đề có mối liên quan hữu Các nghiên cứu q trình xói mịn nhiều tác giả tổng kết có kết luận chung lớp phủ thực vật nơi người tác động để giảm thiểu xói mịn Sử dụng hợp lý tài nguyên vốn toán tổng hợp, yêu cầu thông tin hiểu biết nhiều mặt khác nhau: điều kiện tự nhiên, xã hội, kinh tế sử dụng hợp lý biện pháp làm cân nhu cầu phát triển kinh tế với bảo vệ môi trường bối cảnh xã hội cụ thể Vì thế, nghiên cứu theo hướng cần gắn với khu vực có đặc trưng địa lý xã hội cụ thể, hay nói rõ hơn, lưu vực cụ thể Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mịn quan hệ với khơng gian, tỷ lệ thích hợp, lưu vực coi đơn vị khơng gian nghiên cứu xói mịn, đặc biệt nghiên cứu phục vụ công tác qui hoạch Hạn chế việc giải toán nay, theo số tác giả [56,39], việc thiếu thông tin cần thiết để tiến hành qui hoạch Vì việc tiến hành nghiên cứu nhằm trả lời câu hỏi liên quan đến q trình xói mịn mối quan hệ với lớp phủ thực vật thiết Lưu vực sông Trà Khúc nơi có xói mịn tương đối mạnh Theo số liệu đồ Atlats Việt Nam (Bộ Khoa học Công nghệ Mơi trường – 1996), hầu hết diện tích lưu vực sơng Trà Khúc có mức độ xói mịn rửa trôi bề mặt từ 200 đến 300 T/năm Lưu vực sơng Trà Khúc nơi có lớp phủ thực vật thay đổi mạnh thời gian năm 90 đến nay, điểm nóng rừng Việt Nam [85,86] Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật lưu vực sơng Trà Khúc mang tính cấp thiết cao Có nhiều phương pháp khác nhiều cách tiếp cận khác lựa chon để nghiên cứu lớp phủ thực vật, q trình xói mịn quan hệ chúng Trong phương pháp nghiên cứu, phương pháp viễn thám GIS phương pháp đại, công cụ mạnh có khả giúp giải vấn đề tầm vĩ mô (về không gian) thời gian ngắn Ðể theo dõi lớp phủ thực vật, nghĩa đánh giá khơng biến động mặt diện tích mà không gian diễn biến động này, việc tận dụng công nghệ viễn thám GIS điều nhiều tác giả đề cập [3,5,25] Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào hoàn cảnh cụ thể cần nghiên cứu để tìm cách tiếp cận hợp lý đánh giá khả chúng cách đắn Với lý nêu trên, việc áp dụng phương pháp viễn thám GIS nghiên cứu biến động lớp phủ thực vật ảnh hưởng tới trình xói mịn, góp phần sử dụng hợp lý, bảo vệ tài nguyên đất lưu vực sông Trà Khúc cấp thiết 2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nhằm mục tiêu sau đây: • Nghiên cứu phương pháp xử lý ảnh số với tiếp cận đa qui mô (nhằm chiết xuất thông tin thu nhận từ ảnh viễn thám nhiều mức độ; đa dạng hóa thơng tin giúp cho việc khai thác ảnh viễn thám triệt để hơn, xác hơn) thành lập đồ lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc đánh giá biến động lớp phủ thực vật tư liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao • Nghiên cứu phương pháp mơ hình hóa q trình xói mịn tính tốn thơng tin định lượng lưu vực sông Trà Khúc công cụ phân tích khơng gian GIS • Đánh giá ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới trình xói mịn lưu vực sơng Trà Khúc cơng cụ phân tích khơng gian GIS theo hướng tiếp cận quan hệ biến động lớp phủ thực vật q trình xói mịn tỷ lệ lưu vực sử dụng mối quan hệ để lượng hóa khơng gian hóa thơng tin phục vụ cho việc qui hoạch sử dụng đất chống xói mịn Nhiệm vụ nghiên cứu Ðể giải mục tiêu trên, nghiên cứu có nhiệm vụ sau: • Tổng quan văn liệu nguyên tắc, phương pháp chiết xuất thông tin từ ảnh vệ tinh, theo dõi lớp phủ thực vật từ ảnh vệ tinh, mơ hình hóa xói mịn tiếp cận sinh thái qui hoạch • Sử dụng tiếp cận đa qui mô xử lý ảnh số thành lập đồ trạng lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc từ ảnh vệ tinh đa phổ • Thành lập đồ biến động lớp phủ thực vật lưu vực sông Trà Khúc phương pháp xử lý ảnh số; đánh giá, phân tích biến động lớp phủ thực vật theo khơng gian thời gian • Thành lập đồ xói mịn xói mịn tiềm lưu vực sơng Trà Khúc GIS • Phân tích ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới q trình xói mịn, đưa biện pháp sử dụng đất hợp lý nhằm giảm thiểu xói mịn dựa quan hệ lớp phủ thực vật xói mịn Giới hạn phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu giới hạn phạm vi sau đây: • Về không gian nghiên cứu: Khu vực nghiên cứu lưu vực sông Trà Khúc1 Nghĩa là, qui mô nghiên cứu luận án để phục vụ nghiên cứu cấp độ lưu vực • Về đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chủ yếu luận án biến động lớp phủ thực vật (tập trung vào số liệu biến động thấy mà khơng vào giải thích ngun nhân biến động đó) ảnh vệ tinh, cụ thể ảnh vệ tinh Landsat TM ETM Nghiên cứu xói mịn phạm vi lưu vực sơng Trà Khúc đề cập nhằm làm rõ ảnh hưởng biến động lớp phủ thực vật tới xói mịn sở áp dụng phương pháp mơ hình hóa vào nghiên cứu điều kiện xói mịn lưu vực • Về phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp viễn thám phân tích khơng gian hệ thống thông tin địa lý (GIS) Các kết thu nhận luận án qua q trình phân tích ảnh số phân tích khơng gian máy tính cần có kiểm chứng thực địa đáng tin cậy trước sử dụng vào mục đích cụ thể Quan điểm phương pháp nghiên cứu Quan điểm nghiên cứu Ðể giải mục tiêu cụ thể trên, nghiên cứu tiến hành dựa quan điểm nghiên cứu chủ đạo quan điểm hệ thống (xem hình 1) coi trạng sử dụng đất, lớp phủ thực vật tài nguyên đất hợp phần tương tác với Hoạt động sử dụng đất người tác động tới bền vững tài nguyên đất (có thể bảo vệ gây thối hóa) thơng qua lớp phủ thực vật Do địa hình lưu vực sông Trà Khúc địa phận tỉnh Quảng Nam liệu chi tiết phần có diện tích nhỏ (chỉ chiếm 4% tổng diện tích lưu vực) nên lưu vực sông Trà Khúc luận án không bao gồm phần ... suốt q trình phát triển tồn nhân loại Có thể nói xói mịn đất coi ngun nhân hàng đầu gây thối hóa tài ngun đất vùng miền núi Ngun nhân xói mịn đất có nhiều, lại thành hai nguyên nhân tự nhiên hoạt... hết nhà nghiên cứu thống có hai nguyên nhân dẫn tới tượng thoái hoá đất diễn mạnh mẽ qui mơ tồn cầu nay: tự nhiên người Nguyên nhân người, theo nhiều nhà nghiên cứu thể quản lý đất dường giá phải... hiệu tốt việc chống xói mịn [41] Xói mịn có nguồn gốc tự nhiên trình diễn liên tục tự nhiên thứ yếu so với xói mịn nguyên nhân người Trong nguyên nhân người, việc phá hoại thảm (lớp phủ) thực