Luận án: Sử dụng tư liệu viễn thám quang học và radar giám sát rừng ngập mặn ven biển phía Bắc Việt Nam

Lý do lựa chọn đề tài: Rừng ngập mặn là vùng đất ngập nước thủy triều với sự tập hợp đa dạng của cây cối và bụi rậm và nằm ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới giữa vĩ độ khoảng 30 độ Nắc và 30 độ Nam, Lee và Yeh (2009) [83]. Rừng ngập mặn là tài nguyên quý giá về nhiều mặt như làm chậm dòng chảy và phát tán rộng nước triều, làm giảm mạnh độ cao của sóng khi triều cường, bảo vệ đê biển, hạn chế xâm nhập mặn và bảo vệ nước ngầm. RNM còn là nơi bảo vệ đa dạng sinh học, bảo vệ các động vật khi nước triều dâng và sóng lớn …Bên cạnh đó, chúng cung cấp một loạt các dịch vụ hệ sinh thái cũng như môi trường sống cho nhiều loài thủy sản biển, lọc nước, ổn định bờ biển, đa dạng sinh học, Abdul Aziz và cộng sự (2015) [19], Giri và cộng sự (2015) [53], Rahman và cộng sự (2013) [96]. Rừng ngập mặn cung cấp một số dịch vụ hệ sinh thái và bảo vệ khu vực ven biển cho các đường bờ biển nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới, Veettil và cộng sự (2018) [118].

Nhưng rừng ngập mặn ven biển nhiệt đới và bán nhiệt đới nằm trong số các hệ sinh thái bị đe doạ và dễ bị tổn thương nhất trên toàn thế giới, Valiela và cộng sự (2001) [116]. Ở nước ta, theo Phan Nguyên Hồng và Hoàng Thị San (1993) [137] thống kê của Maurand năm 1943 có khoảng 400.000 ha rừng ngập mặn và chủ yếu là ở Nam bộ (có 250.000 ha) trong đó vùng Rừng Sát (40.000 ha), Cà Mau (150.000 ha), miền Trung và miền Bắc là (40.000 ha) và các nơi khác (20. Tuy nhiên, con số số này giảm đi còn 286.400 ha vào năm 1975, Phan Nguyên Hồng và Hoàng Thị San (1993) [137] và chỉ còn 156. Hội thảo về Thực trạng rừng ngập mặn Việt Nam tổ chức tại TP Đà Nẵng vào tháng 3/2012 đã nhận định: Có đến 80% diện tích rừng ngập mặn của Việt Nam đã bị biến mặt trong nửa thế kỷ qua.

Nguyên nhân chủ yếu là do ảnh hưởng của sự phát triển kinh tế, công nghiệp hóa và phong trào nuôi tôm. Trước thực trạng trên, Chính phủ đã đã có nhiều giải pháp nhằm bảo vệ, khôi phục lại rừng ngập mặn. Việc bảo vệ và khôi phục rừng ngập mặn không chỉ phục vụ mục tiêu phát triển bền vững, bảo tồn và phát triển nguồn gen mà đặc biệt là ứng phó với biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng ngày càng mạnh mẽ đến đất nước chúng ta. Do vậy yêu cầu về giám sát, phục hồi và bảo vệ rừng ngập mặn là hết sức bức thiết.

Viễn thám đã được chứng minh là rất cần thiết trong việc theo dõi và lập bản đồ các hệ sinh thái rừng ngập mặn vốn bị đe dọa cao. Nhiều nghiên cứu về chủ đề này đã được thực hiện trên thế giới. Giám sát rừng ngập mặn tại chỗ là một nhiệm vụ đầy thách thức, bởi vì những hệ sinh thái này khó tiếp cận, việc khảo sát có thể tốn kém và mất thời gian, nhưng giám sát tại chỗ vẫn được coi là một nguồn thông tin quan trọng, Moritz Zimmermann và cộng sự (2001) [87]. Dữ liệu cảm biến từ xa cung cấp một nguồn thông tin bổ sung, chúng ngày càng được sử dụng nhiều hơn, Kuenzer và 1 cộng sự (2011) [81], các vệ tinh quan sát trái đát là công cụ viễn thám tuyệt vời để giám sát rừng ngập mặn, Cárdenas và cộng sự (2017) [33].

Ngày nay, hơn 300 vệ tinh quan sát trái đất từ hơn 15 quốc gia đang hoạt động, Cárdenas và cộng sự (2017) [33]. Trong khi nhiều nhà khai thác cung cấp dữ liệu thương mại, một số dữ liệu lại cung cấp miễn phí. Về nguồn tư liệu viễn thám, có thể nói sự phát triển của các công trình nghiên cứu về giám sát rừng ngập mặn gắn liền với lịch sử phát triển của ảnh viễn thám. Các phương pháp truyền thống về đất ngập nước ven biển để giám sát và lập bản đồ thường tốn nhiều thời gian, công sức và tốn kém chi phí đồng thời họ thường không phát hiện ra những thay đổi trên các vùng rộng lớn ven biển, Ghosh và cộng sự (2016) [50].

Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ của công nghệ viễn thám đã hỗ trợ rất nhiều trong công tác điều tra, giám sát tài nguyên rừng nói chung và rừng ngập mặn nói riêng. Trong đó, những nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám quang học trong điều tra, giám sát, đánh giá hiện trạng rừng được dụng rộng rãi. Tuy nhiên, do đặc điểm của hệ thống chụp ảnh quang học và cận hồng ngoại phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời nên ảnh quang học chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết, trên ảnh thường có nhiều mây, mù làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thông tin trên ảnh. Đây là một trong những hạn chế cơ bản của ảnh quang học, nhất là đối với những nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa như Việt Nam.

Một hạn chế cơ bản khác của ảnh vệ tinh quang học là chỉ cung cấp các thông tin về đặc tính phản xạ và hấp thụ của các đối tượng trên bề mặt trong vùng sóng nhìn thấy do đó trên ảnh thường thiếu các thông tin về cấu trúc và độ gồ ghề của bề mặt nghiên cứu Khác với ảnh quang học, do được chụp ở vùng sóng micro có bước sóng dài hơn (cỡ cm), do đó ảnh vệ tinh Radar cho phép cung cấp các thông tin về độ gồ ghề, kết cấu vật chất và đặc điểm cấu trúc của của các đối tượng trên bề mặt đất. Hơn nữa, các sóng radar có khả năng đâm xuyên qua mây nên việc chụp ảnh radar không phụ thuộc vào thời tiết, có thể chụp cả ban ngày lẫn ban đêm nên có tính chủ động và khả năng thành công rất cao trong việc thu chụp ảnh. Mặc dù vậy, ảnh Radar cũng có những nhược điểm rất cơ bản như nhiều biến dạng về hình học bao gồm co ngắn phía trước, chồng đè, bóng, mức độ nhiễu lớn và hình ảnh các đối tượng trên ảnh Radar nhiều khi không hoàn toàn giống với nhận thức thông thường của con người. Vì vậy việc xử lý hình học, xử lý nhiễu và khai thác các thông tin trên ảnh Radar khó khăn hơn rất nhiều so với ảnh quang học truyền thống dẫn đến hạn chế việc ứng dụng ảnh Radar nhất là ở Việt Nam.

Để tận dụng được các ưu thế của hai loại tư liệu, đồng thời hạn chế các yếu điểm của hai tư liệu viễn thám mở để giải quyết vấn đề giám sát rừng ngập mặn ven biển ở khu vực phía Bắc vốn có nhiều đặc trưng, nghiên cứu sinh thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng tư liệu viễn thám quang học và radar trong giám sát rừng ngập mặn ven biển ở một số tỉnh phía bắc Việt Nam’’. Đề tài được thực hiện nhằm 2 giải quyết các câu hỏi sau: 1). Đặc điểm của rừng ngập mặn ven biển ở khu vực phía Bắc trên các tư liệu viễn thám trung bình có gì khác biệt so với các trạng thái lớp phủ khác? 2). Các chỉ số thực vật đã được sử dụng để phân loại rừng ngập mặn trên thế giới có phù hợp cho việc giám sát rừng ngập mặn ở phía Bắc không? 3).

Làm thế nào để giám sát rừng ngập mặn khu vực phía Bắc bằng cách kết hợp được cả dữ liệu viễn thám quang học và radar cho khu vực Phía Bắc? 4). Có thể kết hợp được các công nghệ hiện đại để giám sát rừng ngập mặn cho các tỉnh ven biển phía Bắc hoàn toàn tự động, nhanh chóng, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả không? 2. Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu được đặc điểm quang phổ của rừng ngập mặn ở các tỉnh ven biển phía Bắc trên các tư liệu viễn thám; - Lực chọn được tư liệu viễn thám và phương pháp phân loại phù hợp phù hợp đề phân loại rừng ngập mặn các tỉnh ven biển khu vực phía Bắc; - Xác định được ngưỡng phân loại rừng ngập mặn một số tỉnh ven biển phía Bắc - Đánh giá được biến động về diện tích rừng ngập mặn giai đoạn 2016-2020 ở một số tỉnh ven biển phía Bắc - Xây dựng được hướng dẫn kỹ thuật phân loại rừng ngập mặn cho khu vực ven biển 3. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là toàn bộ rừng ngập mặn ven biển ở khu vực phía Bắc thuộc các tỉnh Quảng Ninh, Thái Bình và TP Hải Phòng, sử dụng các tư liệu viễn thám miễn phí có độ phân giải trung bình gồm tư liệu ảnh Radar Sentinel- 1, tư liệu ảnh quang học Sentinel-2 và ảnh Landsat-8.

Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi cấp 1: Nghiên cứ điểm để xây dựng ngưỡng phân loại rừng ngập mặn tại các vùng đại diện gồm các huyện Tiên Yên và TX Quảng Yên, hai xã Bàng La (quận Đồ Sơn), Đại Hợp (huyện Kiến Thuỵ) thuộc Thành phố Hải Phòng Phạm vi cấp 2: Phân loại và đánh giá biến động tại 3 tỉnh thành gồm: tỉnh Quảng Ninh, TP Hải Phòng và tỉnh Thái Bình Thời gian thu thập số liệu trên các ô tiêu chuẩn được tiến hành vào năm 2019, thời gian thu thập điểm mẫu cuối năm 2020 và nghiên cứu toàn bộ các cảnh ảnh của năm 2016 và 2020 5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn: (1) Kết hợp hai tư liệu viễn thám quang học Sentinel-2 và Radar Sentinel- với số lượng lớn các cảnh ảnh giúp hạn chế tối đa ảnh hưởng của thuỷ triều đến kết quả phân loại rừng ngập mặn và ứng dụng được công nghệ tiên tiến cho phép giám sát 3 được rừng ngập mặn thời ở điểm hiện tại hoặc trong quá khứ với kết quả nhanh chóng và đảm bảo độ chính xác cho phép, giúp tối đa giảm chi phí điều tra thực địa rừng ngập mặn. (2) Xây dựng được bộ ngưỡng phân loại rừng ngập mặn cho các tỉnh phía Bắc từ chỉ số rừng ngập mặn kết hợp CMRI cho ảnh Sentinel-2 và giá trị tán xạ ngược VH cho ảnh Sentinel-1 đối với một số tỉnh ven biển phía Bắc và phân loại, giám sát biến động diện tích rừng ngập mặn các tỉnh Quảng Ninh, TP Hải Phòng và Thái Bình giai đoạn 2016 – 2020 một cách nhanh chóng, đảm bảo độ chính xác và hoàn toàn tự động trên nền tảng Google Earth Engine. (3) Xây dựng được Hướng dẫn kỹ thuật kết hợp hai ảnh Sentinel-1 và Sentinel- 2 trên nền tảng Google Earth Engine cho phép phân loại tự động và giám sát biến động rừng ngập mặn cho các tỉnh phía bắc.

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan nghiên cứu về Rừng ngập mặn trên thế giới và ở Việt Nam 1.