BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGÔ VĂN TÚ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH SPOT-5
TRONG PHÂN LOẠI CÁC TRẠNG THÁI RỪNG
TỈNH BẮC KẠN

Chuyên ngành: Điều tra và Quy hoạch rừng
Mã số: 62.62.02.08

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP

HÀ NỘI, 2015


Luận án đƣợc hoàn thành tại:
Trƣờng Đại học Lâm nghiệp
Xuân Mai, Chƣơng Mỹ, Hà Nội

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TSKH. Nguyễn Duy Chuyên

Phản biện 1: ………………………………………………
Phản biện 2: ………………………………………………
Phản biện 3: ………………………………………………


Trong đó, hai nghiên cứu đầu sử dụng phương pháp phân loại
ảnh truyền thống theo điểm ảnh (pixel based). Nhiều nghiên cứu cho


2

thấy phương pháp phân loại điểm ảnh đối với ảnh phân giải cao đưa
ra độ chính xác thấp hơn phương pháp hướng đối tượng (object
based). Nghiên cứu thứ ba có ưu điểm đã sử dụng phương pháp phân
loại hướng đối tượng và thực hiện trên những vùng sinh thái khác
nhau nhưng bị hạn chế vì phân loại trên ảnh đã tổ hợp màu tự nhiên
(chỉ có 3 kênh được trộn từ 4 kênh ảnh đa phổ) do không có dữ liệu
ảnh đa phổ SPOT-5. Trước thực trạng nêu trên, luận án “Nghiên cứu
sử dụng ảnh vệ tinh SPOT-5 trong phân loại các trạng thái rừng
tỉnh Bắc Kạn” được tiến hành với mục tiêu cơ bản là: góp phần
hoàn thiện cơ sở lý luận, thực tiễn xây dựng bản đồ hiện trạng rừng,
đất lâm nghiệp dựa trên ảnh vệ tinh phân giải cao trong điều kiện địa
hình đồi núi và khí hậu nhiệt đới ẩm vùng miền núi phía bắc Việt
Nam.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Phương pháp phân loại hướng đối tượng (object-based) đã
được Luận án nghiên cứu đối với ảnh vệ tinh độ phân giải không
gian cao. Ngoài giá trị xám độ ảnh thuần túy mà phương pháp điểm
ảnh (pixel-based) sử dụng, nhiều chỉ tiêu thống kê về cấu trúc không
gian giá trị xám độ ảnh trong lô rừng và đất rừng được nghiên cứu
nhằm nâng cao khả năng phân loại các trạng thái như độ lệch chuẩn,
mức độ đồng nhất (Homogeneity), mức độ khác biệt (Dissimilarity),
mức độ ngẫu nhiên (Entropy) phân bố giá trị xám độ ảnh.



- Phân loại được các trạng thái rừng và đất rừng tỉnh Bắc Kạn
dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5.
- Xây dựng được quy trình giải đoán ảnh vệ tinh SPOT-5 thiết
lập bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp.
4. Những đóng góp mới
Hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5 theo
phương pháp thống kê bán thực nghiệm hệ số c cho kết quả phù hợp
hơn thống kê thực nghiệm trong điều kiện tỉnh Bắc Kạn.
Trong trường hợp quan hệ giữa xám độ ảnh vệ tinh SPOT-5
và trữ lượng gỗ yếu hoặc không có tương quan, bản đồ trữ lượng gỗ
cho từng điểm ảnh xây dựng theo phương pháp nhóm điểm quan sát
gần giá trị xám độ nhất (k-nn) có độ chính xác không cao.
Theo phương pháp phân loại ảnh vệ tinh SPOT-5 hướng đối
tượng, ngoài giá trị xám độ, chỉ số cấu trúc không gian xám độ cho
đối tượng như Homogeneity, Dissimilarity và Entropy đóng góp
quan trọng để phân loại trạng thái rừng và đất lâm nghiệp.
Xây dựng được 60.827 tổ hợp xám độ và chỉ số cấu trúc
không gian xám độ ảnh SPOT-5 làm khóa để giải đoán ảnh vệ tinh
xây dựng bản đồ hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp.


5

5. Đối tƣợng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu: các nội dung nghiên cứu được thực hiện
trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn. Đối tượng nghiên cứu là tất cả các trạng
thái rừng và đất lâm nghiệp.
Giới hạn nghiên cứu: nghiên cứu thực hiện trên 278.941 ha
rừng và đất lâm nghiệp trong vùng ảnh vệ tinh không bị ảnh hưởng
mây, bóng mây, bóng núi, trên tổng diện tích tự nhiên 485.944 ha


7

Chƣơng 2
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
Nhằm đạt được mục tiêu đề ra, luận án thực hiện bốn nội
dung nghiên cứu cơ bản sau đây:
2.1.1. Hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5
- Hiệu chỉnh xám độ do ảnh hưởng của địa hình theo phương
pháp thống kê thực nghiệm.
- Hiệu chỉnh xám độ do ảnh hưởng của địa hình theo phương
pháp bán thực nghiệm - hệ số c.
- Đánh giá kết quả hiệu chỉnh xám độ từ hai phương pháp.
2.1.2. Ước lượng trữ lượng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5
Nội dung nghiên cứu nhằm tạo ra bản đồ trữ lượng gỗ làm
thông tin đầu vào cho nội dung tiếp theo trong quá trình phân loại
trạng thái rừng.
- Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình trên ảnh vệ tinh cho tất
cả các cảnh ảnh.
- Ghép các ảnh trong vùng nghiên cứu.
- Xử lý số liệu các ô tiêu chuẩn.
- Xây dựng bản đồ trữ lượng gỗ cho vùng nghiên cứu theo
những phương án khác nhau.
- Đánh giá độ chính xác và quyết định chọn bản đồ trữ lượng
gỗ thành quả.


8


nhau là thống kê thực nghiệm và bán thực nghiệm để đánh giá và rút
ra phương pháp hiệu chỉnh phù hợp cho vùng nghiên cứu nói riêng
và điều kiện địa hình phức tạp của Việt Nam nói chung.
Phương pháp hiệu chỉnh phù hợp rút ra từ nội dung thứ nhất
được áp dụng hiệu chỉnh trên các cảnh ảnh vùng nghiên cứu để làm
dữ liệu đầu vào xây dựng bản đồ trữ lượng gỗ trong nội dung thứ hai.
Các cảnh ảnh ghép lại thành một cảnh thống nhất kết hợp với giá trị
trữ lượng gỗ tại các ô tiêu chuẩn để xây dựng bản đồ trữ lượng gỗ
cho từng điểm ảnh trên toàn vùng nghiên cứu.
Bước thứ ba sử dụng dữ liệu từ bước thứ hai gồm ảnh vệ tinh
đã ghép, bản đồ trữ lượng gỗ và bản đồ kết quả kiểm kê rừng tỉnh
Bắc Kạn để phân tích khoảng giá trị xám độ ảnh cho từng trạng thái
rừng và đất lâm nghiệp. Kết quả phân tích đánh giá mức độ tách biệt
về xám độ ảnh đối với các trạng thái. Nếu hai trạng thái có khoảng
giá trị xám độ khác nhau có nghĩa là ảnh vệ tinh nhận biết hai đối
tượng tốt và ngược lại.
Quá trình xử lý từ bước thứ nhất, thứ hai và thứ ba được tổng
hợp để xây dựng quy trình xử lý ảnh, giải đoán bản đồ hiện trạng
rừng của nội dung nghiên cứu thứ tư.


10

Chƣơng 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Hiệu chỉnh ảnh hƣởng địa hình trên ảnh vệ tinh SPOT-5
Đánh giá kết quả hiệu chỉnh thông qua mối quan hệ giữa xám
độ ảnh và hướng dốc
Mối quan hệ giữa giá trị xám độ của bốn kênh ảnh đa phổ với
hướng dốc đều cao hơn nhiều so với ảnh đã được hiệu chỉnh theo cả


3.2. Ƣớc lƣợng trữ lƣợng gỗ dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5
Nghiên cứu đã xây dựng được 16 bản đồ trữ lượng gỗ cho
từng điểm ảnh trên vùng nghiên cứu theo những phương án khác
nhau về cách tính giá trị xám độ trung bình trên ô vuông 900m2,
2.500m2, số điểm k là 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25 và 29. Các bản đồ đều
được xây dựng dựa vào bộ số liệu 584 ô tiêu chuẩn gồm: 315 ô rừng
gỗ tự nhiên (272 ô núi đất, 43 ô núi đá), 198 ô rừng gỗ trồng và 71 ô
đất trống.
Các bản đồ trữ lượng được đánh giá độ chính xác thông qua
hệ thống 65 ô tiêu chuẩn/điểm kiểm chứng độc lập gồm: 32 ô rừng
gỗ tự nhiên (28 ô núi đất, 4 ô núi đá), 23 ô rừng trồng gỗ và 10 ô đất
trống.
Bảng 3.1: Sai trung phƣơng bản đồ trữ lƣợng gỗ theo các
phƣơng án
Đơn vị tính: ±m3/ha
TT

Loại ảnh

k=1 k=5 k=9 k=13 k=17 k=21 k=25 k=29

1 Ảnh chưa hiệu chỉnh, xám độ 9 điểm 100,4 59,2 54,8 53,6 51,7 50,7 50,4 50,1
2 Ảnh chưa hiệu chỉnh, xám độ 25 điểm 98,8 64,3 55,0 53,2 51,3 50,7 50,5 51,3
3 Ảnh hiệu chỉnh, xám độ 9 điểm

93,5 57,6 53,1 49,4 46,8 46,0 46,1 46,2

4 Ảnh hiệu chỉnh, xám độ 25 điểm



14

Hình 3.3: Trữ lƣợng gỗ cho từng điểm 10m * 10m


15

3.3. Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh SPOT-5
Diện tích tự nhiên tỉnh Bắc Kạn là 485.944 ha tương ứng với
182.397 lô trong bản đồ kết quả kiểm kê rừng. Trong đó có 207.033 ha
(119.253 lô) không tham gia vào nghiên cứu phân tách trạng thái rừng
gồm 11.939 ha bị mây và bóng mây phủ trên ảnh vệ tinh, 94.226 ha
các lô bị ảnh hưởng bởi bóng núi và 100.847 ha diện tích đất khác, đất
không xác định trạng thái rừng và đất lâm nghiệp. Diện tích tham gia
nghiên cứu là 278.941 ha (63.126 lô) với 14 trạng thái rừng và 3 trạng
thái không phải rừng (đất trống cây gỗ, đất trống, mặt nước).

Hình 3.4: Vai trò đặc trƣng ảnh
Trong số bốn nhóm đặc trưng ảnh, chỉ tiêu Homogeneity có
ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng nhận biết đối tượng. Thiếu chỉ tiêu


16

này, khả năng nhận biết đối tượng giảm từ 94% xuống còn 77%. Chỉ
tiêu này đã đóng góp 17% vào khả năng nhận biết. Thiếu chỉ tiêu này
ảnh hưởng lớn đến khả năng nhận biết trạng thái rừng giàu, trung
bình, nghèo, nghèo kiệt, phục hồi, hỗn giao.
Phương pháp chọn 20 đặc trưng ảnh và các đặc trưng được

Rừng gỗ TN LRTX
4 nghèo kiệt
Rừng gỗ TN LRTX
5 phục hồi
6 Rừng TN hỗn giao
7 Rừng TN tre nứa

20 đặc trƣng, 4
tổ, trữ lƣợng Bản đồ
Diện Phần KKR
tích
trăm
5.563
88% 6.354

11.235

87% 12.330

96% 12.843

18.081

91% 18.081

91% 19.964

95%

95%


23.808

97% 23.808

97% 24.617

9 Đất trống có cây gỗ

11.890

97% 11.890

97% 12.232

10 Đất trống

24.880

97% 24.880

97% 25.711

98%

98%

11 Nước
Tổng cộng


9
10
11
12
13
14
15
16
17

Tên đối tƣợng
Rừng gỗ tự nhiên lá rộng thường xanh
giàu
Rừng gỗ tự nhiên lá rộng thường xanh
trung bình
Rừng gỗ tự nhiên lá rộng thường xanh
nghèo
Rừng gỗ tự nhiên lá rộng thường xanh
nghèo kiệt
Rừng gỗ tự nhiên lá rộng thường xanh
phục hồi
Rừng tự nhiên hỗn giao
Hỗn giao gỗ tre nứa
Hỗn giao tre nứa gỗ
Hỗn giao gỗ cọ
Rừng tự nhiên tre nứa
Rừng trồng
Rừng trồng thuần loài Mỡ
Rừng trồng thuần loài Keo
Rừng trồng thuần loài Hồi

11.713

95%

9.574
6.791
2.268
495
1.384
14.362
1.959
7.201
1.165
689
3.348
5.436
12.265
1.054
60.827

94%
93%
93%
99%
99%
97%
98%
96%
91%
98%

Bước 2: Loại vùng bị mây, bóng mây, khuất núi và bóng núi
Bước 3: Hiệu chỉnh xám độ do địa hình bằng phương pháp bán thực
nghiệm hệ số-c
Bước 4: Ghép ảnh vùng nghiên cứu
Bước 5: Chuẩn hóa xám độ theo ảnh SPOT-5 tỉnh Bắc Kạn
Bước 6: Phân vùng ảnh và tính đặc trưng ảnh
Bước 7: Gán trạng thái rừng, đất cho các lô
Bước 8: Đánh giá độ chính xác kết quả giải đoán
Bước 9: Chồng xếp bản đồ giải đoán với các lớp thông tin khác


22

KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu, Luận án rút ra các kết luận sau:
(1) Hiệu chỉnh xám độ ảnh vệ tinh SPOT-5 do ảnh hưởng của
địa hình theo phương pháp bán thực nghiệm hệ số-c phù hợp hơn
phương pháp thống kê thực nghiệm trong điều kiện địa hình đồi núi
là chủ yếu của tỉnh Bắc Kạn.
(2) Bản đồ trữ lượng gỗ tỉnh Bắc Kạn xây dựng từ ảnh vệ tinh
SPOT-5 theo phương pháp nhóm điểm quan sát có giá trị xám độ gần
nhất (k-nn) cho độ chính xác chưa cao. Sai số trung phương tốt nhất
đạt ±43,2 m3/ha với phương án 25 điểm quan sát và giá trị xám độ
tính từ ô vuông 25 điểm ảnh. Mặc dù vậy, thông tin từ bản đồ trữ
lượng đã đóng góp nâng khả năng phân loại trạng thái rừng gỗ tự
nhiên lá rộng thường xanh trung bình từ 87% lên 96%.
(3) Tại tỉnh Bắc Kạn, nghiên cứu đã phân loại được được 8
trạng thái rừng chính và 3 đối tượng khác dựa trên ảnh vệ tinh SPOT5 gồm: rừng gỗ tự nhiên lá rộng thường xanh giàu, trung bình, nghèo,
nghèo kiệt, phục hồi, rừng tự nhiên hỗn giao, rừng tự nhiên tre nứa,