BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN LOẠI RỪNG BẰNG ẢNH
VIỄN THÁM Ở KHU RỪNG THỰC NGHIỆM NÚI LUỐT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

HÀ NỘI, 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN LOẠI RỪNG BẰNG ẢNH
VIỄN THÁM Ở KHU RỪNG THỰC NGHIỆM NÚI LUỐT

Chuyên ngành: Lâm học
Mã số: 60620201

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. VƢƠNG VĂN QUỲNH

HÀ NỘI, 2016


DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................... v
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................... 3
1.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp viễn thám............................................................ 3
1.1.1. Cơ sở vật lý ............................................................................................................ 3
1.1.2. Tƣơng tác giữa các đối tƣợng và đặc trƣng phản xạ phổ của một số đối tƣợng tự
nhiên ................................................................................................................................ 4
1.1.3. Ảnh số viễn thám ................................................................................................... 9
1.1.4. Một số phần mềm thông dụng đƣợc sử dụng trong viễn thám ............................ 13
1.2. Khai thác ảnh vệ tinh và công nghệ xử lý ảnh ....................................................... 18
1.2.1. Trên thế giới ........................................................................................................ 18
1.2.2. Ở Việt Nam.......................................................................................................... 23
Chƣơng 2 MỤC TIÊU - ĐỐI TƢỢNG - NỘI DUNG .................................................. 30
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................. 30
2.1. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 30
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 30
2.3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 30
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 31
2.4.1. Phƣơng pháp luận ................................................................................................ 31
2.4.2. Phƣơng pháp thu thập và xử lý thông tin trong nghiên cứu ................................ 32
Chƣơng 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... 39
3.1. Rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp ................................................... 39


iii

3.2. Lựa chọn tƣ liệu ảnh hiện có ở khu vực nghiên cứu để phân loại trạng thái rừng
cho khu vực Núi Luốt .................................................................................................... 46
3.2.1. Đặc điểm những tƣ liệu ảnh dễ tiếp cận có thể sử dụng để phân loại rừng ở khu

11

1.2

Đặc điểm và khả năng ứng dụng của mỗi loại ảnh vệ tinh

21

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5
3.6
3.7

3.8
3.9

Tọa độ và đặc điểm rừng của các điểm điều tra ở khu thực
nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp
Giá trị trung bình các kênh phổ tại các điểm điều tra trên 3 tƣ
liệu ảnh vệ tinh
Hệ số biến động trung bình các kênh phổ giữa các pixel ở mỗi
điểm điều tra (Kcti)
Giá trị các tiêu chí đánh giá của ba tƣ liệu ảnh vệ tinh dễ tiếp


Tên hình

Trang

1.1

Bức xạ sóng điện từ

3

1.2

Sự phân bố các dải sóng trong quang phổ điện từ

3

1.3

Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tƣợng tự nhiên chính

6

1.4

Cấu trúc của ảnh số

10

1.5

Rừng trồng thông hỗn giao cây bản địa ở khu rừng thực
nghiệm Trƣờng Đại học Lâm nghiệp (điểm 14)
Trữ lƣợng rừng tại các điểm điều tra ở khu thực nghiệm
Trƣờng Đại học Lâm nghiệp
Ảnh Landsat8 khu rừng thực nghiệm Trƣờng Đại học Lâm
nghiệp

37
38
39
43
44
44
45
45
46
47


vi

3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17

61
62
62
63
64
65
66
67
68
69

3.21

Khoanh vi các lô rừng theo đặc điểm giá trị các kênh phổ

71

3.22

Phân bố các điểm kiểm tra trạng thái rừng ngoài thực địa

72

3.23

Phân bố số điểm kiểm tra và các khoanh vi trạng thái rừng đƣợc
xác định bằng khóa phân loại rừng

72


đánh giá biến động tài nguyên rừng qua các thời kỳ mà hiện nay ở nƣớc ta thực
hiện theo chu kỳ 5 năm. Bản đồ tài nguyên rừng cũng là cơ sở để các nhà quản
lý thực hiện giao đất giao rừng cho các hộ gia đình, …


2

Ở nƣớc ta, các chƣơng trình theo dõi diễn biến tài nguyên rừng đã đƣợc
tiến hành từ những năm 1976 với chƣơng trình đánh giá diễn biến tài nguyên
rừng toàn quốc giai đoạn 1976 - 1990 - 1995, chƣơng trình điều tra, đánh giá và
theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc 5 năm các giai đoạn 1996 - 2000
và 2000 - 2005 và hiện nay đang thực hiện chƣơng trình điều tra, đánh giá và
theo dõi diễn biến tài nguyên rừng toàn quốc giai đoạn 2006 - 2010. Những năm
trƣớc đây để điều tra theo dõi diễn biến tài nguyên rừng chủ yếu vẫn dựa trên
việc đo vẽ, thành lập bản đồ hiện trạng rừng bằng phƣơng pháp thủ công vì vậy
công việc này đòi hỏi tốn rất nhiều thời gian, công sức, tiền bạc, độ chính xác
không cao và thông tin thƣờng không đƣợc cập nhật vì tình hình rừng và đất
rừng luôn biến động. Trong những năm gần đây, khi khoa học công nghệ viễn
thám phát triển mạnh thì việc áp dụng công nghệ viễn thám vào lâm nghiệp là
rất cần thiết vì kỹ thuật viễn thám với khả năng quan sát các đối tƣợng ở các độ
phân giải phổ và không gian khác nhau, từ trung bình đến siêu cao và chu kỳ
chụp lặp từ một tháng đến một ngày cho phép ta quan sát và xác định nhanh
chóng hiện trạng lớp phủ rừng, từ đó có thể dễ dàng xác định đƣợc biến động
rừng và đặc biệt là xu hƣớng của biến động, hơn nữa kỹ thuật viễn thám dễ dàng
tích hợp với các phần mềm GIS để quản lý và cập nhật thƣờng xuyên, giúp cho
việc quản lý đƣợc dễ dàng, thuận lợi với độ tin cậy cao. Tuy nhiên, các nghiên cứu
về ứng dụng công nghệ viễn thám trong lâm nghiệp còn rất thiếu đặc biệt là
công nghệ xử lý ảnh số viễn thám tự động và bán tự động, các ảnh vệ tinh đƣợc
sử dụng vẫn là các ảnh độ phân giải thấp dẫn đến các kết quả thành lập bản đồ
tài nguyên rừng và đánh giá biến động rừng cho độ chính xác không cao.



4

Quang phổ điện từ có các dải sóng chính nhƣ sau:
- Các tia vũ trụ: là các tia từ vũ trụ có bƣớc sóng vô cùng ngắn với λ 30cm.
Còn tính chất hạt đƣợc mô tả theo tính chất của photon hay quang
lƣợng tử đƣợc thể hiện bằng biểu thức sau:
E  hv

(1.2) Trong đó: (h là hằng số plank)


Đặc điểm phản xạ phổ của các đối tƣợng trên bề mặt Trái đất là thông số
quan trọng nhất trong viễn thám. Độ phản xạ phổ đƣợc đo theo công thức:
 

ER( )
 100 (1.5) Trong đó:  là độ phản xạ phổ (tính bằng %).
EI ( )

Nhƣ vậy, phổ phản xạ là tỷ lệ phần trăm của năng lƣợng rơi xuống đối
tƣợng và đƣợc phản xạ trở lại. Với cùng một đối tƣợng độ phản xạ phổ khác
nhau ở các bƣớc sóng khác nhau.


Phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính

Đồ thị phổ phản xạ đƣợc xây dựng với chức năng là một hàm số của giá
trị phổ phản xạ và bƣớc sóng, đƣợc gọi là đƣờng cong phổ phản xạ. Hình dáng
của đƣờng cong phổ phản xạ cho biết một cách tƣơng đối rõ ràng tính chất phổ


6

của một đối tƣợng và hình dạng đƣờng cong phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa
chọn các dải sóng mà ở đó thiết bị viễn thám có thể ghi nhận đƣợc các tín hiệu
phổ.

Hình 1.3 : Đặc điểm phổ phản xạ của nhóm các đối tƣợng tự nhiên chính
Phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau
do sự tƣơng tác giữa bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có
thể xác định hoặc phân tích đƣợc đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lƣờng

Bức xạ ở vùng sóng hồng ngoại cũng bị phản xạ mạnh khi gặp diệp lục trong lá
cây (EIR). Nhƣ vậy, năng lƣợng phản xạ từ thực vật là:
ER = E1 + EG + EIR

(1.6)

Trong đó thành phần năng lƣợng (EG + EIR) chứa đựng các thông tin quan
trọng về bản chất và trạng thái của thực vật.
Sắc tố Chlorophyll - là một tổng thể các thành phần hữu cơ có chứa sắt, là
một chất xúc tác đối với quá trình quang hợp ánh sáng của thực vật. Chức năng
của Chlorophyll là hấp thụ bức xạ mặt trời và cung cấp nó cho quá trình quang
hợp. Năng lƣợng bị hấp thụ trong khoảng từ 0,45 - 0,67m tức là phần xanh lơ
và đỏ của phổ nhìn thấy, trong vùng ánh sáng này, vùng sóng ánh sáng có phản
xạ mạnh nhất là vùng sóng ánh sáng lục (0,55m), chính vì vậy mà lá cây tƣơi
có màu xanh lục [25]. Ở vùng hồng ngoại gần (từ 0,7 - 1,3 m) thực vật có khả
năng phản xạ rất mạnh, khi sang vùng hồng ngoại nhiệt và vi sóng (Microwave)
một số điểm cực trị ở vùng sóng dài làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của hơi


8

nƣớc trong lá, khả năng phản xạ của chúng giảm đi rõ rệt và ngƣợc lại, khả năng
hấp thụ ánh sáng lại tăng lên. Đặc biệt đối với rừng có nhiều tầng lá, khả năng
đó càng tăng lên (ví dụ rừng rậm nhiệt đới).
Đặc trƣng phản xạ phổ của thực vật đƣợc xác định bởi các yếu tố bên
trong và bên ngoài của lá cây, thời kỳ sinh trƣởng và tác động của ngoại cảnh
nhƣ: hàm lƣợng sắc tố diệp lục, thành phần và cấu tạo mô bì, biểu bì, hình thái
lá, …tuổi cây, giai đoạn sinh trƣởng phát triển, …, điều kiện sinh trƣởng, vị trí
địa lý, điều kiện chiếu sáng,…Vì vậy, khả năng phản xạ phổ của mỗi loài thực
vật, mỗi trạng thái của lớp phủ thực vật là khác nhau. Tuy nhiên, chúng vẫn có

lớp phủ thổ nhƣỡng, một phần trong đó đƣợc hấp thụ để làm tăng nhiệt độ đất,
một phần sau khi tán xạ gặp các hạt nhỏ và bị phản xạ trở lại. Đƣờng cong phổ
phản xạ của đất khô tƣơng đối đơn giản tăng dần từ vùng tử ngoại đến vùng
hồng ngoại, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng, lý do chính là các
yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất phổ của đất khá phức tạp và không rõ ràng nhƣ ở
thực vật. Các yếu tố ảnh hƣởng đến đƣờng cong phổ phản xạ của đất là: lƣợng
ẩm, cấu trúc của đất (tỉ lệ cát, bột và sét), độ nhám bề mặt, sự có mặt của các
loại oxit kim loại, hàm lƣợng vật chất hữu cơ, ... các yếu tố đó làm cho đƣờng
cong phổ phản xạ biến động rất nhiều quanh đƣờng cong có giá trị trung bình.
Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ phản xạ của đất tăng dần về phía sóng
có bƣớc sóng dài.
Trong thực tế, thực vật sống ở các nền đất khác nhau sẽ có đặc trƣng phản
xạ phổ khác nhau. Tuy nhiên, trong nền đất cũng nhƣ thực vật đều có chứa một
lƣợng nƣớc nhất định, vì vậy khi xác định các đối tƣợng dựa vào các đặc trƣng
phản xạ phổ phải dựa trên kiến thức tổng hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và kinh
nghiệm thực tiễn thì mới có kết luận chính xác về đối tƣợng.
1.1.3. Ảnh số viễn thám
Ảnh số là một dạng dữ liệu ảnh không lƣu trên giấy ảnh hoặc phim mà
đƣợc lƣu dƣới dạng số trên máy tính, ảnh số đƣợc chia thành nhiều phần tử nhỏ


10

đƣợc gọi là pixel (phần tử ảnh), ảnh số là một ma trận không gian của tập hợp
các pixel, mỗi một pixel tƣơng ứng với một đơn vị không gian và có giá trị
nguyên hữu hạn ứng với từng cấp độ sáng, các pixel thƣờng có dạng hình
vuông, vị trí của mỗi pixel đƣợc xác định theo toạ độ hàng và cột trên ảnh tính
từ góc trên cùng bên trái.

Hình 1.4: Cấu trúc của ảnh số

đƣợc cung cấp theo từng loại ảnh vệ tinh khác nhau không chỉ phụ thuộc vào số
bit dùng để ghi nhận, mà còn phụ thuộc vào phạm vi bƣớc sóng.
Độ phân giải phổ thể hiện bởi kích thƣớc và số kênh phổ, bề rộng phổ
hoặc sự phân chia vùng phổ mà ảnh vệ tinh có thể phân biệt một số lƣợng lớn
các bƣớc sóng có kích thƣớc tƣơng tự, cũng nhƣ tách biệt đƣợc các bức xạ từ
nhiều vùng phổ khác nhau.
Độ phân giải bức xạ thể hiện độ nhạy tuyến tính của bộ cảm biến trong khả
năng phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của cƣờng độ phản xạ sóng từ các vật thể.
Để lƣu trữ, xử lý và hiển thị ảnh vệ tinh trong máy tính kiểu raster, tuỳ
thuộc vào số bit dùng để ghi nhận thông tin, mỗi pixel sẽ có giá trị hữu hạn ứng
với từng cấp độ xám (giá trị độ sáng của pixel; BV - Brightness Value).
Bảng 1.1: Cấp độ phân giải bức xạ ảnh vệ tinh
Số bít

Luỹ thừa của 2

Giá trị số

Phạm vi

6

26

64

0 ÷ 63

8


khác nhau cho phép so sánh đặc trƣng bề mặt theo thời gian.
Ƣu thế của độ phân giải không gian là cho phép cung cấp thông tin chính
xác hơn và nhận biết sự biến động của khu vực cần nghiên cứu.
Hầu hết các vệ tinh đều bay qua cùng một điểm vào khoảng thời gian cố
định (mất từ vài ngày đến vài tuần) phụ thuộc vào quỹ đạo và độ phân giải
không gian.
Dữ liệu ảnh số đƣợc lƣu trữ trên băng từ tƣơng thích cho máy tính hoặc
trên CD - ROM dƣới khuôn dạng của các tệp ảnh số mà máy tính có thể đọc
đƣợc. Thông thƣờng, ảnh số đƣợc lƣu trữ theo các khuôn dạng sau đây:
- Theo BIL (band interleaved by lines)
Từng hàng đƣợc ghi theo thứ tự của số kênh, mỗi hàng đƣợc ghi tuần tự
theo giá trị của các kênh phổ và sau đó lặp lại theo thứ tự của từng hàng, nhƣ
vậy sẽ tạo ra các file dữ liệu ảnh chung cho các kênh phổ.
- Theo kiểu BSQ (band sequential)
Là khuôn dạng trong đó các kênh phổ đƣợc lƣu tuần tự hết kênh này sang
kênh khác. Nghĩa là mỗi ảnh ứng với một kênh.
- Theo kiểu BIP (band inteleaved by pixel)
Mỗi pixel đƣợc lƣu tuần tự theo các kênh, nghĩa là các kênh phổ đƣợc ghi
theo hàng và cột của từng pixel. Sau khi kết thúc tổ hợp phổ của pixel này lại
chuyển sang tổ hợp phổ của pixel khác.


13

Hình 1.5: Các khuôn dạng dữ liệu của ảnh số
1.1.4. Một số phần mềm thông dụng được sử dụng trong viễn thám
Ứng dụng công nghệ không gian địa trong phát hiện cháy rừng và giám
sát tài nguyên rừng là hƣớng đi đúng đắn của ngành lâm nghiệp. Để xây dựng
một bản đồ hiện trạng rừng từ ảnh Viễn thám có rất nhiều các công đoạn, kỹ
thuật xử lý kèm theo đó là các phần mềm chuyên dụng đối với từng bƣớc công

System (Hệ thống thông tin địa lý) đi kèm với khả năng xử lý ảnh đặc biệt là ảnh
vệ tinh. Đây là phần mềm đƣợc phát hiện bởi Internation Institute for Aerospace
Surey and Earth Science (ITC) ở Hà Lan, phục vụ cho công tác nghiên cứu, xây
dựng và phát triển hệ thống tích hợp các dữ liệu không gian. ILWIS cho phép
chúng ta thu nhận, quản lý, phân tích và hiển thị các dữ liệu địa lý để từ đó có
thể rút ra các thông tin hữu ích phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ:
quản lý tài nguyên thiên nhiên, theo dõi biến động về không gian…
 ERDAS bao gồm các thiết bị phần cứng, phần mềm trong lĩnh vực ảnh
địa không gian nhƣ đo đạc, xử lý, xây dựng và hiển thị mô hình 3 chiều, lƣu trữ
và chia sẻ dữ liệu…Hiện ERDAS bổ sung thêm rất nhiều sản phẩm với nhiều
tính năng mới tăng cƣờng khả năng xử lý, lƣu trữ, hiển thị và phân tích dữ liệu
địa không gian.
ERDAS Imagine: bộ phần mềm chuyên dụng cho xử lý ảnh địa không
gian, cho phép bạn khai thác và chiết tách thông tin dễ dàng từ tƣ liệu ảnh nhƣ
một chuyên gia thực thụ, không đòi hỏi bạn phải có kinh nghiệm hay trình độ
chuyên môn sâu. Với những công cụ xử lý ảnh mạnh và dễ sử dụng, ERDAS
IMAGINE sẽ giúp đơn giản hoá công việc vừa đạt đƣợc hiệu quả sử dụng cao.


15

 ENVI là một trong những phần mềm hàng đầu trong việc xử lý, thu nhận
thông tin từ dữ liệu ảnh một cách nhanh chóng, dễ dàng và chính xác. Cùng với
sự gia tăng về độ chính xác của dữ liệu ảnh thì vai trò của quá trình thu nhận và
xử lý ảnh cũng tăng lên. Các phần mềm xử lý ảnh sẽ giúp việc thu nhận, chiết
xuất ra các thông tin cần thiết một cách dễ dàng, nhanh chóng và chính xác.
Phần mềm ENVI cung cấp các công cụ hữu dụng và cao cấp để đọc, khám phá,
thao tác, phân tích và chia sẻ các thông tin thu nhận từ dữ liệu ảnh. ENVI đƣợc
phát triển bới các chuyên hàng đầu về hiển thị và xứ lý ảnh. Đồng thời, ENVI
cũng đƣợc xây dựng trên nền tảng mở nên cho phép ngƣời dùng dễ dàng mở

Việt nam. Mapinfo thiên về quản lý, tổng hợp thông tin, xây dựng các loại bản
đồ chuyên đề số, nên chức năng số hóa bản đồ của Mapinfo tƣơng đối yếu. Một
điểm mạnh của Mapinfo là khả năng hiển thị, dàn trang in rất tiện lợi và đây là
một trong ƣu thế của Mapinfo so với các phần mềm GIS khác [27].
Những đặc điểm chính của phần mềm Mapinfo:
Đơn giản, rất dễ sử dụng và chạy trên các hệ điều hành: UNIX, Windows.
Hỗ trợ các thiết bị: Bàn số, máy quét ảnh, các máy vẽ…
Các chức năng chính: Tạo vùng đệm, phân tích bản đồ, phân tích mạng.
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu: dBase, cơ sở dữ liệu bên trong
Cấu trúc dữ liệu: Non-topological Vertor, dữ liệu thuộc tính, dữ liệu bảng biểu.
Phù hợp với mô hình quy mô vừa và nhỏ.
Khả năng tạo lập bản đồ chuyên đề mạnh và phong phú. Khả năng dàn
trang in và in rất thuận tiện.
Khả năng giao tiếp với các phần mềm GIS khác tốt.
Hỗ trợ tốt cho các khả năng ứng dụng, tạo mô hình ba chiều.
Cấu trúc format file mở hỗ trợ cho việc phát triển các ứng dụng chuyên sâu.
Khả năng xây dựng dữ liệu bản đồ số.