Luận văn Ứng dụng công nghệ GIS trong điều chế rừng tại công ty lâm nghiệp Nam Tây Nguyên, tỉnh Đăk Nông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN --------------------------------- PHẠM NGỌC TÙNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG ĐIỀU CHẾ RỪNG TẠI CÔNG TY LÂM NGHIỆP NAM TÂY NGUYÊN, TỈNH ĐĂK NÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC LÂM NGHIỆP Buôn Ma Thuột, tháng 10 / 2009 T ác g iả : P H Ạ M N G Ọ C T Ù N G ** * L U Ậ N V Ă N T H Ạ C S Ĩ L Â M N G H IỆ P ** * B M T , 2 00 9 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN PHẠM NGỌC TÙNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG ĐIỀU CHẾ RỪNG TẠI CÔNG TY LÂM NGHIỆP NAM TÂY NGUYÊN, TỈNH ĐĂK NÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ LÂM NGHIỆP Buôn Ma Thuột, năm 2009 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN PHẠM NGỌC TÙNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG ĐIỀU CHẾ RỪNG TẠI CÔNG TY LÂM NGHIỆP NAM TÂY NGUYÊN, TỈNH ĐĂK NÔNG CHUYÊN NGÀNH: LÂM HỌC Mã số: 60.62.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ LÂM NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bảo Huy Buôn Ma Thuột, năm 2009 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Họ tên tác giả Phạm Ngọc Tùng iii LỜI CẢM ƠN Đề tài này được hoàn thành tại Trường Đại học Tây Nguyên năm 2009, theo chương trình đào tạo cao học khóa I. Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, tác giả được sự quan tâm, giúp đỡ của Khoa sau đại học - Đại học Tây Nguyên; Công ty Lâm nghiệp Nam Tây Nguyên. Đạt được kết quả này tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Bảo Huy, người thầy đã truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian học tập, và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong thời gian thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Quản lý tài nguyên rừng, Trường Đại học Tây nguyên; cán bộ Xí nghiệp Khảo sát thiết kế - Công ty lâm ngiệp Nam tây Nguyên đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thu thập và xử lý liệu số liệu phục vụ đề tài nghiên cứu. iv 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 ................................................................................. 89 vi 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, D1.3 (cm): Đường kính cây tại vị trí 1.3m N (cây), n: Số cây, dung lượng mẫu quan sát G (m2): Tiết diện ngang tại vị trí 1.3m Hvn (m): Chiều cao vút ngọn cây Ln(): Logarit tự nhiên (cơ số e) M (m3): trữ lượng lâm phần R, R2 Hệ số tương quan, Hệ số xác định Pm: Suất tăng trưởng χ2 Tiêu chuẩn khi bình phương của Pearson V (m3) 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, IIIa3) ...................................................................................... 50 Bảng 4.5. Điều chỉnh cấu trúc N/D trong khai thác chọn rừng thường xanh, trạng thái rừng trung bình (IIIa2) ..................................................................................... 51 Bảng 4.6. Điều chỉnh cấu trúc N/D trong chặt nuôi dưỡng rừng thường xanh, trạng thái rừng nghèo (IIIa1) ........................................................................................... 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 IIIa2 hỗn giao tre nứa (IIIa2+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 (IIIa3, 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 IIIa2 với cấu trúc định hướng .............. 52 Hình 4.14: So sánh cấu trúc thực trạng thái IIIa1 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 IIIa2+L với cấu trúc định hướng ........ 55 Hình 4.17: So sánh cấu trúc thực trạng thái IIIa1+L với cấu trúc định hướng ......... 56 Hình 4.18: Mô hình quan hệ Zd/D theo D1.3 .......................................................... 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 20031. 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. 4 Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS xây dựng bộ công cụ điều chế rừng là xem xét một cách có hệ thống các vấn đề: Quan điểm, khái niệm về hệ thống thông tin địa lý (GIS); các ứng dụng của GIS trong lĩnh vực quản lý tài nguyên môi trường; khả năng ứng dụng ảnh viễn thám để xây dựng dữ liệu cho GIS; các nghiên cứu về điều chế rừng, khả năng áp dụng công nghệ để quản lý điều chế. Trên cơ sở này luận văn tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước theo từng chủ đề liên quan đến các vấn đề nói trên, từ đây phản ảnh được một cách chung nhất tình hình ứng dụng công nghệ GI