Luận án Nghiên cứu kỹ thuật ứng dụng công nghệ địa không gian trong quản lý lửa rừng tại huyện mường nhé, tỉnh Điện Biên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN XUÂN LINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊA KHÔNG GIAN TRONG QUẢN LÝ LỬA RỪNG TẠI HUYỆN MƯỜNG NHÉ, TỈNH ĐIỆN BIÊN Ngành: Quản lý tài nguyên rừng Mã số: 962 02 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG D ẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHÙNG VĂN KHOA PGS. TS. NGUYỄN TUẤN ANH Hà Nội, 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Xuân Linh ii LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật ứng dụng công nghệ địa không gian trong quản lý lửa rừng tại huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên” thuộc chuyên ngành Quản lý tài nguyên rừng, mã số 9.62.02.11 là công trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực công nghệ địa không gian để nâng cao hiệu quả của công tác bảo vệ và phát triển rừng cả nước nói chung và rừng tại huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên nói riêng. Trong quá trình thực hiện, với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của các nhà khoa học, các đồng nghiệp và gia đình, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn Luận án là PGS. TS Phùng Văn Khoa; thầy PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh cùng các chuyên gia GS.TS Vương Văn Quỳnh, PGS.TS Nguyễn Hải Hòa, PGS.TS. Bùi Xuân Dũng, PGS. TS Bế Minh Châu, Ths Lê Thái Sơn, Ths Nguyễn Văn Thị đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành Luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau Đại học, Khoa Quản lý TNR&MT - Trường Đại học Lâm nghiệp. Ban Giám hiệu, Khoa Chữa cháy - Trường Đại học PCCC. Lãnh đạo và cán bộ Hạt Kiểm Lâm huyện Mường Nhé đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện và dành thời gian cung cấp thông tin cho tôi trong thời gian tôi thực hiện Luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới toàn thể gia đình và những người thân đã luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần cho tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Xuân Linh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... vi MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................. 2 2.1. Mục tiêu tổng quát ......................................................................... 2 2.2. Mục tiêu cụ thể ............................................................................... 3 3. Ý nghĩa về khoa học và thực tiễn .......................................................... 3 4. Những đóng góp mới của đề tài ............................................................ 3 5. Đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu ......................................... 4 6. Kết cấu của luận án ............................................................................... 5 Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 6 1.1. Tổng quan về cháy rừng và quản lý lửa rừng .................................... 6 1.2. Các vấn đề liên quan đến công nghệ địa không gian ......................... 8 1.3. Tổng quan các công nghệ được áp dụng trong quản lý lửa rừng..... 14 1.3.1. Sử dụng cảm biến kết nối mạng không dây .............................. 14 1.3.2. Sử dụng hệ thống cảm biến quang học và máy ảnh kỹ thuật số17 1.3.3. Sử dụng ảnh vệ tinh kết hợp với công nghệ không gian địa lý. 20 1.4. Tổng quan các nghiên cứu về quản lý lửa rừng ............................... 25 1.4.1. Nghiên cứu về quản lý lửa rừng trên thế giới ........................... 25 1.4.2. Nghiên cứu về quản lý lửa rừng ở Việt Nam ............................ 35 Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 46 2.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................ 46 2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................. 46 2.2.1. Phương pháp luận ...................................................................... 46 2.2.2. Phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ dự báo cháy rừng . 48 2.2.3. Phương pháp xác định mùa cháy cho khu vực nghiên cứu ...... 52 iv 2.2.4. Phương pháp đánh giá tầm quan trọng của các yếu tố đến cháy rừng ..................................................................................................... 53 2.2.5. Phương pháp lập bản đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng ...... 54 2.2.6. Phương pháp tính toán cấp cháy và xác định hệ số hiệu chỉnh cấp cháy theo trạng thái của từng lô rừng ........................................... 57 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................. 59 3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ dự báo cháy rừng ......................... 59 3.1.1. Dữ liệu tài nguyên rừng ............................................................ 59 3.1.2. Dữ liệu địa hình ......................................................................... 68 3.1.3. Khoảng cách từ các lô rừng đến khu dân cư ............................. 75 3.1.4. Dữ liệu thời tiết ......................................................................... 78 3.2. Xác định mùa cháy cho khu vực nghiên cứu ................................... 84 3.3. Đánh giá tầm quan trọng của các yếu tố đến cháy rừng .................. 85 3.4. Lập bản đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng .................................. 87 3.4.1. Kết quả xây dựng bản đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng ..... 87 3.4.2. Đánh giá độ chính xác của bản đồ phân vùng trọng điểm cháy 90 3.5. Xác định hệ số hiệu chỉnh cấp cháy theo trạng thái của từng lô rừng . 92 3.5.1. Phân bố các vụ cháy theo trạng thái rừng ................................. 92 3.5.2. Xác định hệ số hiệu chỉnh cấp cháy theo trạng thái rừng ......... 95 3.6. Đề xuất quy trình khoanh vẽ, giám sát khu vực cháy bằng ảnh vệ tinh và quy trình dự báo cháy rừng cho khu vực trong 10 ngày tới ........ 97 3.6.1. Quy trình khoanh vẽ, giám sát khu vực cháy bằng ảnh vệ tinh 97 3.6.2. Đề xuất quy trình dự báo cháy rừng cho khu vực trong 10 ngày tới ....................................................................................................... 100 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................... 107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 112 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Bảng chỉ số ngẫu nhiên RI cua Saaty .................................................. 54 Bảng 3.1. Hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp huyện Mường Nhé theo kết quả cập nhật diễn biến rừng năm 2022 .............................................................................. 59 Bảng 3.2. Hiện trạng rừng và đất lâm nghiệp huyện Mường Nhé phân theo mục đích sử dụng ......................................................................................................... 62 Bảng 3.3. Diện tích rừng và đất lâm nghiệp huyện Mường Nhé phân theo đơn vị hành chính ............................................................................................................ 66 Bảng 3.4. Phân bố diện tích rừng và đất chưa có rừng quy hoạch phát triển lâm nghiệp tại huyện Mường Nhé theo cấp độ cao .................................................... 68 Bảng 3.5. Phân bố diện tích rừng và đất chưa có rừng quy hoạch phát triển lâm nghiệp tại huyện Mường Nhé theo cấp độ dốc .................................................... 70 Bảng 3.6. Phân bố diện tích rừng và đất chưa có rừng quy hoạch phát triển lâm nghiệp tại huyện Mường Nhé theo cấp hướng dốc .............................................. 72 Bảng 3.7. Diện tích rừng và đất lâm nghiệp huyện Mường Nhé theo khoảng cách đến khu dân cư và khu vực sản xuất nông nghiệp ............................................... 76 Bảng 3.8. Nhiệt độ trung bình theo giờ trong ngày tại huyện Mường Nhé ......... 78 Bảng 3.9. Kết quả kỹ thuật phân tích hồi quy ...................................................... 80 Bảng 3.10. Dữ liệu sử dụng trong Phân tích sai lệch địa lý ................................. 81 Bảng 3.11 Kết quả so sánh mô hình hiệu chỉnh lượng mưa ................................ 82 Bảng 3.12. Kết quả kỹ thuật phân tích hồi quy .................................................... 82 Bảng 3.13. Dữ liệu sử dụng trong Phân tích sai lệch địa lý ................................. 83 Bảng 3.14. Kết quả so sánh mô hình hiệu chỉnh lượng mưa ............................... 83 Bảng 3.15: Lượng mưa, nhiệt độ bình quân tháng của huyện Mường Nhé ......... 84 Bảng 3.16. Ma trận so sánh các yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ cháy rừng ......... 85 Bảng 3.17: Bảng tính toán trọng số các yếu tố .................................................... 86 Bảng 3.18: Bảng sắp xếp thứ tự ưu tiên các yếu tố .............................................. 86 Bảng 3.19: Bảng tính toán chỉ số nhất quán ........................................................ 87 Bảng 3.20. Kết quả xác định cấp trọng điểm cháy trên địa bàn huyện Mường Nhé ....................................................................................................................... 90 Bảng 3.21. Kết quả xác định cấp trọng điểm cháy tại các vị trí kiểm chứng (có xảy ra cháy) tại huyện Mường Nhé ...................................................................... 91 Bảng 3.22. Số vụ cháy rừng tại Mường Nhé phân theo trạng thái rừng .............. 93 Bảng 3.23. Xác suất xuất hiện cháy theo trạng thái rừng tại huyện Mường Nhé 94 Bảng 3.24: Kết quả xếp hạng khả năng xảy ra cháy của các trạng thái rừng trên địa bàn huyện Mường Nhé ................................................................................... 95 Bảng 3.25: Kết quả xác định hệ số điều chỉnh cấp dự báo cháy rừng ................. 96 Bảng 3.26. Hệ số hiệu chỉnh cấp dự báo cháy rừng ............................................. 96 vi Bảng 3.27: Bảng tra cấp dự báo cháy rừng tỉnh Điện Biên ............................... 104 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Thành phần cơ bản của hệ thống định vị toàn cầu ................................ 10 Hình 1.2 Hệ thống thông tin địa lý ....................................................................... 11 Hình 1.3 Mô tả về nguyên lý thu thập dữ liệu bằng công nghệ viễn thám .......... 13 Hình 2.1: Cửa sổ Slope và nguyên tắc xây dựng mô hình số độ dốc trên ArcGIS ................................................................................................................. 49 Hình 2.2: Cửa sổ Aspect và nguyên tắc xây dựng mô hình số hướng dốc trên ArcGIS ................................................................................................................. 49 Hình 2.3. Sơ đồ nghiên cứu .................................................................................. 58 Hình 3.1. Hiện trạng rừng huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên ........................... 60 Hình 3.2. Rừng tự nhiên nghèo tại huyện Mường Nhé ........................................ 61 Hình 3.3. Rừng tự nhiên trung bình tại huyện Mường Nhé ................................. 61 Hình 3.4. Rừng phục hồi tại huyện Mường Nhé .................................................. 62 Hình 3.5. Một góc rừng ở Mường Nhé ................................................................ 65 Hình 3.6. Phân bố diện tích rừng và đất lâm nghiệp của huyện Mường Nhé phân theo đơn vị hành chính cấp xã .............................................................................. 67 Hình 3.7. Phân bố diện tích rừng của huyện Mường Nhé phân theo đơn vị hành chính cấp xã .......................................................................................................... 67 Hình 3.8. Rừng ở Mường Nhé phân bố ở nơi có địa hình cao, độ dốc lớn .......... 71 Hình 3.9. Rừng Mường Nhé rất gần với các khu dân cư ..................................... 76 Hình 3.10. Biểu đồ so sánh nhiệt độ trung bình theo giờ trong ngày .................. 79 Hình 3.11. Biểu đồ thể hiện tương quan của dữ liệu lượng mưa từ ERA-5 và trạm mặt đất .................................................................................................................. 80 Hình 3.12. Kết quả nội suy sai lệch địa lý ........................................................... 81 Hình 3.13. Bản đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng huyện Mường Nhé ............ 89 Hình 3.14. Các vùng mẫu mất rừng tại tọa độ 22021’36’’B - 102010’48’’Đ. Ảnh tổ hợp màu Sentinel-2 (RGB: 12-8A-4) trên GEE tại thời điểm trước (A – Sentinel 2A ngày 13/03/2019) và sau (B – Sentinel 2A ngày 28/03/2019) khi cháy. ..................................................................................................................... 99 Hình 3.15. Ảnh chỉ số NBR tại khu vực điểm cháy trước (A) và sau (B) khi xảy ra cháy rừng và chỉ số dNBR tương ứng (C). .................................................... 100 Hình 3.16. Bảng tra nhiệt độ điểm sương .......................................................... 103 Hình 3.17. Công cụ trực tuyến tính nhiệt độ điểm sương .................................. 103 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AHP Analytic Hierarchy Process (Phân tích thứ bậc) BTTN Bảo tồn thiên nhiên CBI Composite Burn Index CHDCND Cộng hòa dân chủ nhân dân CHND Cộng hòa nhân dân DEM Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model) Hệ thống thông tin cháy rừng Châu Âu (European Forest Fire EFFIS Information System) Tổ chức nông lương liên hợp quốc (Food and Agriculture FAO Organization of the United Nations) FFDI Chỉ số nguy hiểm cháy rừng (Forest Fire Danger Index) Chỉ số thời thiết liên quan đến cháy rừng (Forest Fire Weather FFWI Index) GEE Công cụ xử lý trực tuyến của Google (Google Earth Engine) GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) IDW Nghịch đảo khoảng cách có trọng số (Inverse Distance Weighted) KHCN Khoa học công nghệ LDLR Loại đất loại rừng Max Giá trị lớn nhất Min Giá trị nhỏ nhất NBR Chỉ số tàn tro (Normalized Burn Ratio) Chỉ số khác biệt thực vật (Normalized Difference Vegetable NDVI Index) NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển nông thôn PCCCR Phòng cháy chữa cháy rừng TWI Chỉ số ẩm ướt địa hình (Topographic Wetness Index) UBND Ủy ban nhân dân VLC Vật liệu cháy VQG Vườn quốc gia 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Rừng đóng vai trò quan trọng đối với đời sống của con người, là “lá phổi xanh” hấp thụ khí cacbonic và làm tăng lượng oxi, trung bình mỗi năm 1ha rừng nhả vào không khí 16-30 tấn oxi, duy trì sự sống ở mọi nơi, rừng điều tiết nước, phòng chống lũ lụt, xói mòn, giữ gìn nguồn thủy năng lớn cho các nhà máy điện... Rừng là nơi cung cấp nguyên, nhiên, dược liệu; nơi bảo tồn các loài gen quý hiếm; làm cho khí hậu mát mẻ, cải tạo môi trường sống chống lại sự gia tăng nhiệt độ của trái đất... trước những lợi ích to lớn mà rừng mang lại thì việc bảo vệ rừng là yêu cầu và trách nhiệm lớn của mỗi quốc gia. Tuy nhiên thực tế việc suy thoái rừng vẫn đang diễn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau trong đó tại Việt Nam nguyên nhân trực tiếp dẫn đến suy thoái rừng có thể do việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất; do khai thác lâm sản; do cháy rừng. Cháy rừng là một trong những thảm hoạ gây ra nhiều thiệt hại đối với tài nguyên rừng và môi trường sinh thái. Ảnh hưởng của nó không những tác động đến một quốc gia mà còn ảnh hưởng đến cả khu vực lân cận. Trong vài thập niên trở lại đây, cùng với sự biến đổi khí hậu và những đợt nắng hạn kéo dài bất thường đã làm cho cháy rừng ngày càng nghiêm trọng hơn, đe doạ đến bầu khí quyển, đến cuộc sống của loài người và các sinh vật trên trái đất nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Công tác quản lý lửa rừng ở huyện Mường Nhé đang được vận hành một cách thủ công. Mặc dù cách này có ưu điểm là cán bộ đã vận hành quen và thành thạo. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là không cảnh báo sớm được và thường xảy ra sai sót. Có thể nói rằng dự báo, phát hiện và theo dõi cháy rừng là rất cần thiết cho nghiên cứu về thiệt hại sinh thái, kinh tế và xã hội do cháy rừng gây ra. Theo quyết định số 2860/QĐ-BNN-TCLN ngày 27/7/2022 của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn về việc công bố hiện trạng rừng toàn quốc năm 2021 thì hiện trạng rừng toàn quốc đến ngày 31/12/2021 Diện tích đất có rừng bao gồm cả rừng trồng chưa khép tán: 14.745.201 ha, trong đó: rừng tự nhiên: 10.171.757 ha; rừng trồng: 4.573.444 ha. Diện tích đất có rừng đủ tiêu chuẩn 2 để tính tỷ lệ che phủ toàn quốc là 13.923.108 ha, tỷ lệ che phủ là 42,02%. Trong đó, có trên 50% là diện tích rừng có nguy cơ cháy cao, chủ yếu là rừng: thông, tràm, tre nứa, keo, bạch đàn, rừng khộp, rừng non khoanh nuôi tái sinh tự nhiên. Tỉnh Điện Biên có tổng diện tích rừng là 412.350 ha; trong đó, rừng tự nhiên có 403.001 ha; rừng trồng có 9.350 ha, tỷ lệ che phủ là 42,96%. Tại huyện Mường nhé diện tích đất có rừng là 86.100,86 ha, trong đó rừng tự nhiên là 85.084,22 ha và rừng trồng là 1.016,64 ha trên tổng diện tích tự nhiên 250.790ha là huyện có tỷ lệ che phủ rừng lớn nhất toàn tỉnh Điện Biên. Toàn bộ rừng của huyện Mường Nhé đều thuộc rừng phòng hộ xung yếu cần được bảo vệ nghiêm ngặt. Việc dự báo, cảnh báo sớm cháy rừng, đánh giá và giám sát được quá trình phục hồi rừng sau cháy là hết sức cần thiết hiện nay. Do thực tế địa hình rừng rộng lớn, giao thông không thuận lợi nên việc thực hiện công tác này còn hạn chế và tốn kém. Công nghệ địa không gian (Geotechnology) đã được ứng dụng nhiều lĩnh vực ở nhiều quốc gia trên thế giới từ trên 20 năm trở lại đây. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa không gian trong dự báo, cảnh báo sớm cháy rừng, đánh giá và giám sát được quá trình phục hồi rừng sau cháy ở Việt Nam là việc làm hết sức cần thiết, giúp cho các chủ thể quản lý rừng và đất rừng có các giải pháp phòng và chữa cháy rừng thích hợp để giảm thiểu thiệt hại do cháy rừng gây ra. Tại huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên qua tìm hiểu các tài liệu, tôi cũng nhận thấy ứng dụng công nghệ địa không gian trong dự báo, cảnh báo sớm cháy rừng, đánh giá và giám sát quá trình phục hồi và rừng sau cháy chưa được nghiên cứu nhiều và chưa được áp dụng rộng rãi. Xuất phát từ những lý do trên, đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu kỹ thuật ứng dụng công nghệ địa không gian trong quản lý lửa rừng tại huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên” được lựa chọn làm luận án Tiến sĩ ngành Quản lý tài nguyên rừng 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát 3 Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học và thực tiễn quy trình kỹ thuật ứng dụng công nghệ địa không gian nhằm nâng cao hiệu quả công tác phòng chống cháy rừng ở huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên và khu vực có điều kiện tương tự. 2.2. Mục tiêu cụ thể Nhằm đạt được mục tiêu tổng quát đã nêu ở trên, đề tài đặt mục tiêu cụ thể cần đạt được như sau: - Xây dựng được cơ sở dữ liệu địa không gian phục vụ dự báo cháy rừng cho huyện Mường Nhé; - Xác định được mùa cháy và xác định được ảnh hưởng của các yếu tố đến cháy rừng, thành lập được bản đồ phân vùng trọng điểm cháy rừng cho huyện Mường Nhé; - Đề xuất được 01 Quy trình khoanh vẽ, giám sát khu vực cháy bằng ảnh vệ tinh và 01 Quy trình Dự báo cháy rừng cho khu vực trong 10 ngày tới. 3. Ý nghĩa về khoa học và thực tiễn 3.1. Về khoa học Góp phần cung cấp cơ sở khoa học, nguyên lý, quy trình kỹ thuật ứng dụng công nghệ địa không gian trong quản lý cháy rừng làm cơ sở để nhân rộng các ứng dụng này ở quy mô toàn quốc. 3.2. Về thực tiễn Góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ địa không gian trong thực tiễn quản lý cháy rừng từ các bước xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác PCCCR, dự báo, cảnh báo cháy rừng, lập bản đồ phân vùng trọng điểm cháy, xây dựng quy trình kỹ thuật khoanh vẽ và xác định các khu vực bị cháy rừng làm cơ sở phục vụ quá trình phục hồi rừng sau cháy. 4. Những đóng góp mới của đề tài 4.1. Về khoa học 4 - Đã xác định được các nguyên lý cơ bản ứng dụng công nghệ địa không gian trong quản lý cháy rừng cho khu vực nghiên cứu từ các bước thiết lập cơ sở dữ liệu không gian, cảnh báo, dự báo đến lập bản đồ phân vùng trọng điểm cháy, bản đồ các khu vực cháy rừng; - Đã xác định được ảnh hưởng của các yếu tố đến nguy cơ cháy rừng (có cháy hay không có cháy) theo phương pháp binary logistic regrssion và theo AHP. 4.2. Về thực tiễn - Xác định thời gian cao điểm trong ngày (đã có lúc 15h chứ không phải 13h); - Lập cơ sở dữ liệu phục vụ dự báo cháy rừng (bản đồ các lớp: nhiệt độ lúc 15h:00, lượng mưa trung bình ngày, độ thiếu hụt bão hòa ngày...; - Xác định hệ số hiệu chỉnh cấp cháy theo trạng thái của từng lô rừng (AHP chia 3 nhóm: Khó cháy hệ số 1; TB hệ số 2; Dễ cháy hệ số 3), sau đó xác định trọng số hiệu chỉnh cấp cháy đã tính được theo chỉ tiêu P; - Đã xác định được thời kỳ cháy cao điểm và lập được bản đồ phân vùng trọng điểm cháy (vùng cháy cao điểm) dựa vào yếu tố lịch sử và điều kiện lập địa của lô rừng; - Đã xây dựng được quy trình kỹ thuật khoanh vẽ, giám sát khu vực cháy bằng ảnh vệ tinh; tính sự khác biệt ngưỡng về NBR theo KB giữa khu vực cháy và khu vực mất rừng; - Đã xây dựng được quy trình dự báo cháy khả năng cháy rừng trong 10 ngày tới. 5. Đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 5.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Toàn bộ diện tích rừng tại huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên - Phạm vi nghiên cứu: huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên, 5 5.2. Giới hạn nghiên cứu: - Về nội dung: Tập trung chủ yếu vào ứng dụng công nghệ địa không gian trong xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác PCCCR, dự báo, cảnh báo cháy rừng, lập bản đồ phân vùng trọng điểm cháy, xây dựng quy trình kỹ thuật khoanh vẽ và xác định các khu vực bị cháy rừng làm cơ sở phục vụ quá trình phục hồi rừng sau cháy. - Về không gian: Các loại rừng trong huyện Mường Nhé, tỉnh Điện Biên. - Về thời gian: Tập trung phân tích các yếu tố lịch sử liên quan đến cháy rừng từ năm 2001 đến năm 2022. 6. Kết cấu của luận án Ngoài các nội dung như: Lời cam đoan; Lời cảm ơn, Mục lục, Danh mục bảng biểu, Hình ảnh, Danh mục các từ viết tắt; Danh mục các công trình đã công bố; Tài liệu tham khảo và Phụ lục. Phần chính của luận án dài 105 trang và có kết cấu như sau: - Mở đầu: 5 trang - Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu: 37 trang - Chương 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: 12 trang - Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận: 47 trang - Kết luận, tồn tại và kiến nghị: 4 trang 6 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về cháy rừng và quản lý lửa rừng Về mặt kỹ thuật, lửa là sự kết hợp nhanh chóng của các yếu tố: vật liệu cháy (VLC), nhiệt và oxy. Nói chung cần có nguồn nhiệt bên ngoài để bắt lửa. Nhiệt là năng lượng và được đo bằng nhiệt độ. Vật liệu cháy được coi là bất kỳ vật chất nào có thể cháy được. Trong rừng, VLC bao gồm thảm thực vật sống, thảm thực vật chết, cành cây, lá cây, cây chết đứng và các công trình bằng gỗ do con người xây dựng [Anon và cộng sự, 1999]. Trong tài liệu Thuật ngữ lâm nghiệp của Bộ NN&PTNT, cháy rừng là sự kiện lửa phát sinh trong một khu rừng, tác động hoặc làm tiêu hủy một số hoặc toàn bộ các thành phần của khu rừng đó. Đám cháy rừng có thể là đám cháy được kiểm soát trong kỹ thuật lâm sinh hoặc đám cháy không thể kiểm soát [Vụ KHCN, Bộ NN&PTNT, 1996]. Ngoài ra, trong tài liệu về quản lý lửa rừng, FAO đưa ra khái niệm về cháy rừng và đến nay thường được sử dụng: “Cháy rừng là sự xuất hiện và lan truyền của những đám cháy trong rừng mà không nằm trong sự kiểm soát của con người; gây nên những tổn thất nhiều mặt về tài nguyên, của cải và môi trường” [Bế Minh Châu, 2012]. Để đảm bảo công tác PCCCR, chúng ta cần quản lý lửa rừng. Theo quan điểm của tổ chức FAO thì Quản lý lửa rừng là mọi hoạt động cần thiết để bảo vệ rừng không bị cháy cùng với việc sử dụng lửa nhằm đáp ứng những mục tiêu trong quản lý đất đai. Những hoạt động này bao gồm các nội dung chính: phòng cháy, chữa cháy, sử dụng lửa và phục hồi rừng sau cháy [Craig và cộng sự, 1983], [Timo và cộng sự, 2007]. Muốn nâng cao hiệu quả công tác quản lý lửa rừng, chúng ta cần phải hiểu được các yếu tố gây ra cháy rừng và yếu tố ảnh hưởng. Yếu tố gây cháy (nguồn lửa): Nguồn lửa gây cháy rừng có thể do tự nhiên hoặc do các hoạt động dùng lửa ở trong rừng và ven rừng của con người gây ra. Các yếu tố tự nhiên 7 như tia sét, núi lửa phun, v.v ... Những yếu tố ảnh hưởng chủ yếu tới sự phát sinh và phát triển của cháy rừng: (1) Đặc điểm lâm phần (kiểu rừng, cấu trúc lâm phần) và VLC với các đặc trưng như: loại, kích thước, sự sắp xếp và phân bố, độ ẩm, khối lượng. (2) Địa hình là một thông số quan trọng, trong đó độ dốc, hướng dốc và độ cao đóng vai trò chính trong sự phát triển của đám cháy rừng. (3) Thời tiết, với các chỉ số như độ ẩm tương đối, nhiệt độ không khí, tốc độ gió và lượng mưa là những yếu tố động ảnh hưởng đến sự bắt lửa và lan truyền của đám cháy rừng [Roberto Barbosa và cộng sự, 2010]. Thảm thực vật và vật liệu cháy (VLC): Có mối quan hệ chặt chẽ giữa kiểu thảm thực vật với cường độ và tần suất cháy rừng do mỗi kiểu thảm thực vật có mức độ dễ cháy khác nhau. VLC là một thông số quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả năng bắt lửa cũng như cường độ cháy rừng [Pyne và cộng sự, 1996]. Các đặc điểm địa hình như độ dốc, độ cao có thể ảnh hưởng đến sự lan tràn và cường độ của đám cháy rừng. Nói chung, lửa di chuyển lên dốc nhanh hơn so với xuống dốc [Kushla & Ripple, 1997; Butler và cộng sự, 2007]. Lượng bức xạ mặt trời và kiểu thảm thực vật cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ cháy và khả năng lan truyền đám cháy. Độ cao ảnh hưởng đến lượng mưa cũng như tốc độ gió và do đó ảnh hưởng đến khả năng bắt lửa của VLC . Thời tiết là một yếu tố động trong môi trường cháy và thay đổi thường xuyên. “Nhiệt độ”, “độ ẩm tương đối”, “tốc độ gió” và “lượng mưa” là các yếu tố thời tiết chính ảnh hưởng tới cháy rừng. Chúng ảnh hưởng đến thời gian và mức độ khô của thảm thực vật trong mùa hè. Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm tương đối ảnh hưởng đến cường độ và tốc độ lan truyền của đám cháy trong một tập hợp các điều kiện khí tượng nhất định. Nhiệt độ không khí là một biến số thiết yếu, nó ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ của vật liệu cháy và ảnh hưởng gián tiếp đến độ ẩm tương đối và mất độ ẩm trong thảm thực vật. Nhiệt độ không khí có tác động đáng kể đến sự lan rộng và cường độ của đám cháy ở các đồng cỏ ở Nam Phi [Mapiye và cộng sự, 8 2008; N’Dri và cộng sự, 2018]. Độ ẩm tương đối có ảnh hưởng đến độ ẩm của thảm thực vật và có tương quan thuận với độ ẩm VLC. Tốc độ gió ảnh hưởng đến hành vi cháy vì nó cung cấp oxy cho đám cháy lan rộng và cũng ép góc của ngọn lửa vào khu vực rừng chưa cháy và làm tăng tốc độ lan truyền của đám cháy [Kennedy và cộng sự, 1994]. Một trong những hoạt động quan trọng của quản lý lửa rừng là công tác dự báo cháy rừng. Dự báo cháy rừng hay còn được gọi là dự báo khả năng xuất hiện cháy rừng. Đó là quá trình dựa vào mối quan hệ đa chiều giữa các yếu tố thời tiết, khí hậu, thuỷ văn với vật liệu cháy để dự tính, dự báo khả năng có thể xảy ra cháy rừng, kịp thời thông tin các biện pháp phòng cháy chữa cháy rừng đến cộng đồng dân cư nhằm đạt hiệu quả cao nhất trong công tác quản lý lửa rừng [Phạm Ngọc Hưng, 2001]. Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ hiện đại, công tác dự báo cháy rừng đã bổ sung thêm nhiều yếu tố trong các mô hình phân tích dữ liệu như loại hình thực vật, điều kiện địa hình và lịch sử cháy rừng của khu vực. Dự báo cháy rừng ở Việt Nam thông thường bao gồm 3 bước: Bước 1- Xác định mùa cháy rừng; Bước 2-Dự báo cấp cháy rừng; Bước 3-Thông tin cấp dự báo cháy rừng. Theo TS. Phạm Ngọc Hưng, 1983, mùa cháy rừng là khoảng thời gian bao gồm các tháng khô hạn trong năm làm cho nguồn vật liệu cháy ở trong rừng và ven rừng thường ở trạng thái khô và dễ bắt lửa. Tương tự, ở Mỹ từ những năm 1959, U.R.Krum cũng đưa ra khái niệm mùa cháy rừng là những khoảng thời gian trong năm có điều kiện thích hợp cho lửa rừng xảy ra và lan tràn [Bế Minh Châu, 2012]. Dù theo cách hiểu nào, thì các yếu tố khí tượng là cơ sở quan trọng để xác định mùa cháy rừng cho một địa phương. 1.2. Các vấn đề liên quan đến công nghệ địa không gian Theo tổ chức AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE (AAAS), Công nghệ địa không gian là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả một loạt các công cụ hiện đại góp phần vào 9 việc lập bản đồ và phân tích địa lý của Trái đất và xã hội loài người. Một khía cạnh quan trọng của công nghệ này là khả năng tập hợp phạm vi dữ liệu địa không gian thành một tập hợp các bản đồ nhiều lớp cho phép phân tích các chủ đề phức tạp và sau đó truyền đạt cho nhiều đối tượng hơn. Tính năng "phân lớp" này được kích hoạt bởi thực tế là tất cả dữ liệu đó bao gồm thông tin về vị trí chính xác của nó trên bề mặt Trái đất, do đó có thuật ngữ "địa không gian". Công nghệ này còn được gọi là công nghệ 3S (GPS, GIS, RS). Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vũ trụ, công nghệ thông tin và các công nghệ kỹ thuật khác. Công nghệ định vị toàn cầu (Global Possition System - GPS), Hệ thống thông tin địa lý (Geographycal Information System - GIS) và Công nghệ viễn thám (Remote Sensing) đã và đang được nghiên cứu ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, các ngành kinh tế quốc dân và các hoạt động xã hội.  Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) GPS là một hệ thống công nghệ định vị và đo đạc dựa trên vệ tinh. Nó cho phép xác định vị trí và thời gian chính xác trên mặt đất. Hệ thống GPS bao gồm một mạng lưới các vệ tinh nằm trên quỹ đạo Trái Đất. Hiện tại, có khoảng 30 vệ tinh GPS hoạt động xung quanh Trái Đất, được đặt trên các quỹ đạo có kích thước và hình dạng xác định. Các vệ tinh này phát ra tín hiệu chứa thông tin về thời gian và vị trí của chúng. Để sử dụng GPS, người dùng cần có một thiết bị GPS như điện thoại thông minh, thiết bị định vị hoặc đồng hồ định vị. Thiết bị này thu nhận tín hiệu từ ít nhất ba vệ tinh GPS và sử dụng thông tin trong tín hiệu đó để tính toán vị trí của người dùng. Bằng cách kết hợp thông tin từ nhiều vệ tinh, thiết bị GPS có thể xác định vị trí với độ chính xác cao. 10 Hình 1.1 Thành phần cơ bản của hệ thống định vị toàn cầu (Huỳnh Văn Chương, 2011) Hệ thống GPS cung cấp nhiều lợi ích đáng kể và đã trở thành một phần quan trọng của các hệ thống định vị trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ và ngành công nghiệp. Trong quản lý tài nguyên rừng, GPS giúp xác định chính xác các lô rừng, vị trí các loại cây di sản, vị trí các đám cháy...  Hệ thống thông tin địa lý: Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) là một công nghệ và phần mềm được sử dụng để thu thập, quản lý, phân tích và hiển thị thông tin địa lý và không gian. GIS kết hợp dữ liệu địa lý (bao gồm bản đồ, hình ảnh vệ tinh, dữ liệu địa lý từ cảm biến) với thông tin phi địa lý (như dữ liệu dân số, kinh tế, môi trường) để tạo ra các bản đồ và phân tích không gian. Một hệ thống GIS bao gồm các thành phần sau: 11 - Dữ liệu địa lý: GIS sử dụng các dạng dữ liệu địa lý như bản đồ, hình ảnh vệ tinh, dữ liệu điểm, đường, vùng và mô hình 3D. Các dữ liệu này có thể được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau và được tổ chức trong một cơ sở dữ liệu địa lý. - Phần mềm GIS: Các phần mềm GIS cung cấp các công cụ và chức năng để quản lý, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các phần mềm phổ biến bao gồm ArcGIS, QGIS, MapInfo và Google Earth. - Phân tích không gian: GIS cho phép người dùng thực hiện các phân tích không gian trên dữ liệu địa lý. Điều này bao gồm việc tạo ra các lớp đặc trưng, tìm kiếm, tương tác và phân tích mối quan hệ không gian giữa các yếu tố địa lý. - Hiển thị và trực quan hóa: GIS cung cấp khả năng hiển thị thông tin địa lý trên các bản đồ và biểu đồ. Nó cho phép người dùng tạo ra các bản đồ tùy chỉnh, biểu đồ, hình ảnh vệ tinh và mô hình 3D để trực quan hóa dữ liệu và kết quả phân tích. - Quản lý dữ liệu: GIS cho phép quản lý dữ liệu địa lý trong một cơ sở dữ liệu. Điều này bao gồm việc tổ chức, lưu trữ, truy xuất và chia sẻ dữ liệu địa lý một cách hiệu quả. GIS có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực môi trường, GIS có thể giúp theo dõi thay đổi sự phát triển đô thị, phân tích dữ liệu địa chất và quản lý tài nguyên thiên nhiên. Hình 1.2 Hệ thống thông tin địa lý (Nguồn: Trần Quang Bảo và cộng sự, 2017) 12  Công nghệ viễn thám (Remote Sensing) Công nghệ viễn thám (Remote Sensing - RS) là quá trình thu thập thông tin về một vị trí, dữ liệu địa lý và các yếu tố khác của Trái Đất một cách rộng rãi và tự động. Các công nghệ viễn thám thường sử dụng các cảm biến đặc biệt được gắn trên vệ tinh hoặc máy bay để thu thập thông tin từ các vùng mục tiêu. Các cảm biến này có thể ghi lại dữ liệu về ánh sáng phản xạ từ trên Trái Đất từ xa, thông qua việc sử dụng các thiết bị và cảm biến không tiếp xúc trực tiếp với vị trí đó. Công nghệ này giúp chúng ta thu thập dữ liệu và thông tin về môi trường, địa hình mặt đất, nhiệt độ, phổ phát xạ điện từ và các thông số khác. Dữ liệu được thu thập từ các cảm biến này sau đó được xử lý và phân tích để tạo ra các hình ảnh, bản đồ và thông tin về môi trường và địa hình. Công nghệ viễn thám có nhiều lợi ích và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong Quản lý tài nguyên tự nhiên: RS giúp giám sát và đánh giá tình trạng của các tài nguyên như rừng, đất, nước, và khí quyển. Nó cung cấp thông tin quan trọng để theo dõi sự thay đổi của môi trường và đưa ra quyết định về quản lý tài nguyên. Trong Quản lý môi trường và đối phó với thiên tai: Công nghệ RS có thể giúp xác định các vùng đe dọa môi trường, theo dõi sự biến đổi của hệ sinh thái và đánh giá các rủi ro từ thiên tai như lũ lụt, hạn hán và cháy rừng. Ngoài ra còn có công nghệ lập bản đồ Internet là các chương trình phần mềm như Google Earth và các tính năng web như Microsoft Virtual Earth đang thay đổi cách dữ liệu địa không gian được xem và chia sẻ.