Luận án Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước dựa trên phương pháp phân vùng cảnh quan và ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ NGUYỄN THANH THUỶ NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC PHÂN VÙNG ƯU TIÊN BẢO VỆ, PHỤC HỒI HỆ SINH THÁI ĐẤT NGẬP NƯỚC DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN VÙNG CẢNH QUAN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM, GIS LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ NGUYỄN THANH THUỶ NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC PHÂN VÙNG ƯU TIÊN BẢO VỆ, PHỤC HỒI HỆ SINH THÁI ĐẤT NGẬP NƯỚC DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHÂN VÙNG CẢNH QUAN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM, GIS NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ MÃ SỐ: 9.52.05.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: TS. Lê Anh Dũng Hướng dẫn 2: PGS.TS. Trần Quốc Bình Hà Nội, năm 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào; các số liệu, dữ liệu mà nghiên cứu sinh đã thu thập được kế thừa và trích dẫn rõ ràng, đúng quy định. Phương pháp luận, kết quả thực hiện trong khuôn khổ của luận án này đã được sử dụng vào quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS, viễn thám và các công cụ phân tích cảnh quan thành lập bản đồ phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước (Thử nghiệm tại Đồng Tháp Mười)”, mã số TNMT.2017.07.01 do nghiên cứu sinh làm chủ nhiệm. LỜI CẢM ƠN Luận án “Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước dựa trên phương pháp phân vùng cảnh quan và ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS” được tác giả thực hiện trong vòng hơn 6 năm, từ tháng 12/2016-03/2022. Để hoàn thành được luận án này, trong quá trình học tập, nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã nhận được sự hỗ trợ rất lớn từ cơ sở đào tạo là Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, Bộ Tài nguyên và Môi trường, cụ thể là Phòng Khoa học công nghệ và Hợp tác quốc tế (nay là Phòng Khoa học, Đào tạo, Hợp tác quốc tế và Tạp chí), Phòng Nghiên cứu Đo vẽ ảnh và Viễn thám. Đặc biệt là được sự tạo điều kiện của Lãnh đạo Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ qua các thời kỳ, sự hướng dẫn tận tình, sát sao của các giáo viên, sự giúp đỡ của các đồng nghiệp, người thân... Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, những người đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu là TS. Lê Anh Dũng - Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, PGS. TS. Trần Quốc Bình - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Gia đình là những người luôn động viên, hỗ trợ, bên cạnh nghiên cứu sinh những lúc khó khăn, vất vả nhất trong cuộc sống và quá trình nghiên cứu, học tập để hoàn thành được luận án này. Nghiên cứu sinh xin được gửi tới họ lòng biết ơn, sự kính trọng, tình yêu chân thành nhất. Trân trọng cảm ơn! Nghiên cứu sinh: Nguyễn Thanh Thuỷ MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................... i DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................................v DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................................... vi MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................................8 1. Mục tiêu của luận án ............................................................................................. 10 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 10 3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 11 4. Điểm mới của luận án ............................................................................................ 12 5. Các luận điểm bảo vệ ............................................................................................. 12 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................... 12 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 14 1.1. Tổng quan về các khái niệm............................................................................... 14 1.1.1. Khái niệm hệ sinh thái và hệ sinh thái đất ngập nước .................................... 14 1.1.2. Khái niệm về cảnh quan và phân vùng cảnh quan .......................................... 14 1.1.3. Khái niệm phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ...... 15 1.2. Chức năng, áp lực lên hệ sinh thái đất ngập nước Việt Nam ............................. 15 1.2.1. Chức năng của hệ sinh thái đất ngập nước Việt Nam ..................................... 15 1.2.2. Những thách thức đối với hệ sinh thái đất ngập nước Việt Nam .................... 17 1.3. Tình hình nghiên cứu phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ........................................................................................................................... 18 1.3.1. Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS liên quan đến việc phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ............................... 18 1.3.2. Các nghiên cứu phân tích cảnh quan liên quan đến phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước .......................................................................... 19 1.3.3. Các nghiên cứu xác định bộ tiêu chí đánh giá mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ......................................................................................... 21 1.3.4. Các văn bản pháp lý liên quan đến bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ở Việt Nam ....................................................................................................... 27 1.3.5. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp đánh giá, xếp hạng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ............................................................. 28 Tiểu kết Chương 1:.................................................................................................... 30 CHƯƠNG 2. XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH CẢNH QUAN, CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM, GIS, ĐÁNH GIÁ ĐA TIÊU CHÍ PHÂN VÙNG ƯU TIÊN BẢO VỆ, PHỤC HỒI HỆ SINH THÁI ĐẤT NGẬP NƯỚC ................................................ 32 2.1. Quy trình ứng dụng phân tích cảnh quan, công nghệ viễn thám, GIS, đánh giá đa tiêu chí phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ............. 32 2.2. Xây dựng bộ tiêu chí xác định mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước Việt Nam ................................................................................................. 33 2.2.1. Nguyên tắc, phương pháp xác định mục tiêu, tiêu chí, chỉ tiêu đánh giá mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ............................................ 33 2.2.2. Xác định mục tiêu ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ............. 35 2.2.3. Đề xuất bộ tiêu chí xác định mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ở Việt Nam .............................................................................................. 37 2.3. Xác định ranh giới hệ sinh thái đất ngập nước dựa trên phân tích cảnh quan, công nghệ viễn thám và GIS ..................................................................................... 50 2.3.1. Cơ sở lý luận về cảnh quan xác định ranh giới hệ sinh thái đất ngập nước .... 50 2.3.2. Quy trình và phương pháp xác định ranh giới hệ sinh thái đất ngập nước ..... 52 2.4. Xây dựng dữ liệu theo các tiêu chí lựa chọn đánh giá mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước bằng công nghệ viễn thám và GIS .................. 66 2.4.1. Xây dựng dữ liệu dịch vụ hệ sinh thái đất ngập nước bằng công nghệ viễn thám và GIS ............................................................................................................... 66 2.4.2. Xây dựng dữ liệu áp lực rủi ro lên hệ sinh thái bằng công nghệ viễn thám và GIS ............................................................................................................................ 69 2.4.3. Xây dựng dữ liệu tình trạng suy thoái của hệ sinh thái bằng công nghệ viễn thám và GIS ............................................................................................................... 71 2.5. Xếp hạng ưu tiên bảo vệ, phục hồi các hệ sinh thái đất ngập nước ................... 72 2.5.1. Xác định trọng số các tiêu chí đánh giá bằng AHP ........................................ 73 2.5.2. Xếp hạng mức độ ưu tiên bằng phương pháp TOPSIS ................................... 73 2.6. Phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ........................ 76 Tiểu kết Chương 2: .................................................................................................... 76 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM PHÂN VÙNG ƯU TIÊN BẢO VỆ, PHỤC HỒI HỆ SINH THÁI ĐẤT NGẬP NƯỚC KHU VỰC ĐỒNG THÁP MƯỜI .................................. 78 3.1. Tổng quan về khu vực Đồng Tháp Mười ........................................................... 78 3.1.1. Đặc điểm tự nhiên ........................................................................................... 79 3.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ................................................................................ 81 3.1.3. Áp lực tác động lên các vùng đất ngập nước Đồng Tháp Mười ..................... 82 3.1.4. Tổng quan về dữ liệu nghiên cứu .................................................................... 85 3.2. Xác định các mục tiêu, tiêu chí và chỉ tiêu đánh giá phục vụ phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước Đồng Tháp Mười ................................ 88 3.3. Xác định ranh giới hệ sinh thái đất ngập nước Đồng Tháp Mười bằng công nghệ GIS, viễn thám .................................................................................................. 89 3.3.1. Xử lý, ghép cắt ảnh vệ tinh ............................................................................. 89 3.3.2. Xây dựng, chuẩn hóa dữ liệu thành phần cảnh quan Đồng Tháp Mười ......... 91 3.3.3. Chồng xếp, chuẩn hóa dữ liệu tích hợp ........................................................... 96 3.3.4. Phân loại cảnh quan ........................................................................................ 96 3.3.5. Xác định ranh giới hệ sinh thái đất ngập nước khu vực Đồng Tháp Mười .... 98 3.4. Xây dựng dữ liệu theo các tiêu chí lựa chọn đánh giá mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước Đồng Tháp Mười .......................................... 102 3.4.1. Xây dựng dữ liệu dịch vụ hệ sinh thái đất ngập nước bằng công nghệ viễn thám và GIS ............................................................................................................. 102 3.4.2. Xây dựng các lớp dữ liệu áp lực rủi ro lên hệ sinh thái đất ngập nước Đồng Tháp Mười ............................................................................................................... 103 3.4.3. Xây dựng các lớp dữ liệu tình trạng suy thoái của hệ sinh thái đất ngập nước Đồng Tháp Mười ..................................................................................................... 106 3.4.4. Tích hợp dữ liệu phục vụ đánh giá mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước khu vực Đồng Tháp Mười ........................................................ 108 3.5. Phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước khu vực Đồng Tháp Mười ............................................................................................................... 109 3.5.1. Phân vùng ưu tiên bảo vệ hệ sinh thái đất ngập nước ................................... 109 3.5.2. Phân vùng ưu tiên phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước ............................... 115 3.6. Kiểm chứng kết quả thành lập bản đồ phân vùng ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước Đồng Tháp Mười .............................................................. 117 3.7. Đề xuất giải pháp bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước Đồng Tháp Mười ... 120 Tiểu kết Chương 3:.................................................................................................. 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ......................................................................................... 125 CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .................................................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 126 PHỤ LỤC ..................................................................................................................................... 142 Phụ lục 1. Các phương pháp, chỉ số, dữ liệu được trích xuất dựa trên ảnh viễn thám phục vụ xây dựng dữ liệu khả năng, áp lực rủi ro lên dịch vụ hệ sinh thái đất ngập nước ......................................................................................................................... 143 Phụ lục 2. Các phương pháp, chỉ số, dữ liệu được trích xuất dựa trên ảnh viễn thám phục vụ xây dựng dữ liệu mức độ suy thoái dịch vụ hệ sinh thái đất ngập nước ... 170 Phụ lục 3. Bảng chú giải phân loại cảnh quan khu vực Đồng Tháp Mười ............. 180 Phụ lục 4. Mẫu phiếu cho điểm mức độ quan trọng tương đối giữa các cặp chỉ tiêu đánh giá mức độ ưu tiên bảo vệ, phục hồi hệ sinh thái đất ngập nước khu vực Đồng Tháp Mười ............................................................................................................... 185 Phụ lục 5. Một số hình ảnh các khu đất ngập nước Đồng Tháp Mười ................... 196 i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Tiếng nước ngoài Tiếng Việt 1 AHP Analytic Hierarchy Process Phương pháp phân tích thứ bậc 2 ANP Analytical Network Process Phân tích mạng lưới 3 ARVI Atmospherically Resistant Vegetation Index Chỉ số thực vật kháng khí quyển 4 BUi Built-Up Index Chỉ số xây dựng 5 CCC Canopy Chlorophyll Content Hàm lượng diệp lục trong tán lá cây 6 Chl-a Chlorophyll a Concentration Nồng độ chất diệp lục a 7 CI Consistency Index Chỉ số nhất quán 8 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học 9 CP Compromise Programming Lập trình thỏa dụng (CP) 10 CR Consistency Ratio Tỷ số nhất quán 11 CSDLĐL Cơ sở dữ liệu địa lý 12 CT Chỉ tiêu 13 DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao 14 ĐNN Đất ngập nước 15 DO Dissolved Oxygen Lượng oxy hoà tan trong nước 16 DPSIR Driver - Pressure - State - Impact - Response Khung đánh giá Động lực - Áp lực - Hiện trạng/Trạng thái - Tác động - Phản hồi/Đáp ứng. 17 DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt 18 DSS Decision Support System Hệ hỗ trợ ra quyết định 19 EDVI Emissivity Difference Vegetation Index Chỉ số thực vật khác biệt phát xạ 20 ELECTRE ELimination Et Choice Translating REality Phương pháp phân tích quyết định đa tiêu chí ELECTRE 21 ESI Evaporative Stress Index Chỉ số áp lực bốc hơi 22 ETI Evapotranspiration Index Chỉ số thoát hơi nước 23 EVI Enhanced Vegetation Index Chỉ số thực vật tăng cường 24 F-AHP Fuzzy Analytic Hierarchy Process Phương pháp phân tích thứ bậc mờ 25 F-ANP Fuzzy Analytical Network Process Phương pháp phân tích mạng lưới mờ 26 FCE Fuzzy Comprehensive Phương pháp đánh giá ii Evaluation toàn diện mờ 27 F-MAA Fuzzy Multiple Attribute Analysis Phân tích đa thuộc tính mờ 28 F-TOPSIS Fuzzy - Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution Phương pháp TOPSIS mờ 29 FVC Fractional Vegetation Cover Tỷ số bao phủ thực vật 30 GIS Geographical Information System Hệ thống thông tin địa lý 31 GPP Gross Primary Productivity Tổng năng suất sơ cấp 32 HST Hệ sinh thái 33 HST ĐNN Hệ sinh thái đất ngập nước 34 KV Khu vực 35 LAI Leaf Area Index Chỉ số diện tích lá 36 Landsat ETM+ Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus Vệ tinh Landsat ETM+ 37 LANDSAT MSS Landsat Multispectral Scanner System Vệ tinh LANDSAT MSS 38 LANDSAT TM Landsat Thematic Mapper Vệ tinh LANDSAT TM (LANDSAT 4, 5) 39 LG Lời giải 40 LiDAR Light Detection And Ranging/Light Imaging, Detection, And Ranging Thiết bị đo khoảng cách bằng ánh sáng và đo xung phản xạ bằng laser 41 LULC Land use/Land cover Sử dụng đất/Lớp phủ đất 42 MCDA Multiple Criteria Decision Analysis Phân tích quyết định đa tiêu chí 43 MEW Multiplicative Exponential Weighting Phương pháp trọng số luỹ thừa nhân (MEW) 44 MFA Material Flow Analysis Phương pháp phân tích dòng nguyên vật liệu 45 MNDWI Modified Normalized Difference Water Index Chỉ số nước khác biệt chuẩn hoá hiệu chỉnh 46 MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Vệ tinh chụp ảnh phổ độ phân giải trung bình 47 MSAVI Modified Soil Adjusted Vegetation Index Chỉ số thực vật thực vật hiệu chỉnh phản xạ mặt đất hiệu chỉnh 48 MUPOM MUlti-criteria multi-Period Outranking Method Phương pháp phân tích đa tiêu chí MUPOM 49 NBR Normalized Burn Ratio Tỷ số cháy chuẩn hoá 50 NDBI Normalized Difference Built-up Chỉ số xây dựng khác iii Index biệt chuẩn hoá 51 NDII Normalized Difference Infrared Index Chỉ số hồng ngoại khác biệt chuẩn hoá 52 NDMI Normalized Difference Moisture Index Chỉ số độ ẩm khác biệt chuẩn hoá 53 NDSI Normalized Difference Salinity Index Chỉ số độ mặn khác biệt chuẩn hoá 54 NDTI Normalized Difference Turbidity Index Chỉ số độ đục khác biệt chuẩn hoá 55 NDVI Normalized Difference Vegetation Index Chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hoá 56 NDWI Normalized Difference Water Index Chỉ số nước khác biệt chuẩn hoá (Chỉ số độ ẩm NDWI) 57 NPV Non-Photosynthetic Vegetation Chỉ số thực vật không quang hợp 58 OLI Operational Land Imager Cảm biến chụp ảnh hoạt động mặt đất trong dải nhìn thấy, cận hồng hoại, hồng ngoại sóng ngắn của Landsat 8 59 PALSAR Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar Radar độ mở tổng hợp kênh L dạng ma trận pha 60 PAM Process Analysis Model Phương pháp phân tích quá trình 61 PCA Principal Component Analysis Phương pháp phân tích thành phần chính 62 PCTVI Precipitation-Corrected Transformed Vegetation Index Chỉ số thực vật biến đổi theo lượng mưa 63 PRA Participatory Rapid Appraisal / Participatory Rapid Assessment Đánh giá nhanh có sự tham gia 64 PVI Precipitation-Vegetation Index 65 RI Random Index Chỉ số ngẫu nhiên 66 RIS Ramsar Information Sheet Bản kê khai thông tin Ramsar 67 RVI Ratio Vegetation Index Chỉ số tỷ số thực vật 68 SAR Synthetic Aperture Radar Radar độ mở tổng hợp 69 SAVI Soil-Adjusted Vegetation Index Chỉ số thực vật hiệu chỉnh phản xạ mặt đất 70 SAW Simple Additive Weighting Phương pháp trọng số phụ giản đơn (SAW) 71 SMI Soil Moisture Index Chỉ số độ ẩm đất 72 SPEI Standardized Precipitation Chỉ số thoát hơi nước iv Evapotranspiration Index lượng mưa chuẩn hoá 73 SPI Standardized Precipitation Index Chỉ số lượng mưa chuẩn hoá 74 SPOT Satellite Pour l’Observation de la Terre Vệ tinh quan sát Trái Đất 75 SST Sea Surface Temperatures Nhiệt độ bề mặt biển 76 SWOT Strength - Weaknesses - Opportunities - Threats Phân tích điểm Mạnh - Yếu - Cơ hội - Mối đe dọa 77 TIRS Thermal Infrared