Abstract: This paper presents the recent results in estimating biomass of the canopy of leaves in Cat Tien National Park, Lam Dong Province using ALOS AVNIR 2 image. Three vegetation index were shown, including The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), the Leaf Area Index (LAI) and the fraction of Absorbed Photosynthetiaclly Active Radiation (fAPAR). Hence, estimating biomass of the canopy of leaves was calculated through LAI. Experimental analyses show that there is the strong relationship between NDVI, LAI and fAPAR, in which NDVI plays an important role for estimating biomass of the canopy of leaves.
Keywords: NDVI, LAI, fAPAR, ALOS, GIS.
Keywords: NDVI, LAI, fAPAR, ALOS, GIS.
1. GIỚI THIỆU
Nhằm hỗ trợ việc tính toán sinh khối rừng một cách nhanh chóng và kịp thời, nhiều quốc gia trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tính toán trữ lượng sinh khối của thảm thực vật dựa trên ảnh viễn thám như Landsat, SPOT, AVHRR NOAA, ALOS,… Có rất nhiều phương pháp ước tính sinh khối từ các ảnh vệ tinh thông qua các giá trị như hệ số bức xạ, hệ số phản xạ, chỉ số chuẩn hóa các thực vật khác nhau (The Normalized Difference Vegetation Index – NDVI), chỉ số diện tích bề mặt lá (Leaf Area Index – LAI), hệ số bức xạ của hoạt động quang hợp (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – fAPAR). NDVI được tính toán dựa trên sự khác biệt phản xạ ánh sáng cận hồng ngoại và ánh sáng đỏ trên đối với thực vật. Do lá cây phản xạ mạnh với bức xạ cận hồng ngoại, trong khi chlorophyl của lá cây hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ của bức xạ trong vùng nhìn thấy. NDVI thường được sử dụng để ước tính năng suất sơ cấp cũng như sinh khối của thực vật. cũng như giám sát rừng và cây trồng. Giá trị của NDVI (từ -1 đến 1) càng cao thể hiện hoạt động quang hợp càng mạnh (Rouse et al., 1973; Gamon et al., 1995; di Bella et al., 2004) [2] LAI (Leaf Area Index) là tỉ số giữa diện tích bề mặt lá của tán cây với diện tích bề mặt đất mà cây phát triển tại đó. LAI là chìa khóa cho cấu trúc đặc trưng của thảm thực vật và có mối quan hệ chặt chẽ với hoạt động quang hợp, sự bốc hơi nước, năng suất và điều kiện của thảm thực vật (Serrano et al., 2000). LAI có thể được sử dụng để ước tính sinh khối, động thái của thảm thực vật hay dự báo mùa vụ (Spanner et al., 1994; Haboudance et al., 2004). Chỉ số (từ 0 đến 6) càng thấp thì thảm thực vật phát triển không tốt [2]. fAPAR (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – fAPAR) là phần bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi thực vật thông qua quá trình quang hợp. Do đó, fAPAR có mối quan hệ chặt chẽ với năng suất và sản lượng sơ cấp thuần. Với chỉ số này điều kiện của cây trồng có thể được đo lường. Giá trị fAPAR từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100%.
Nhằm hỗ trợ việc tính toán sinh khối rừng một cách nhanh chóng và kịp thời, nhiều quốc gia trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tính toán trữ lượng sinh khối của thảm thực vật dựa trên ảnh viễn thám như Landsat, SPOT, AVHRR NOAA, ALOS,… Có rất nhiều phương pháp ước tính sinh khối từ các ảnh vệ tinh thông qua các giá trị như hệ số bức xạ, hệ số phản xạ, chỉ số chuẩn hóa các thực vật khác nhau (The Normalized Difference Vegetation Index – NDVI), chỉ số diện tích bề mặt lá (Leaf Area Index – LAI), hệ số bức xạ của hoạt động quang hợp (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – fAPAR). NDVI được tính toán dựa trên sự khác biệt phản xạ ánh sáng cận hồng ngoại và ánh sáng đỏ trên đối với thực vật. Do lá cây phản xạ mạnh với bức xạ cận hồng ngoại, trong khi chlorophyl của lá cây hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ của bức xạ trong vùng nhìn thấy. NDVI thường được sử dụng để ước tính năng suất sơ cấp cũng như sinh khối của thực vật. cũng như giám sát rừng và cây trồng. Giá trị của NDVI (từ -1 đến 1) càng cao thể hiện hoạt động quang hợp càng mạnh (Rouse et al., 1973; Gamon et al., 1995; di Bella et al., 2004) [2] LAI (Leaf Area Index) là tỉ số giữa diện tích bề mặt lá của tán cây với diện tích bề mặt đất mà cây phát triển tại đó. LAI là chìa khóa cho cấu trúc đặc trưng của thảm thực vật và có mối quan hệ chặt chẽ với hoạt động quang hợp, sự bốc hơi nước, năng suất và điều kiện của thảm thực vật (Serrano et al., 2000). LAI có thể được sử dụng để ước tính sinh khối, động thái của thảm thực vật hay dự báo mùa vụ (Spanner et al., 1994; Haboudance et al., 2004). Chỉ số (từ 0 đến 6) càng thấp thì thảm thực vật phát triển không tốt [2]. fAPAR (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – fAPAR) là phần bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi thực vật thông qua quá trình quang hợp. Do đó, fAPAR có mối quan hệ chặt chẽ với năng suất và sản lượng sơ cấp thuần. Với chỉ số này điều kiện của cây trồng có thể được đo lường. Giá trị fAPAR từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100%.
Vườn Quốc gia Cát Tiên được biết đến có hệ sinh thái thảm thực vật phong phú, đa dạng. Do địa hình phức tạp nên việc tính toán sinh khối bằng phương pháp thủ công mất khá nhiều thời gian và công sức. Bài báo đề xuất giải pháp sử dụng ảnh vệ tinh ALOS AVNIR-2 có độ phân giải không gian 10m để tính toán các chỉ số liên quan đến sinh khối.
2. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Các bước tiến hành ước tính sinh khối bề mặt tán rừng dựa trên các chỉ số được tiến hành theo sơ đồ sau:
Vệ tinh ALOS có 3 bộ phận cảm biến gồm: Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping (PRISM) có thể dùng để thành lập bản đồ chuyên đề; cảm biến Advanced Visible and Near Infrared Radiometer type 2 (AVNIR-2) dùng cho mục đích giám sát sự che phủ mặt đất, và cảm biến Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar (PALSAR) dùng để theo dõi thời tiết.
Ảnh ALOS AVNIR-2 thu nhận trên khu vực rừng Quốc gia Cát Tiên ngày 28/2/2009 có độ phân giải không gian là 10m, gồm 3 kênh ảnh nằm trong vùng khả kiến (kênh 1, 2 và 3) và kênh 4 có bước sóng thuộc vùng hồng ngoại. Đặc trưng của vườn Quốc gia Cát Tiên là rừng đất thấp ẩm ướt nhiệt đới, do vậy số lượng các loài thực vật trong khu vực này khá phong phú và đã hình thành các kiểu rừng khác nhau trong khu vực như: Rừng lá rộng thường xanh; Rừng lá rộng thường xanh nửa rụng lá; Rừng hỗn giao gỗ, tre nứa; Rừng tre nứa; Thảm thực vật đầm lầy [3]. Phạm vi nghiên cứu chỉ tiến hành trên địa bàn huyện Cát Tiên thuộc tỉnh Lâm Đồng có diện tích bao phủ khoảng 25.000 ha.
Ước tính sinh khối bề mặt tán rừng sử dụng ảnh vệ tinh ALOS AVNIR-2 được thực hiện dựa vào kênh ảnh có bước sóng ở vùng cận hồng ngoại (kênh 4) và kênh ảnh ở vùng ánh sáng màu đỏ (kênh 3) để tại chỉ số NDVI, từ giá trị này sẽ xác định được độ che phủ của tán rừng thông qua giá trị LAI (chỉ số diện tích bề mặt lá) và đánh giá hiệu suất của hoạt động quang hợp, tức là đánh giá khả năng tạo sinh khối của rừng thông qua giá trị fAPAR – bức xạ được hấp thụ cho hoạt động quang hợp tạo sinh khối của cây.
Ước tính sinh khối bề mặt tán rừng sử dụng ảnh vệ tinh ALOS AVNIR-2 được thực hiện dựa vào kênh ảnh có bước sóng ở vùng cận hồng ngoại (kênh 4) và kênh ảnh ở vùng ánh sáng màu đỏ (kênh 3) để tại chỉ số NDVI, từ giá trị này sẽ xác định được độ che phủ của tán rừng thông qua giá trị LAI (chỉ số diện tích bề mặt lá) và đánh giá hiệu suất của hoạt động quang hợp, tức là đánh giá khả năng tạo sinh khối của rừng thông qua giá trị fAPAR – bức xạ được hấp thụ cho hoạt động quang hợp tạo sinh khối của cây.
2.1. Hiệu chỉnh ảnh
Bức xạ Mặt Trời truyền qua khí quyển ảnh hưởng đến các điều kiện khí tượng bằng sựtruyền năng lượng vào không khí và trái đất. Ở bước tiền xử lý ảnh, việc hiệu chỉnh bức xạ là một điều cần thiết để chuyển đổi giá trị số của phần tử ảnh (DN- Digital number) không đơn vị sang giá trị thực của bức xạ (B λ ) với đơn vị là Wm -2 µm -1 .
Bức xạ Mặt Trời truyền qua khí quyển ảnh hưởng đến các điều kiện khí tượng bằng sựtruyền năng lượng vào không khí và trái đất. Ở bước tiền xử lý ảnh, việc hiệu chỉnh bức xạ là một điều cần thiết để chuyển đổi giá trị số của phần tử ảnh (DN- Digital number) không đơn vị sang giá trị thực của bức xạ (B λ ) với đơn vị là Wm -2 µm -1 .
2.3. Tính chỉ số LAI
NDVI và LAI có mối quan hệ tuyến tính thể hiện bởi phương trình:
LAI = a* NDVI + b (4)
Trong đó, a và b là 2 hệ số cần được xác định dựa vào giá trị NDVI đã tính ở trên.
NDVI và LAI có mối quan hệ tuyến tính thể hiện bởi phương trình:
LAI = a* NDVI + b (4)
Trong đó, a và b là 2 hệ số cần được xác định dựa vào giá trị NDVI đã tính ở trên.
Chỉ số LAI sử dụng trong đánh giá thảm thực vật của vườn Quốc gia Cát Tiên được thiết lập theo 2 hệ số đã được xác định, với a= 5.9374 và b= 1,4184
Giá trị LAI thường nằm trong khoảng (0 đến 6), giá trị 0 tương ứng vùng đất trống và 6 đối với vùng có cây cối rậm rạp.
Giá trị LAI thường nằm trong khoảng (0 đến 6), giá trị 0 tương ứng vùng đất trống và 6 đối với vùng có cây cối rậm rạp.
2.4. Tính chỉ số fAPAR
Theo kết quả nghiên cứu đề tài “ ước tính năng suất sơ cấp nguyên (NPP) dựa trên sản lượng nông nghiệp của các nước ở Châu Á sử dụng dữ liệu viễn thám và GIS”(1999) của Ochi, S.; Shibasaki, R., cho thấy mối quan hệ giữa NDVI, fAPAR được thể hiện qua phương trình (5) và phương trình này được áp dụng chung cho các nước trong khu vực Đông Nam Á [1]:
Theo kết quả nghiên cứu đề tài “ ước tính năng suất sơ cấp nguyên (NPP) dựa trên sản lượng nông nghiệp của các nước ở Châu Á sử dụng dữ liệu viễn thám và GIS”(1999) của Ochi, S.; Shibasaki, R., cho thấy mối quan hệ giữa NDVI, fAPAR được thể hiện qua phương trình (5) và phương trình này được áp dụng chung cho các nước trong khu vực Đông Nam Á [1]:
fAPAR = -0,08 + 1,075 * NDVI (5)
trong đó, các hệ số a = -0,08 và b= 1,075 là những hệ số thực nghiệm Áp dụng các hệ số này cho trường hợp tính chỉ số fAPAR của vườn Quốc gia Cát Tiên có kết quả như sau:
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Kết quả thống kê chỉ số NDVI đối với Vườn Quốc gia Cát Tiên cho thấy, giá trị trung bình khá cao (NDVI mean = 0,45).
- 63,3 % diện tích khu vực có cây rừng ở điều kiện phát triển tốt (NDVI: 0,5 ÷ 0,8).
- 19,7% diện tích có thực vật phát triển ở trạng thái trung bình (NDVI: 0,3 ÷ 0,4);
- Chỉ có một diện tích rất nhỏ (khoảng 1%) có giá trị NDVI < 0 – đây chủ yếu là vùng
đất đô thị, hồ nước, đất trống.
Giá trị NDVI càng cao (gần với giá trị 1) thì lượng cholorophyll chứa đựng bên trong lá càng lớn, hoạt động quang hợp của cây càng mạnh và tình trạng cây trồng phát triển tốt. Kết quả phân loại giá trị NDVI và xác định diện tích rừng tương ứng như sau:
1. Kết quả thống kê chỉ số NDVI đối với Vườn Quốc gia Cát Tiên cho thấy, giá trị trung bình khá cao (NDVI mean = 0,45).
- 63,3 % diện tích khu vực có cây rừng ở điều kiện phát triển tốt (NDVI: 0,5 ÷ 0,8).
- 19,7% diện tích có thực vật phát triển ở trạng thái trung bình (NDVI: 0,3 ÷ 0,4);
- Chỉ có một diện tích rất nhỏ (khoảng 1%) có giá trị NDVI < 0 – đây chủ yếu là vùng
đất đô thị, hồ nước, đất trống.
Giá trị NDVI càng cao (gần với giá trị 1) thì lượng cholorophyll chứa đựng bên trong lá càng lớn, hoạt động quang hợp của cây càng mạnh và tình trạng cây trồng phát triển tốt. Kết quả phân loại giá trị NDVI và xác định diện tích rừng tương ứng như sau:
2. Ước tính sinh khối trên bề mặt tán rừng sử dụng ảnh ALOS cho trường hợp Vườn
Quốc gia Cát Tiên đã được thực hiện thông qua các giá trị LAI. Kết quả phân tích thống kê cho thấy giá trị trung bình của LAI là 4, có nghĩa là 1 m 2 mặt đất được che phủ bởi 4 m 2 bề mặt lá. Giá trị tối đa LAI thu được là 6 và giá trị tối thiểu là 0.
- Giá trị LAI nhỏ nhất được xác định là các vị trí hồ nước và vùng đất trống chiếm 0,9%
diện tích khu vực nghiên cứu (giá trị LAI 0,0 ÷ 1,4).
- 55% diện tích trên khu vực có giá trị LAI nằm trong khoảng 4,5 ÷ 6,0. Đây là những
khu vực được che phủ bởi một thảm thực vật rậm rạp với lượng sinh khối lớn (rừng tự nhiên). Kết quả phân loại giá trị LAI và xác định diện tích cho mỗi loại được thể hiện như sau:
Quốc gia Cát Tiên đã được thực hiện thông qua các giá trị LAI. Kết quả phân tích thống kê cho thấy giá trị trung bình của LAI là 4, có nghĩa là 1 m 2 mặt đất được che phủ bởi 4 m 2 bề mặt lá. Giá trị tối đa LAI thu được là 6 và giá trị tối thiểu là 0.
- Giá trị LAI nhỏ nhất được xác định là các vị trí hồ nước và vùng đất trống chiếm 0,9%
diện tích khu vực nghiên cứu (giá trị LAI 0,0 ÷ 1,4).
- 55% diện tích trên khu vực có giá trị LAI nằm trong khoảng 4,5 ÷ 6,0. Đây là những
khu vực được che phủ bởi một thảm thực vật rậm rạp với lượng sinh khối lớn (rừng tự nhiên). Kết quả phân loại giá trị LAI và xác định diện tích cho mỗi loại được thể hiện như sau:
3. Kết quả thống kê cho thấy giá trị bức xạ được hấp thụ cho hoạt động quang hợp
(fAPAR) trung bình cho toàn khu vực nghiên cứu là 0,4, có nghĩa là 40% bức xạ mặt trời trong vùng ánh sáng nhìn thấy được sử dụng để tạo sinh khối. Hiện tại Vườn Quốc gia Cát Tiên có 55% diện tích vùng nghiên cứu có giá trị fAPAR > 0,5.
(fAPAR) trung bình cho toàn khu vực nghiên cứu là 0,4, có nghĩa là 40% bức xạ mặt trời trong vùng ánh sáng nhìn thấy được sử dụng để tạo sinh khối. Hiện tại Vườn Quốc gia Cát Tiên có 55% diện tích vùng nghiên cứu có giá trị fAPAR > 0,5.
4. Mối quan hệ giữa các chỉ số NDVI-LAI và NDVI-fAPAR được thể hiện bởi đồ thị ở
hình 6. Sự tương quan cao giữa 3 chỉ số cho thấy sự tăng lên của diện tích bề mặt lá, phần năng lượng được hấp thu bởi hoạt động quang hợp cũng tăng theo. Do đó, việc thành lập bản đồ chỉ số NDVI từ ảnh vệ tinh đã tạo ra giải pháp hiệu quả trong ước tính sinh khối rừng.
hình 6. Sự tương quan cao giữa 3 chỉ số cho thấy sự tăng lên của diện tích bề mặt lá, phần năng lượng được hấp thu bởi hoạt động quang hợp cũng tăng theo. Do đó, việc thành lập bản đồ chỉ số NDVI từ ảnh vệ tinh đã tạo ra giải pháp hiệu quả trong ước tính sinh khối rừng.
4. KẾT LUẬN
Kết quả đạt được bước đầu trong ước tính sinh khối trên bề mặt tán rừng sử dụng ảnh ALOS AVNIR – 2 cho trường hợp Vườn Quốc gia Cát Tiên đã góp phần làm rõ cơ sở lý thuyết từ các tính toán thực nghiệm trên ảnh, nhằm đề xuất giải pháp hiệu quả trong việc giám sát thảm phủ thực vật. Tuy nhiên, để tính được sinh khối tổng thể của rừng cần có những nghiên cứu tiếp tục trong việc tính thể tích rừng cũng như chiều cao cây tương ứng cho từng khu vực. Ngoài ra, sự chưa phù hợp về con số trong việc ước tính diện tích rừng tạo ra từ ảnh vệ tinh và thống kê
rừng truyền thống (do vấn đề xác định khu vực rừng) cũng cần được giải quyết từ dữ liệu bổ trợ bởi GIS. Ảnh vệ tinh ALOS AVNIR – 2 có giá thành thấp, nhưng cung cấp chỉ số NDVI khá phù hợp thực tế cho phép tính các chỉ số LAI và fAPAR rất thuận lợi, mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả ảnh trong giám sát thảm phủ thực vật cho các khu vực rừng của Việt Nam rất nhanh và chính xác.
Kết quả đạt được bước đầu trong ước tính sinh khối trên bề mặt tán rừng sử dụng ảnh ALOS AVNIR – 2 cho trường hợp Vườn Quốc gia Cát Tiên đã góp phần làm rõ cơ sở lý thuyết từ các tính toán thực nghiệm trên ảnh, nhằm đề xuất giải pháp hiệu quả trong việc giám sát thảm phủ thực vật. Tuy nhiên, để tính được sinh khối tổng thể của rừng cần có những nghiên cứu tiếp tục trong việc tính thể tích rừng cũng như chiều cao cây tương ứng cho từng khu vực. Ngoài ra, sự chưa phù hợp về con số trong việc ước tính diện tích rừng tạo ra từ ảnh vệ tinh và thống kê
rừng truyền thống (do vấn đề xác định khu vực rừng) cũng cần được giải quyết từ dữ liệu bổ trợ bởi GIS. Ảnh vệ tinh ALOS AVNIR – 2 có giá thành thấp, nhưng cung cấp chỉ số NDVI khá phù hợp thực tế cho phép tính các chỉ số LAI và fAPAR rất thuận lợi, mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả ảnh trong giám sát thảm phủ thực vật cho các khu vực rừng của Việt Nam rất nhanh và chính xác.
Bùi Nguyễn Lâm Hà [1], Lê Văn Trung [2], Bùi Thị Nga [1]
[1]: Khoa Môi trường, Trường Đại học Đà Lạt
[2]: Khoa Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM
Tải bài nghiên cứu đầu đủ: DOWNLOAD
