Việc bảo vệ và phát triển rừng có ý nghĩa quan trọng trong sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia cũng như toàn thế giới. Rừng không chỉ giúp giảm nhẹ biến đổi khí hậu mà còn duy trì sự tuần hoàn của nước, giảm nhẹ thiên tai. Một số giải pháp được áp dụng để bảo vệ rừng là sử dụng dữ liệu viễn thám quang học vào công tác điều tra, quản lý rừng. Tuy nhiên phương pháp này gặp phải hạn chế là dữ liệu phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Để khắc phục hạn chế nêu trên, hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dữ liệu viễn thám siêu cao tần hay còn gọi là viễn thám radar xác định sinh khối rừng, quản lý và bảo vệ rừng do dữ liệu radar không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.
Sinh khối rừng là gì?
Sinh khối rừng là lượng vật chất hữu cơ được lưu trữ trong cây và các thảm thực vật khác. Đây là một chỉ số quan trọng về sức khỏe rừng, quá trình cô lập carbon và đa dạng sinh học. Ước tính sinh khối rừng một cách chính xác và hiệu quả là một thách thức chính đối với các ứng dụng viễn thám. Khi xác định sinh khối rừng ngày càng được quan tâm thì việc ứng dụng radar xác định sinh khối rừng đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây.
Tổng quan rừng Việt Nam
Hệ sinh thái rừng Việt Nam hết sức phong phú, với khoảng 11.373 loài thực vật thuộc 2524 chi và 378 họ. Căn cứ vào quan điểm sinh thái phát sinh quần thể thực vật để phân loại thảm thực vật rừng, Việt Nam được chia làm 5 nhóm kiểu rừng chính gồm có: các kiểu rừng kín vùng thấp; các kiểu rừng thưa; các kiểu trảng truông; các kiểu rừng kín vùng cao; các kiểu quần hệ khô lạnh vùng cao. Các nhà thực vật học dự đoán con số loài thực vật ở nước ta còn có thể lên đến 15.000 loài. Rừng nước ta có biến động rất lớn trong những năm gần đây với 14,3 triệu ha rừng, độ che phủ là 43% năm 1943 giảm xuống còn 9,18 6 triệu ha, độ che phủ rừng 27,2% năm 1990 và tăng lên 13.258.843 ha với độ che phủ đạt 38% năm 2009.
Hoạt động của viễn thám Radar
Viễn thám radar là phương pháp viễn thám chủ động hoạt động trong dải siêu cao tần của quang phổ sóng điện từ. Dải tần số mà radar hoạt động thường nằm trong khoảng từ 1 GHz đến 40 GHz. Hệ thống viễn thám radar chủ động phát đi các tín hiệu dưới dạng xung điện từ và ghi lại phần năng lượng phản xạ (tán xạ ngược) của tín hiệu đó sau khi tương tác với các đối tượng bề mặt. Các thông số có ý nghĩa quan trọng khi hệ thống radar khi tương tác với thực vật gồm chiều dài bước sóng, phân cực và góc tới.
- Chiều dài bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh của dao động sóng hình sin. Sóng radar có bước sóng ngắn như kênh X và kênh C khó có thể xuyên sâu vào trong vòm là của tán cây rừng dày đặc trái lại sóng radar có bước sóng dài như kênh L hay kênh P thì có thể xuyên sâu vào trong vòm lá hơn.
- Phân cực của sóng là hướng của trường điện của sóng điện từ truyền và nhận bởi ăng ten. Khi sóng radar tương tác với lớp phủ thực vật có thể đi sâu vào trong vòm lá và bị phân cực bởi các thành phần của vòm lá và phản xạ theo nhiều hướng khác nhau, quá trình này thường được gọi là tán xạ khối. Khi tương tác với thực vật, phân cực của sóng thay đổi, giúp xác định các đặc điểm của thực vật và cấu trúc của tán cây.
- Góc tới là góc giữa tia tới và bề mặt trái đất. Góc này phụ thuộc vào độ cao của anten và tăng dần theo khoảng cách từ điểm đáy ảnh tới địa vật hay phụ thuộc vào cấu hình chụp ảnh. Với góc tới nhỏ (tức là góc giữa tia tới và bề mặt nhỏ), sóng radar có thể xuyên sâu hơn vào tán cây, trong khi đó cường độ tán xạ ngược có chiều hướng tỷ lệ nghịch với sự tăng lên của góc tới.
Một trong những lợi thế chính khi sử dụng radar xác định sinh khối rừng là nó có thể cung cấp độ phân giải không gian cao và phạm vi phủ sóng lớn. Viễn thám Radar có thể theo dõi sự nhất quán và thay đổi thường xuyên của rừng, ước tính được cấu trúc rừng, chẳng hạn như chiều cao cây, đường kính và hình dạng tán cây, những yếu tố cần thiết cho tính toán sinh khối rừng.
Tuy nhiên, sử dụng radar xác định sinh khối rừng cũng đặt ra một số thách thức. Một trong số đó là tính phức tạp và khả năng thay đổi của tín hiệu radar. Khi sóng radar tương tác với tán cây rừng, chúng có thể bị tán xạ nhiều lần bởi các thành phần như lá, cành, và thân cây. Quá trình tán xạ phức tạp này làm giảm độ chính xác trong việc ước tính sinh khối. Ở các khu rừng có sinh khối lớn, tín hiệu radar có thể bị bão hòa, đặc biệt với các dải tần ngắn như X-band hoặc C-band. Điều này có nghĩa là radar không thể phân biệt được sự gia tăng thêm của sinh khối sau một ngưỡng nhất định.
Các nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp và kỹ thuật tiên tiến để vượt qua những thách thức trong việc sử dụng radar xác định sinh khối rừng. Một trong số đó là các mô hình thực nghiệm, dựa trên mối quan hệ thống kê giữa dữ liệu radar và các phép đo thực địa. Những mô hình này thường đơn giản và hiệu quả, nhưng yêu cầu một lượng lớn dữ liệu để hiệu chuẩn và có thể không áp dụng được cho các khu vực hoặc điều kiện môi trường khác nhau.
Ngoài ra, còn có các phương pháp dựa trên mô hình vật lý, sử dụng các phương trình lý thuyết để mô phỏng các cơ chế tán xạ radar. Các mô hình vật lý này cung cấp khả năng khái quát tốt hơn và có thể áp dụng rộng rãi hơn, nhưng chúng yêu cầu nhiều tham số và giả định, đôi khi không thể nắm bắt đầy đủ sự phức tạp của môi trường tự nhiên. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu cần có hiểu biết sâu về cả lý thuyết và thực tiễn để tối ưu hóa các mô hình này cho các ứng dụng cụ thể.
Các phương pháp sử dụng Radar xác định sinh khối rừng
Ứng dụng dữ liệu RADAR trong xác định sinh khối rừng tuy không phải là vấn đề mới đối với thế giới, tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới cho đến nay tập trung chủ yếu vào rừng phía bắc (boreal forest) với chủng loài thông. Độ chính xác của dữ liệu radar xác định sinh khối rừng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm trữ lượng rừng, đặc điểm sinh thái, và các điều kiện môi trường. Vì vậy, để áp dụng công nghệ radar trong việc xác định sinh khối rừng tại Việt Nam, cần tiến hành nghiên cứu về cơ sở khoa học, xây dựng phương pháp luận, và thực hiện các thử nghiệm để kiểm chứng. Chỉ khi có nền tảng khoa học vững chắc như vậy mới có thể đưa ra những kết luận chính xác về khả năng ứng dụng của công nghệ này trong điều kiện cụ thể của Việt Nam.
Ứng dụng Radar thành lập bản đồ sinh khối rừng hiện nay được thực hiện bằng hai phương pháp chính đó là phương pháp trực tiếp và gián tiếp. Phương pháp trực tiếp thiết lập mối quan hệ giữa sinh khối và tín hiệu radar phản hồi trên cơ sở cường độ tán xạ ngược (backscatter) hoặc hệ số tương quan (coherence). Với phương pháp gián tiếp, dữ liệu Radar xác định sinh khối rừng dựa trên tham số chiều cao cây kết hợp với phương trình sinh trưởng.
Ứng dụng Radar xác định sinh khối rừng dựa trên cường độ tán xạ
Mối quan hệ giữa tán xạ ngược của sóng siêu cao tần và tổng sinh khối trên mặt đất đã được nghiên cứu tại nhiều khu vực thử nghiệm khác nhau trong nhiều năm qua. Phương pháp này dựa trên cơ sở vật lý đó là sóng radar với bước sóng dài có khả năng xuyên vào sâu trong tán lá và tương tác với các thành phần của cây như lá, cành và thân cây. Tương tác với các thành phần khác nhau của cây với hằng số điện môi tương đối khác nhau sẽ làm thay đổi thuộc tính của tia phản hồi về cường độ và phân cực, những thay đổi này tương quan với thuộc tính của cây hay nói cụ thể hơn là tia phản hồi mang thông tin về sinh khối của cây nhờ đó có thể tính được sinh khối của lớp phủ thực vật trên mặt đất.
Ứng dụng Radar xác định sinh khối rừng dựa trên ảnh tương quan
Viễn thám Radar, đặc biệt là công nghệ SAR (Synthetic Aperture Radar), thông qua kỹ thuật giao thoa SAR (InSAR) đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc ước tính sinh khối rừng.
Kỹ thuật này dựa trên việc thu thập hai ảnh SAR của cùng một khu vực rừng tại hai thời điểm khác nhau, với khoảng thời gian ngắn giữa hai lần chụp. Sự tương quan giữa hai ảnh, hay mức độ giống nhau của chúng, có thể được sử dụng để ước tính các đặc tính vật lý của rừng.
Giả thuyết cơ bản là thực vật có sinh khối lớn, như cây cổ thụ và rừng già, có sự ổn định cao và ít bị tác động của môi trường (gió, mưa) nên giá trị tương quan cao trên ảnh hơn so với thực vật có sinh khối thấp hơn.
Trong thập niên 2000, việc sử dụng cặp ảnh SAR từ vệ tinh ERS-1/2 của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã đem lại những thành công đáng kể trong nghiên cứu sinh khối rừng, đặc biệt ở các khu vực rừng phương Bắc. Với sự phát triển của các vệ tinh radar thế hệ mới như Sentinel-1 của ESA, và các công nghệ xử lý dữ liệu tiên tiến, ứng dụng radar xác định sinh khối rừng sẽ tiếp tục được mở rộng và hoàn thiện, đóng góp quan trọng vào việc quản lý và bảo vệ tài nguyên rừng trên toàn cầu.
Ứng dụng Radar xác định sinh khối rừng dựa trên trị đo pha
Ngoài 2 phương pháp trên thì ước tính sinh khối rừng dựa trên công nghệ Radar còn được thực hiện bằng cách sử dụng trị đo pha của tín hiệu radar. Trị đo pha mang lại những thông tin chi tiết về độ cao và cấu trúc bề mặt, giúp ước tính chính xác sinh khối của rừng. Pha của tín hiệu radar là một đại lượng quan trọng, phản ánh sự khác biệt về khoảng cách giữa radar và các đối tượng trên bề mặt trái đất. Khi radar phát tín hiệu và nhận lại tín hiệu phản hồi, sự khác biệt pha giữa tín hiệu phát và tín hiệu nhận được được gọi là trị đo pha. Bằng cách thu thập hai hoặc nhiều ảnh radar từ cùng một khu vực nhưng ở các thời điểm hoặc góc nhìn khác nhau, kỹ thuật InSAR sử dụng sự khác biệt về pha để tạo ra các bản đồ độ cao chi tiết, phản ánh cấu trúc ba chiều của lớp phủ rừng.
Sinh khối rừng có mối quan hệ chặt chẽ với chiều cao cây và cấu trúc tán cây. Thông qua phân tích trị đo pha và sự khác biệt pha trong các ảnh InSAR, có thể xác định độ cao cây và từ đó ước tính sinh khối rừng. Những thay đổi nhỏ trong trị đo pha có thể cung cấp thông tin về các yếu tố như độ dày của tán cây, mật độ cây cối và các biến số khác liên quan đến sinh khối. Với sự phát triển của các vệ tinh radar thế hệ mới, như TerraSAR-X, TanDEM-X, và các hệ thống radar đa tần số, việc sử dụng trị đo pha trong ước tính sinh khối rừng sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng.
Các bước xác định sinh khối rừng ứng dụng công nghệ viễn thám Radar
Các bước tính sinh khối gồm:
Kiểm định ảnh (calibration)
Thực hiện hiệu chỉnh độ bức xạ và độ nhạy của hệ thống radar để loại bỏ các ảnh hưởng từ sự khác biệt giữa các thiết bị hoặc thay đổi trong môi trường.
Xử lý hình học ảnh
Chuyển đổi các ảnh radar từ hệ tọa độ của vệ tinh sang hệ tọa độ bản đồ, bao gồm việc sửa lỗi hình học do hiệu ứng quét, độ nghiêng của vệ tinh và biến dạng địa hình.
Hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình tới giá trị tán xạ trên ảnh
Sử dụng mô hình số địa hình (DEM) để điều chỉnh giá trị tán xạ radar. Các thuật toán hiệu chỉnh địa hình (terrain correction) được áp dụng để tính toán sự thay đổi trong tín hiệu radar do sự thay đổi độ cao và độ dốc của địa hình, từ đó làm rõ các yếu tố tán xạ thực sự từ lớp phủ rừng.
Đo giá trị tán xạ ngược tại vị trí các ô tiêu chuẩn
Chọn các ô tiêu chuẩn (sample plots) trên hiện trường, nơi các phép đo sinh khối đã được thực hiện. Đo giá trị tán xạ ngược (backscatter) từ các ảnh radar tại các vị trí này để thu thập dữ liệu cần thiết cho việc phân tích và so sánh.
Thiết lập hàm tương quan
Sử dụng dữ liệu tán xạ radar và dữ liệu sinh khối thực địa để phát triển các mô hình thống kê hoặc mô hình hồi quy. Các mô hình này có thể là hàm hồi quy tuyến tính hoặc phi tuyến để thiết lập mối quan hệ chính xác giữa tán xạ radar và sinh khối.
Tính sinh khối
Áp dụng hàm tương quan đã thiết lập để tính toán sinh khối cho toàn bộ khu vực nghiên cứu dựa trên dữ liệu tán xạ radar. Các kết quả này được thể hiện dưới dạng bản đồ sinh khối, cho phép phân tích sinh khối theo không gian.
Đánh giá kết quả
So sánh các kết quả ước tính sinh khối từ radar với dữ liệu thực địa để đánh giá độ chính xác của mô hình. Các chỉ số đánh giá như sai số trung bình bình phương (RMSE), độ chính xác tổng thể, và khả năng khái quát của mô hình được sử dụng để xác định mức độ tin cậy của các ước tính sinh khối. Nếu cần thiết, điều chỉnh mô hình để cải thiện kết quả.
Ứng dụng viễn thám radar xác định sinh khối rừng đã mở ra một hướng đi mới trong quản lý tài nguyên rừng và bảo vệ môi trường. Với khả năng thu thập dữ liệu chính xác và liên tục, công nghệ này không chỉ giúp các nhà khoa học và quản lý rừng có cái nhìn tổng quan về hiện trạng rừng mà còn hỗ trợ dự báo xu hướng thay đổi sinh khối theo thời gian. Điều này là nền tảng quan trọng cho việc hoạch định các chiến lược bảo vệ và phát triển bền vững tài nguyên rừng trong tương lai. Chúng ta cần tiếp tục đầu tư và phát triển công nghệ viễn thám radar để tận dụng hết tiềm năng mà nó mang lại, góp phần bảo vệ lá phổi xanh của hành tinh.
