Luận văn Ứng dụng GIS trong phân cấp xung yếu lưu vực tại xã hiếu huyện Kon Plong- Kon tum

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN KHOA NÔNG LÂM NGHIỆP LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: ỨNG DỤNG GIS TRONG PHÂN CẤP XUNG YẾU LƯU VỰC TẠI XÃ HIẾU HUYỆN KON PLONG TỈNH KON TUM Họ và tên tác giả: Chu Văn Chung Ngành học: Quản Lý Tài Nguyên Rừng và Môi Trường Khóa học: 2003 - 2007 Đăk Lăk, tháng 9 năm 2007 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN KHOA NÔNG LÂM NGHIỆP ii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: ỨNG DỤNG GIS TRONG PHÂN CẤP XUNG YẾU LƯU VỰC TẠI XÃ HIẾU HUYỆN KON PLONG TỈNH KON TUM Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Bảo Huy Họ và tên tác giả: Chu Văn Chung Ngành học: Quản Lý Tài Nguyên Rừng và Môi Trường Khóa học: 2003 - 2007 Đăk Lăk, tháng 9 năm 2007 iii Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này , tôi xin chân thành cảm ơn đến: Quý thầy cô giáo trường Đại Học Tây Nguyên đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt bốn năm học. Các thầy cô trong Khoa Nông Lâm Nghiệp đã giúp cho tôi có được những kiến thức quý báu về nghành nghề của mình cũng như những bài học kinh nghiệm từ thực tế. Tập thể lớp Quản Lý Tài Nguyên Rừng và Môi Trường K2003 đã gắn bó và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Các cán bộ UBND xã Hiếu đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện trong thời gian tôi thu thập số liệu. Bà con trong thôn Vi Chring, đã giúp tôi trong quá trình điều tra rừng. Gia đình và những người thân của tôi đã giúp đỡ tôi về mọi mặt để tôi có được ngày hôm nay. Đặc biệt tôi xin chân thành cám ơn đến PGS.TS Bảo Huy là người đã tận tình quan tâm, giúp đỡ và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn Buôn Ma Thuôt, tháng 9 năm 2007 Sinh viên Chu Văn Chung iv Danh mục từ viết tắt: CGIS : Canadian Geographic Infomational System GIS : Geographical Information System HĐNN : Hội đồng nhân dân HTTTĐL : Hệ thống thông tin địa lý HXLA : Hệ xử lý ảnh UBNN : Ủy ban nhân dân Danh sách bảng biểu: Bảng 5.1. Bảng tổng hợp phân loại trạng thái thực địa và ảnh landsat. .................... 25  Bảng 5.3: Kết quả phân tích hồi quy giữa xói mòn đất với các nhân tố tác động. ... 32  Bảng 5.4. Bảng tổng hợp diện tích các cấp xung yếu trong lưu vực ........................ 40  Biểu 5.5: Số liệu dự báo cấp xung yếu của lưu vực .................................................. 44  Danh sách hình ảnh: Hình 5.1: Bản đồ UTM khu vực nghiên cứu ............................................................ 18  Hình 5.2: Bản đồ địa hình - thuỷ văn khu vực nghiên cứu ....................................... 19  Hình 5.3: Ảnh vệ tinh Landsat TM khu vực nghiên cứu .......................................... 20  Hình 5.4: Bản đồ vector trạng thái giải đoán tự động từ ảnh vệ tinh ........................ 21  Hình 5.12.: Bảng vector và bảng tonghopca3trangthai trên một của sổ ................... 22  Hình 5.13: Phép chọn SQL Select- chọn các điểm điều tra thực tế nằm trong vùng phân loại ảnh landsat ......................................................................................... 23  Hình 5.5: Bản đồ chồng ghép tọa độ trạng thái thực địa với phân loại ảnh vệ tinh .. 24  Hình 5.6: Bản đồ chuyên đề phân cấp trạng thái ...................................................... 26  Hình 5.7: Bản đồ trạng thái rừng và đất rừng của lưu vực ....................................... 27  Hình 5.14: Hộp thoại Update Column ...................................................................... 34  Hình 5.15: Hộp thoại Expression .............................................................................. 35  Hình 5.16: Hộp thoại Create Thematic Map- Step 1 of 3 ......................................... 36  Hình 5.17: Hộp thoại Create Thematic Map- Step 2 of 3 ......................................... 36  Hình 5.18: Hộp thoại Create Thematic Map- Step 3 of 3 ......................................... 36  Hình 5.8: Bản đồ chuyên đề phân cấp xung yếu lưu vực ......................................... 37  Hình 5.9: Bản đồ phân vùng xung yếu lưu vưc ........................................................ 39  Hình 5.19: Hộp thoại New Redistrict Window ......................................................... 40  Hình 5.10: Bản đồ cấp xung yếu hiện tại .................................................................. 42  Hình 5.11: Bản đồ dự báo sự thay đổi cấp xung yếu ................................................ 45  v Mục lục 1  Đặt vấn đề ................................................................................. 1  2  Tổng quan vấn đề nghiên cứu ................................................. 3  2.1  Khái niệm về GIS và viễn thám .......................................................... 3  2.1.1  Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý ................................................. 3  2.1.2  Khái niệm về viễn thám ........................................................................ 4  2.2  Tình hình nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên ......................................................................................... 4  2.3  Tình hình nghiên cứu trong nước về ứng dụng GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên ......................................................................................... 6  3  Đối tượng nghiên cứu ............................................................... 8  3.1  Đối tượng nghiên cứu cụ thể ............................................................... 8  3.2  Đặc điểm khu vực nghiên cứu ............................................................. 8  3.2.1  Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu ................................................ 8  3.2.2  Điều kiện kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu ..................................... 9  4  Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu ................. 13  4.1  Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................... 13  4.1.1  Mục tiêu tổng quát .............................................................................. 13  4.1.2  Mục tiêu cụ thể: .................................................................................. 13  4.2  Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 13  4.3  Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 13  4.3.1  Phương pháp luận và tiếp cận nghiên cứu .......................................... 13  4.3.2  Phương pháp nghiên cứu cụ thể .......................................................... 14  5  Kết quả nghiên cứu và thảo luận .......................................... 17  5.1  Phân loại trạng thái rừng dựa vào ảnh vệ tinh Landsat và công nghệ GIS 17  5.2  Phát hiện mối quan hệ giữa mức độ xói mòn (y) và các nhân tố tác động (xi) ....................................................................................................... 27  Bảng 5.2: Bảng mã hoá các nhân tố sinh thái, nhân tác trong lưu vực ............. 31  5.3  Phân cấp xung yếu phục vụ quản lý lưu vực bằng GIS .................... 33  5.4  Dự báo sự thay đổi cấp xung yếu ...................................................... 41  6  Kết luận và kiến nghị ............................................................. 46  6.1  Kết luận ............................................................................................. 46  6.2  Kiến nghị ........................................................................................... 47  Tài liệu tham khảo ........................................................................ 48  Phụ lục ........................................................................................... 49  Phụ lục 1:Mẫu phiếu nghiên cứu các nhân tố tác động đến môi trường rừng (Xói mòn đất, dòng chảy trong lưu vực) ..................................................... 49  Phụ lục 2: Bảng tổng hợp số liệu điều tra các nhân tố tác động đến xói mòn đất 53  vi Phụ lục 3: Kết quả phân tích hàm quan hệ giữa xói mòn với các nhân tố sinh thái, nhân tác bằng phần mềm Stagraphich plus .................................. 56  Phụ lục 4: Bảng tổng hợp các điểm điều tra trạng thái trên thực địa .......... 58  Phụ lục 5: Dữ liệu của lớp bản đồ vector giải đoán từ ảnh vệ tinh ............. 62  Phụ lục 6: Dữ liệu đối chứng trạng thái hiện trường với phân loại trên ảnh landsat .......................................................................................................... 70  1 1 Đặt vấn đề Giá trị nhiều mặt của rừng đã được đề cập một cách rõ ràng trong một vài thập kỷ qua, rừng không đơn thuần là cung cấp gỗ mà còn lâm sản ngoài gỗ và đặc biệt là các dịch vụ từ rừng như bảo vệ đầu nguồn , các nguồn nước, bảo vệ khí hậu thông qua hấp thụ CO2 … Do vậy quy hoạch, quản lý tài nguyên rừng đòi hỏi phải xuất phát từ việc quản lý tổng hợp và phát huy một cách hài hòa giá trị to lớn, nhiều mặt mà không thể thay thế của rừng. Ngày nay quy hoạch cách quan rừng là một yêu cầu của bất kỳ quốc gia nào. ở cả đô thị lẫn vùng cao, vì để phát triển bền vững con người cần có đầy đủ kiến thức về quan hệ cảch quan, sinh thái và quản lý sử dụng nó theo đúng quy luật [4] Một trong các dịch vụ quan trọng của rừng là bảo vệ đầu nguồn, nguồn nước. Trong mấy chục năm trở lại đây do nạn khai thác và chặt phá rừng bừa bãi, diện tích rừng của nước ta đã giảm sút một cách nghiêm trọng. Kéo theo đó là hàng loạt các nguy cơ về hạn hán, lũ lụt…. Tất cả đều do việc con người không biết sử dụng và khai thác một cách không hợp lý tài nguyên rừng. Trên quan điểm hệ thống, một lưu vực có các thành phần sinh học và vô sinh tương tác nhau và thường gồm một số các hệ sinh thái hay các phần của hệ sinh thái liên kết với nhau thành các dòng vật chất và năng lượng. Trong đó chu trình nước là sự liên kết chính chi phối đến các chức năng của lưu vực. Lưu vực có một số vai trò quan trọng sau: + Cung cấp nước: Đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của con người và phục vụ phát triển kinh tế và xã hội. + Cải thiện chất lượng nước. + Kiểm soát lũ lụt. + Kiểm soát bồi lắng. + Phát triển kinh tế với các công trình thuỷ điện thuỷ lợi. + Bảo tồn đa dạng sinh học. + Bảo tồn sinh cảnh. + Giải trí và du lịch. 2 Rừng được coi là trái tim của các lưu vực vùng cao. Vì thế, quản lý lưu vực cũng đồng nghĩa với việc quản lý tài nguyên rừng đầu nguồn. Do vậy, cần có các biện pháp quản lý rừng tổng hợp và bền vững. Trong mấy năm trở lại đây hạn hán và lũ lụt đã mang đến cho con người biết bao khó khăn. Chúng ta có thể thấy được điều này thông qua các các hiện tượng về bão lũ, mùa khô thiếu nước… mà các phương tiện thông tin đại chúng vẫn đưa tin hàng ngày. Con người vẫn chưa tìm ra được nguyên nhân chính xác gây ra các hiện tượng trên. Nhưng qua nghiên cứu của các nhà khoa học thì nguyên nhân chủ yếu là do sự mất rừng một cách nhanh chóng (cả về số lượng và chất lượng rừng), nhất là các khu rừng đầu nguồn. Để rừng là nơi giữ nước và cung cấp nước cho đời sống và các hoạt động khác của con người. Chúng ta không thể biết bảo vệ mà còn phải biết phát huy, quy hoạch cảnh quan và lưu vực của tài nguyên rừng. Các lưu vực cần được điều tra, khảo sát để tìm ra các nhân tố tác động đến chất lượng của lưu vực. Mặt khác trong việc sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên và quản lý xã hội, mỗi phương pháp áp dụng đòi hỏi phải có sự phân tích các nhân tố tự nhiên và kinh tế xã hội. Các số liệu này nhìn chung thường ở dạng bản đồ, ảnh các văn bản lưu trữ, các số liệu thống kê hay là sự kết hợp giữa chúng. [6] Việc phân tích các số liệu này nhằm mục đích trả lời cho một số câu hỏi như: Cần phải xác định vị trí một khu rừng cần được bảo vệ nghiêm ngặt, một công trình thuỷ lợi ở vị trí nào cho thích hợp… Nhiều câu hỏi được phát sinh trong quá trình làm việc. Để trả lời câu hỏi này, nếu sử dụng các phương pháp tra cưú thông thường thì sẽ mất rất nhiều thời gian và công sức. Nó đòi hỏi phải tra cứu nhiều loại tài liệu, bản đồ khác nhau cũng như các tài liệu thống kê khác. Hiện nay với sự phát triển vược bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật đặc biệt là tiến bộ của công nghệ thông tin và công nghệ thông tin địa lý - GIS, đã mở ra một hướng mới cho việc quản lý tài nguyên thiên nhiên nói chung và quản lý lưu vực nói riêng. 3 Để góp phần vào việc quản lý lưu vực, phân cấp lưu vực bằng các biện pháp kỹ thuật và công nghệ mới, chúng tôi thực hiện nghiên cứu đề tài: “ỨNG DỤNG GIS TRONG PHÂN CẤP XUNG YẾU LƯU VỰC TẠI XÃ HIẾU HUYỆN KON PLONG- KON TUM” 2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2.1 Khái niệm về GIS và viễn thám 2.1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý - Dữ liệu địa lý: Các công cụ của máy tính làm việc với dữ liệu của các hiện tượng tự nhiên trên bề mặt của trái đất được gọi là hệ thống thông tin không gian. Nó có thể làm việc với đủ loại thông tin như bản đồ, ảnh vệ tinh… Hệ thống thông tin là một hệ thống thu thập, lưu trữ và điều hành các thông tin dưới dạng giấy, ảnh và số về các hiện tượng tự nhiên trong thế giới thực. Do vậy dữ liệu là rất đa dạng, chúng mang tính không gian và thời gian chúng được gọi là dữ liệu địa lý. Vậy dữ liệu địa lý là các dữ liệu số mô tả các đối tượng trong thế giới thực. Dữ liệu địa lý được tổ chức thành hai nhóm thông tin chính đó là: + Nhóm thông tin về phân bố không gian. + Nhóm thông tin về thuộc tính của đối tượng. - Mô hình dữ liệu: 4 Có những khuôn mẫu căn bản cho dữ liệu địa lý và có những nguyên lý, hình thức hướng dẫn chúng ta mô hình hoá và tổ chức dữ liệu. Mô hình hoá tổ chức dữ liệu thông dụng nhất hiện nay là mô hình bản đồ chồng xếp, trong đó đối tựng tự nhiên được thể hiện như một tập hợp các lớp thông tin riêng rẽ. Một trong những phương pháp chung nhất của tổ chức dữ liệu địa lý là tổ chức theo các bản đồ và các lớp thông tin. Mỗi lớp thông tin là một biểu diễn của dữ liệu theo một mục tiêu nhất định. Mỗi lớp thông tin lại có mô hình cấu trúc dữ liệu chi tiết hơn. Về nguyên lý, lớp thông tin là tấp hợp các dữ liệu địa lý về một khía cạnh nào đó của một đối tượng địa lý thực tế không giống như các dạng dữ liệu thông dụng khác, dữ liệu địa lý phức tạp hơn nó bao gồm các thông tin về vị trí và các thuộc tính phi không gian. Tổng hợp dữ liệu địa lý và mô hình địa lý ta có được khái niệm về hệ thống thông tin địa lý như sau: Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống quản lý thông tin không gian được phát triển dựa trên cơ sở máy tính với mục đích lưu trữ, quản lý, hợp nhất, mô hình hoá, phân tích và mô tả được nhiều loại dữ liệu. 2.1.2 Khái niệm về viễn thám Viễn thám được định nghĩa như một khoa học và công nghệ mà nhờ nó các tính chất của vật thể quan sát được xác định đo đạc hoặc phân tích mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng. Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tư liệu chủ yếu trong viễn thám. Tuy nhiên các dạng năng lượng khác như trọng trường, từ trường cũng được sử dụng để khai thác thông tin. 2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên Hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) đầu tiên trên thế giới được xây dựng vào đầu những năm 60 của thế kỷ XX tại Canada với tên gọi CGIS (Canadian Geographic Infomational System). Song song với Canada hàng loạt các trường đại học Mỹ cũng tiến hành nghiên cứu và xây dựng các HTTTĐL của mình. Tuy nhiên rất nhiều trong số đó đã không tồn tại được lâu. 5 Sự ra đời và phát triển các HTTTĐL trong những năm 60 của thể kỷ XX đã được quốc tế chấp nhận và đánh giá cao. Vì vậy, năm 1968 Hội Địa Lý Quốc tế đã quyết định thành lập uỷ ban thu nhận và sử lý dữ liệu địa lý nhằm mục đích phổ biến kiến thức trong lĩnh vực này trong những năm tiếp theo. Trong những năm 70, đứng trước sự gia tăng về nhu cầu quản lý tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường, chính phủ các nước, đặc biệt là ở Bắc Mỹ, bên cạnh thiết lập hàng loạt cơ quan chuyên trách về môi trường đã bầy tỏ sự quan tâm nhiều hơn nữa đến việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển HTTTĐL. Đầu những năm 70 của thế kỷ XX còn được đánh dấu bởi sự phát triển mạnh mẽ của các hệ xử lý ảnh (HXLA) và của kỹ thuật viễn thám. Việc quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng như quản lý dữ liệu nói chung được chú trọng và phát triển trong các HTTTĐL và HXLA. Nghiên cứu đánh giá hiểm hoạ xói mòn và chất lượng đất cho các nước thuộc phía nam của cộng đồng Châu Âu (1991). Nó được dựa trên 5 tập hợp dữ liệu: đất, khí hậu, độ dốc, thực vật và thuỷ lợi. Tất cả dữ liệu này được đồng nhất về lưới chiếu, được kiểm tra về độ chính xác và độ tương thích. Kết quả nghiên cứu đã thu được trong thời gian ngắn nhất và chi phí thấp nhất. Mô hình hoá đám cháy tự nhiên trong khu vực địa trung hải (1992): Mục đích chung của nghiên cứu này là mô hình hành vi các đám cháy tự nhiên để tìm ra mối nguy cơ xuất hiện và lan tràn hoả hoạn dựa trên HTTTĐL. Nghiên cứu độ mặn của đất và giám sát ngập nước tại tỉnh IS Mailia – Ai cập (1992): Những khả năng lập bản đồ và điều tra độ mặn của nước bằng viễn thám và HTTTĐL đã được thử nghịêm trong giai đoạn đầu của dự án. Đầu ra của nghiên của này là có hứa hẹn và đề tài được chuyển sang giai đoạn ứng dụng. Năm 1999 De Jaeger đã nghiên cứu lập bản đồ địa mạo bằng ảnh vệ tinh TK- 300 của Nga và HTTTĐL cho thung lũng Wadi Mujib (Jonrdan). Kết quả đã thành lập được bản đồ địa mạo và thành lập được bản đồ rủi ro môi trường. Và một số nghiên cứu về lưu vực như: Sử dụng thông tin khoa học và logic để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ sinh thái thuỷ sinh, hệ sinh thái trên cạn. Xây 6 dựng các tiêu chuNn và biện pháp rõ ràng để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của việc quản lý lưu vực… N hìn chung, cách tiếp cận quản lý môi trường lưu vực này gồm các nét chính. Thứ nhất là sự phát hiện vấn đề, phát hiện các mối đe doạ tiềm Nn của lưu vực và hệ sinh thái trong lưu vực, thứ hai là các nỗ lực hành động, thực hiện một cách tổng hợp và toàn diện một khi các giải pháp đã được quyết định. Theo dự án quản lý bền vững vùng đầu nguồn trong vùng hạ lưu sông Mêkông của uỷ hội sông Mêkông thì: Các nguồn tài nguyên nước và đất đai thuộc vùng Hạ lưu sông Mêkông là cơ sở sinh sống của khoảng 60 triệu người và cung cấp lương thực thực phNm cho khoảng 300 triệu người. N ông nghiệp là ngành quan trọng nhất, dựa vào các nguồn tài nguyên nước của lưu vực, và lâm nghiệp là một yếu tố chủ chốt quyết định đến chất lượng và sự điều hoà nguồn nước cho nông nghiệp. N ông nghiệp góp phần tạo thu nhập và việc làm cho nhiều người dân. Đối với nhiều người trong số này chính lâm nghiệp và cả ngư nghiệp cũng góp phần đáng kể trong việc tạo thu nhập và duy trì đời sống của họ. Mục đích của việc quản lý vùng đầu nguồn là nhằm góp phần đảm bảo rằng khối lượng và chất lượng nước là chấp nhận được về mặt môi trường, cũng như đảm bảo cung cấp nước qua thời gian thông quan việc quản lý tốt đất và các nguồn tài nguyên khác 2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước về ứng dụng GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên N ghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và HTTTĐL vào thực tiễn ở nước ta trong mấy năm trở lại đây đã có sự phát triển vượt bậc, đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên. N ăm 1999 N guyễn Đình Dương và cộng sự đã nghiên cứu cách xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá môi trường chiến lược phát triển thành phố Hạ Long và các vùng lân cận. N guyễn Thị Bảo Hoa (2000), nghiên cứu ứng dụng viễn thám và HTTTĐL trong nghiên cứu quy hoạch đô thi Hà N ội. N ghiên cứu xây dựng và sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý để quản lý đất đai và môi trường, áp dụng cho các tỉnh miền núi của Việt N am ( N guyễn Trần Cầu, 2000) [ ?] 7 Một nghiên cứu quan trọng liên quan đến việc đánh giá xói mòn là nghiên cứu: Sử dụng HTTTĐL xây dựng bản đồ xoi mòn tiềm năng Việt N am tỷ lệ 1: 1000 000 của Trần Văn Ý (2001). N ghiên cứu đã xây dự