Ứng dụng GIS và viễn thám ước lượng tổng tiềm năng hấp thụ CO₂ từ thảm thực vật Thành phố Hồ Chí Minh

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 675 ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM ƯỚC LƯỢNG TỔNG TIỀM NĂNG HẤP THỤ CO2 TỪ THẢM THỰC VẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cao Huỳnh Hồng Phấn*, Nguyễn Như Hảo Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: chhphan9396@gmail.com TÓM TẮT Nghiên cứu này được thực hiện trên cơ sở ứng dụng GIS và viễn thám để tạo ra bản đồ tổng thể tiềm năng hấp thụ CO2 của thực vật thay vì phải trực tiếp đo đếm sinh khối. Từ các dữ liệu thu thập tiến hành xử lý ảnh viễn thám, tính tóa n giá trị NDVI, thực hiện giải đóa n ảnh vệ tinh kết hợp kiểm tra độ chính xác bằng Google map. Khi có kết quả phân loại, lượng hấp thụ CO2 tương ứng với mỗi kiểu thảm thực vật được xác định dựa trên giá trị CO2 hấp thụ được điều tra. Theo đó, tổng lượng CO2 hấp thụ tiềm năng sẽ bằng tổng diện tích của 1 đơn vị hành chính nhân với khả năng hấp thụ của chúng. Nghiên cứu tạo ra bản đồ tổng lượng tiềm năng CO2 hấp thụ theo từng quận, huyện và phường xã ở TP.HCM nhằm hỗ trợ việc kiểm kê được lượng khí nhà kính CO2 và những nhà nghiên cứu chính sách có thể đề xuất được chiến lược kế hoạch cắt giảm hiệu quả khả thi cụ thể dựa trên các vị trí địa lý phát thải đặc biệt đối với các vị trí địa lý, khu vực quan trọng đến sự phát triển kinh tế của cả nước và có xu hướng phát triển rất nhanh như các thành phố lớn Hà Nội, TP.HCM. Từ khóa: Ảnh viễn thám, chỉ số thực vật NDVI, hấp thụ CO2, khí nhà kính. APPLICATION OF GIS AND REMOTE SENSING TO ESTIMATE THE POTENTIAL AMOUNT OF CO2 ABSORBED BY VEGETATION IN HO CHI MINH CITY Cao Huynh Hong Phan*, Nguyen Nhu Hao University of Natural resources and Environment *Corresponding Author: chhphan9396@gmail.com ABSTRACT This study based on applications of GIS and remote sensing imaginary to conduct the map of the potential amount of CO2 in HCMC which is taken up by vegetation instead of direct calculation. From collected materials, Remotely sensed image is calibrated to calculate NDVI, then classification is conducted by algorithm. Thus, potential amount of CO2 is equivalent to one administrative unit multiplied by absorption capacity. The outcome shows the potential CO2 capacity in each unit in HCMC. Generally, The findings plays the vital role not only in inventory of CO2 greenhouse gas but also in policy which propose a feasible reduction strategy based on specific geographic locations, especially inbig cities such as Hanoi and Ho Chi Minh City. Keywords: CO2 absorption, Greenhouse gas, NDVI, remotely sensed image. MỞ ĐẦU Thành Phố Hồ Chí Minh là một đô thị đặc biệt ở nước ta, có tốc độ phát triển kinh tế lớn nhất cả nước, song song với quá trình phát triển kinh tế thì quá trình đô thị hóa diễn ra khá nhanh chóng. Với tốc độ phát triển nhanh các nguồn phát thải từ nhà máy, lưu lượng giao Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 676 thông ngày càng nhiều đã dẫn đến hàm lượng CO2 trong không khí tăng đáng kể, làm trầm trọng hơn tình hình biến đổi khí hậu. Thảm thực vật chính là bể hấp thụ khí nhà kính thông qua việc hấp thụ khí CO2 từ khí quyển trong suốt quá trình quang hợp, và trong quá trình phát triển, các-bon vô cơ trong CO2 được được chuyển hóa thành chất hữu cơ trong các thành phần của cây như: vỏ, gỗ, lá, rễ. Ngày nay, với sự phát triển của hệ thống vệ tinh, việc tích hợp công nghệ GPS, GIS với viễn thám là công cụ đắc lực trong việc theo dõi sự biến động thảm thực vật và tiềm năng hấp thụ khí nhà kính của thảm thực vật thông qua chỉ số thực vật. Chỉ số thực vật (Normalised Difference Vegetation Index) viết tắt là NDVI là một thuật tóa n tiêu chuẩn để ước tính chất lượng thảm thực vật màu xanh lá cây trên mặt đất bằng phép đo phản xạ ở bước sóng màu đỏ và cận hồng ngoại. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu nghiên cứu Nghiên cứu thu thập các dữ liệu không gian bao gồm ranh giới khu vực nghiên cứu, ảnh landsat 8 năm 2016 có độ phân giải 30 m được lấy từ 2 trang web chính của Mỹ và https://earthexplorer.usgs.gov/. Ngoài ra, Các dữ liệu về dân số, diện tích quận huyện, tên quận huyện của TP.HCM năm 2016 và vị trí khảo sát được tổng hợp từ niên giám thống kê của Thành phố Hồ Chí Minh, Chi cục thống kê và Google Map. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp thu thập dữ liệu Để xây dựng bản đồ tổng tiềm năng CO2 hấp thụ từ thảm thực vật, nghiên cứu đã kế thừa những nghiên cứu đi trước và số liệu từ các văn bản, báo cáo của cơ quan quản lí nhà nước, công ty công viên cây xanh TP.HCM.  Phương pháp xử lý, phân tích ảnh viễn thám Sau khi ảnh Landsat được chọn lựa, việc xử lý, phân loại ảnh được tiến hành như sau: - Gom nhóm kênh ảnh. - Gộp ảnh viễn thám. - Tăng cường chất lượng ảnh. - Cắt ảnh theo ranh giới khu vực nghiên cứu. - Tính chỉ số thực vật NDVI.  Phương pháp phân loại ảnh - Phân loại theo ngưỡng giá trị NDVI. - Đánh giá độ chính xác sau phân loại ảnh.  Phương pháp ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) Dữ liệu viễn thám được sử dụng trong đề tài có độ phân giải không gian là 30m với hệ tạo độ WGS 84. Mỗi pixcel có giá trị NDVI < 0.6 sẽ được gán giá trị 32.4 kg CO2/ ngày và pixcel có giá trị NDVI > 0.6 có giá trị 90 kg CO2/ngày. Sử dụng công cụ Zone statistic as Table với lệnh Sum để tính tổng lượng CO2 hấp thụ cho mỗi đơn vị hành chính. Sau đó, tạo 1 shapefile để chứa lượng trường dữ liệu tổng lượng CO2 hấp thụ. Dùng công cụ Joint để gán file shapefile trên vào lớp dữ liệu hành chính. Số liệu dân số, diện tích, lượng CO2 hấp thụ sau khi xử lý và tổng hợp được đưa vào bảng thuộc tính của ArcGis 10.3 để tính tóa n và đưa ra bản đồ tổng tiềm năng hấp thụ CO2 ở TP.HCM.  Phương pháp phân tích và tổng hợp số liệu Số liệu sau khi thu thập được thống kê và xử lý bằng các phần mềm như Word, Excel. Kết quả của quá trình này Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 677 được trình bày dưới dạng các bảng. Phương pháp trên được ứng dụng hiệu quả nhằm phân tích, đánh giá được tiềm năng giảm thiểu khí nhà kính ở mỗi khu vực địa lý khác nhau và xây dựng chính sách bảo tồn với những khu vực được xem là “bể carbon”. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh chỉ số NDVI cho thấy được tỷ lệ mảng xanh của thành phố phân bố không đồng đều, có sự chênh lệch khá cao giữa khu vực nội thành và khu vực ngoại thành tại năm 2016. Giá trị NDVI thấp nhất và cao nhất tương ứng là -0.48 và 0.78. Khu vực có chỉ số NDVI cao (NDVI > 0.6) tập trung ở huyện Cần Giờ và Củ Chi. Ngược lại khu vực có chỉ số NDVI thấp (NDVI < 0.2) là khu vực trung tâm thành phố và khu vực có chỉ số NDVI trong khoảng 0.2-0.6 là khu vực ngoại thành. Xét trên toàn bộ Thành phố Hồ Chí Minh thì diện tích khu vực là khoảng 2.095 km2, diện tích có lớp phủ thực vật chiếm 72.28% diện tích toàn Thành phố. Sở dĩ, mật độ không gian xanh của toàn Thành phố cao là bởi vì, TP.HCM có khu dự trữ sinh quyển Cần Giờ và các huyện ngoại thành vẫn chưa thực sự thu hút dân cư. Kết quả phân loại ảnh Kết quả phân loại ảnh năm 2016 cho thấy, Pixel có giá trị NDVI < 0.2 được xem là thủy hệ hoặc đất trống có diện tích 577.197 km2 ( chiếm 27.7%); pixel 0.2 <NDVI < 0.6 có diện tích 71044.486 km2 (50.15%) được coi là trảng cỏ và cây xanh; và NDVI > 0.6 chiếm 460.707 km2 (chiếm 22.12%) chủ yếu là rừng ngập mặn. Đánh giá độ chính xác của phương pháp phân loại Để đánh giá độ chính xác của phương pháp phân loại trên, nghiên cứu lấy tọa độ các vị trí khảo sát được định vị trên Google Earth hoặc bằng thực địa ghi nhận được để xác định loại đối tượng đang khảo sát. Sau đó tiến hành so sánh giá trị thực tế với giá trị trên ảnh phân loại, từ đó đánh giá được độ chính xác của phương pháp phân loại. Kết quả xây dựng bản đồ tiềm năng CO2 hấp thụ từ thảm thực vật TP.HCM Qua tính tóa n và xữ lí dữ liệu, các đơn vị hành chính phường, xã của Quận 1, Quận 2, Quận 9, Quận 12, Quận Bình Tân, Quận Gò Vấp, Quận Thủ Đức, Huyện Nhà Bè, Huyện Bình Chánh, Huyện Củ Chi, Huyện Cần Giờ có lớp phủ thực vật phân bố tương đối đồng đều. Vì vậy, tiềm năng hấp thụ khí CO2 ở mỗi phường, xã không có sự khác biệt rõ rệt. Ngược lại, trữ lượng CO2 ở các đơn vị hành chính phường, xã của Quận 3, Quận 4, Quận 5, Quận 6, Quận 7, Quận 8, Quận 10, Quận 11, Quận 12, Quận Tân Bình, Quận Thủ Đức, Quận Gò Vấp, Quận Bình Tân, Quận Tân Phú phân bố không đồng đều, tập trung tại một số đơn vị hành chính nhất định do các yêu tố như loại thực vật, chất lượng thảm thực vật, yếu tố diện tích khu vực và do thảm thực vật tập trung nơi những nơi nhất định. Các Quận trung tâm nội thành như Quận 1, Quận 3, Quận 4, Quận 5, Quận 6, Quận 7, Quận 8, Quận 11, Quận 10,Quận Tân Phú, Quận Tân Bình, Quận Phú Nhuận, Quận Gò Vấp, Quận Thủ Đức có tổng tiềm năng hấp thụ khí nhà kính thấp và các quận nội thành đang trong quá trình đô thị hóa như Quận 2, Quận 9, Quận 12, Quận Bình Tân, Quận Thủ Đức thì con số này ở mức trung bình. Mật độ dân số tại các khu vực nội thành rất cao, dân số tập trung chủ yếu vào các quận nội thành, với tình trạng diện tích đất “khan hiếm” nhưng dân cư tập trung đông dẫn đến thảm thực vật bị chiếm dụng cho các mục đích khác. Ngược lại, thảm thực vật dày tại các huyện ngoại Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 678 thành, đặc biệt là Huyện Cần Giờ và Huyện Củ Chi đóng vai trò như bể hấp thụ khí nhà kính cho toàn thành phố. KẾT LUẬN Nghiên cứu cho thấy khả năng hấp thụ khí nhà kính ở các quận trung tâm nội thành kém như Quận 1, Quận 3, Quận 4, Quận 5, Quận Phú Nhuận, trong đó Quận 4 có lớp phủ thực vật thưa thớt nhất và khả năng hấp thụ CO2 kém nhất (16,096 tấn CO2/ ngày). Đối với các quận nội thành như Quận 2, Quận 6, Quận 7, Quận 8, Quận 9, Quận 11, Quận 12, Tân Bình, Thủ Đức, Gò Vấp, Bình Tân, Tân Phú, thảm thực vật tại Quận 9 có trữ lượng CO2 cao nhất đạt gần 3163,261 tấn/ ngày. Đối với các huyện ngoại thành, trữ lượng CO2 được hấp thụ cao nhất từ rừng ngập mặn tại Huyện Cần Giờ với khả năng hấp thụ khoảng 35.894,075 tấn CO2/ngày. Nhìn chung nghiên cứu này đã cung cấp bức tranh tổng thể về tiềm năng hấp thụ khí nhà kính ở môi đơn vị hành chính ở TP.HCM. Nghiên cứu sẽ góp phần giảm tác động của BĐKH và hỗ trợ quy hoạch đô thị, quy hoạch sử dụng đất và chính sách định cư của người dân. Ngoài ra, việc tính tóa n, đánh giá lượng phát thải và hấp thụ CO2 ở các thành phố lớn như TP.HCM được xem là 1 trong những nghiên cứu rất cần thiết, cấp bách và mang tính thực tiễn cao hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO BẢO HUY. 2009. Ước lượng năng lực hấp thụ CO2 của Bời Lời Đỏ (Litsea glutinosa) trong mô hình nông lâm kết hợp Bời Lời Đỏ- Sắn ở huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai – Tây Nguyên, Việt Nam. NGUYỄN VĂN TÀI, NGUYỄN TÙNG LÂM, HOÀNG NGỌC HÂN. Các nguồn phát thải và định hướng gỉảm phát thải khí nhà kính. Viện Chiến lược, Chính sách TN&MT. TRẦN LIÊM KHIẾT. 2012. Nghiên cứu đánh giá phát thải khí nhà kính trong hoạt động khai thác hải sản và đề xuất các biện pháp giảm thiểu (nghiên cứu điển hình tại thành phố Hải Phòng).