TỔNG QUA N VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Lịch sử phát triển của Viễn thám
Viễn thám là một lĩnh vực khoa học phát triển mạnh mẽ trong hơn ba thập kỷ qua, nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ vũ trụ với việc thu nhận ảnh số từ vệ tinh trên quỹ đạo trái đất kể từ năm 1960 Tuy nhiên, lịch sử viễn thám đã bắt đầu từ rất lâu, với những bức ảnh chụp bằng phim và giấy ảnh Vào năm 1839, Louis Daguerre đã công bố nghiên cứu về hóa ảnh, đánh dấu sự khởi đầu của ngành chụp ảnh Bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt trái đất từ khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1858 bởi Gaspard.
Felix Tournachon, một nhà nhiếp ảnh nổi tiếng người Pháp, đã sử dụng khinh khí cầu để chụp ảnh từ độ cao 80m, ghi lại vẻ đẹp của vùng Bievre, Pháp Ông là một trong những người tiên phong trong việc chụp ảnh từ trên cao, mở đường cho các nhiếp ảnh gia như James, người cũng đã thực hiện những bức ảnh tương tự từ khinh khí cầu tại vùng Boston.
Ngành hàng không ra đời vào năm 1860 đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành chụp ảnh sử dụng máy ảnh quang học với phim và giấy ảnh nhạy cảm với ánh sáng Công nghệ chụp ảnh từ máy bay đã mở ra cơ hội nghiên cứu mặt đất qua các ảnh chụp chồng phủ, đồng thời cho phép nhìn ảnh nổi, giúp nâng cao hiệu quả trong việc chỉnh lý và đo đạc ảnh Ngành chụp ảnh này, thực hiện trên các phương tiện hàng không như máy bay, khinh khí cầu và tàu lượn, được gọi là chụp ảnh hàng không, và các ảnh thu được từ ngành này được gọi là không ảnh Bức ảnh đầu tiên chụp từ máy bay vào năm 1910 do Wilbur Wright thực hiện, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử nhiếp ảnh hàng không.
Centoceli, một địa điểm tại Ý, đã chứng kiến sự khởi đầu của công nghệ chụp ảnh từ máy bay trong chiến tranh thế giới thứ nhất (1914-1918) với mục đích quân sự Sự phát triển này đã dẫn đến sự gia tăng hoạt động trong lĩnh vực chụp và đo đạc ảnh, đồng thời hình thành ngành khoa học mới - đo đạc ảnh (photogrammetry), cho phép đo đạc chính xác các đối tượng từ dữ liệu ảnh Trong chiến tranh thế giới thứ hai (1939-1945), công nghệ chụp ảnh không gian chủ yếu phục vụ cho mục đích quân sự, với sự phát triển của radar và ảnh chụp hồng ngoại, cung cấp thông tin phong phú hơn Việc sử dụng ảnh màu từ máy ảnh cũng đã trở nên phổ biến trong giai đoạn này Cuộc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên Xô và Hoa Kỳ đã thúc đẩy nghiên cứu trái đất thông qua viễn thám, dẫn đến sự ra đời của các trung tâm nghiên cứu như ESA và NASA.
Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Mỹ (NASA) đã đóng góp quan trọng trong nghiên cứu trái đất qua viễn thám, cùng với các quốc gia như Canada, Nhật Bản, Pháp, Ấn Độ và Trung Quốc Hình ảnh đầu tiên về trái đất từ không gian được tàu Explorer-6 chụp vào năm 1959, đánh dấu bước khởi đầu quan trọng Tiếp theo, chương trình vũ trụ Mercury vào năm 1960 đã cung cấp nhiều hình ảnh chụp từ quỹ đạo, mở ra những cơ hội mới trong việc quan sát và nghiên cứu hành tinh của chúng ta.
Bảng 1 Tóm tắt sựphát triển của viễn thám qua các sựkiện.
Phát hiện tia hồng ngoại đã mở ra một kỷ nguyên mới trong kỹ thuật chụp ảnh, đặc biệt là việc phát minh ra chụp ảnh đen trắng Sự khám phá này không chỉ bao gồm dải phổ hồng ngoại mà còn cả phổ nhìn thấy, cho phép chụp ảnh từ khinh khí cầu với những hình ảnh độc đáo và phong phú.
Xây dựng học thuyết về phổ điện từ Chụp ảnh từ máy bay
Giải đoán từ không trung đã thúc đẩy sự phát triển của ngành chụp và đo ảnh hàng không, cùng với sự tiến bộ trong kỹ thuật radar tại các quốc gia như Đức, Mỹ và Anh Việc phân tích và ứng dụng ảnh chụp từ máy bay giúp xác định dải phổ từ vùng nhìn thấy đến không nhìn thấy Nghiên cứu sâu về ảnh chụp từ không trung còn được áp dụng cho các mục đích quân sự, mang lại nhiều lợi ích trong lĩnh vực an ninh và quốc phòng.
Liên xô phóng tàu vũ trụ có người lái và chụp ảnh trái đất từ ngoài vũ trụ.
Lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ viễn thám
Mỹ phóng vệ tinh Landsat-1 Phát triển mạnh mẽ phương pháp xử lý ảnh số
Mỹ phát triển thế hệ mới của vệ tinh Landsat Pháp phóng vệ tinh SPOT vào quĩ đạo
Phát triển bộ cảm thu đa phổ, tăng dải phổ và kênh phổ, tăng độ phân giải bộ bộ cảm Phát triển nhiều kỹ thuật xử lý mới.
Sự phát triển của viễn thám gắn liền với công nghệ nghiên cứu vũ trụ, hỗ trợ cho việc nghiên cứu Trái Đất, các hành tinh và quyển khí Các ảnh chụp nổi (stereo) được thực hiện theo phương đứng và xiên từ vệ tinh cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu này.
Gemini (1965) đã khẳng định vai trò quan trọng của nghiên cứu trái đất, tiếp theo là các sản phẩm ảnh chụp nổi và đa phổ từ tàu Apollo với kích thước 70mm, cung cấp thông tin quý giá cho nghiên cứu mặt đất Ngành hàng không vũ trụ Nga cũng đã đóng góp đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu này.
Nghiên cứu trái đất đã được tiến hành thông qua các tàu vũ trụ có người lái như Soyuz, cùng với các tàu Meteor và Cosmos từ năm 1961, cũng như trên các trạm không gian Salyut Kết quả thu được là những bức ảnh chụp từ các thiết bị quét đa phổ phân giải cao, chẳng hạn như MSU-E trên tàu Meteor - priroda, cho phép thu thập dữ liệu quý giá về hành tinh của chúng ta.
Cosmos có dải phổ nằm trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm.
Ngoài ra, cácảnh chụp từ thiết bịchụp KATE-140, MKF-6M trên trạm quỹ đạo
Salyut, cho ra 6 kênh ảnh thuộc dải phổ 0.40đến 0.89μm Độ phân giải mặt đất tại tâmảnhđạt 20 x 20m.
Sau vệ tinh ERTS (sau này được gọi là Landsat-1), các vệ tinh thế hệ mới hơn như Landsat-2, Landsat-3, Landsat-4 và Landsat-5 đã được phát triển ERTS-1 được trang bị cảm biến quét đa phổ MSS với bốn kênh phổ khác nhau, cùng với bộ cảm RBV (Return Beam Vidicon) có ba kênh phổ khác Ngoài các vệ tinh Landsat-2 và Landsat-3, còn có sự xuất hiện của vệ tinh SKYLAB vào năm 1973.
HCMM (1978) Từ 1982, các ảnh chuyên đề được thực hiện trên các vệ tinh
Landsat TM-4 và Landsat TM-5 cung cấp 7 kênh phổ từ dải sóng nhìn thấy đến hồng ngoại nhiệt, mở ra cơ hội mới trong nghiên cứu trái đất qua các dải phổ khác nhau Hiện nay, ảnh vệ tinh từ Landsat-7 đã trở nên phổ biến với giá cả phải chăng hơn so với ảnh vệ tinh Landsat TM-5, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận phương pháp nghiên cứu môi trường thông qua dữ liệu vệ tinh.
Hình 1 Viễn thám từviệc thu nhận thông tin đến người sửdụng (Theo
Dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT của Pháp, bắt đầu từ năm 1986, đã trải qua nhiều thế hệ như SPOT-1, SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 và SPOT-5, cung cấp sản phẩm ảnh số với hai kiểu phổ Ảnh đơn kênh (panchoromatic) có độ phân giải từ 10 x 10m đến 2,5 x 2,5m, trong khi ảnh đa kênh SPOT-XS (bao gồm hai kênh trong dải phổ nhìn thấy và một kênh trong dải phổ hồng ngoại) có độ phân giải không gian 20 x 20m Đặc điểm nổi bật của ảnh vệ tinh SPOT là khả năng cung cấp các cặp ảnh phủ chồng, cho phép quan sát đối tượng nổi (stereo) trong không gian ba chiều, hỗ trợ hiệu quả cho nghiên cứu bề mặt trái đất, đặc biệt trong phân tích các yếu tố địa hình.
Các ảnh vệ tinh của Nhật, như MOS-1, phục vụ cho quan sát biển (Marine
Công nghệ thu ảnh vệ tinh đã được áp dụng trên vệ tinh Ấn Độ IRS-1A, cho phép tạo ra các ảnh vệ tinh LISS thuộc nhiều hệ khác nhau.
Trong nghiên cứu môi trường và khí hậu trái đất, ảnh vệ tinh NOAA với độ phủ rộng và tần suất lặp lại hàng ngày đã hỗ trợ quan sát các hiện tượng khí hậu như nhiệt độ, áp suất nhiệt đới và dự báo bão.
Khái niệm cơ bản của Viễn thám
Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu thập thông tin về đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng thông qua việc phân tích tài liệu mà không cần tiếp xúc trực tiếp Các phương tiện viễn thám cho phép nghiên cứu và đánh giá chính xác các yếu tố môi trường và địa lý.
Viễn thám là quá trình thăm dò từ xa các đối tượng hoặc hiện tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp Điều này cho phép thu thập thông tin một cách hiệu quả và chính xác về môi trường và các sự kiện tự nhiên.
Viễn thám, mặc dù có nhiều định nghĩa khác nhau, đều thống nhất rằng đây là khoa học thu nhận thông tin từ xa về các đối tượng và hiện tượng trên trái đất Dưới đây là các định nghĩa về viễn thám từ quan điểm của nhiều tác giả khác nhau.
*Viễn thám là một nghệ thuật, khoa học, nói ít nhiều về một vật không cần phải chạm vào vậtđó (Ficher và nnk, 1976).
*Viễn thám là quan sát vềmộtđối tượng bằng một phương tiện cách xa vật trên một khoảng cách nhấtđịnh (Barret và Curtis, 1976).
Viễn thám là khoa học nghiên cứu việc thu thập thông tin từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tượng Năng lượng được đo trong các hệ thống viễn thám hiện nay chủ yếu là năng lượng điện từ phát ra từ vật thể quan tâm.
Viễn thám là công nghệ thu thập thông tin về bề mặt đất và nước của trái đất thông qua việc sử dụng hình ảnh từ đầu chụp ảnh Công nghệ này hoạt động dựa trên bức xạ điện từ, có thể là đơn kênh hoặc đa phổ, để ghi lại bức xạ hoặc phản xạ từ bề mặt trái đất.
Viễn thám là một lĩnh vực kết hợp giữa khoa học và nghệ thuật, cho phép thu thập thông tin về các đối tượng, khu vực hoặc hiện tượng thông qua việc phân tích dữ liệu Dữ liệu này được thu thập từ các phương tiện không tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc khu vực đang được khảo sát, theo định nghĩa của Lillesand và Kiefer (1986).
Phương pháp viễn thám sử dụng năng lượng điện từ, bao gồm ánh sáng, nhiệt và sóng cực ngắn, để điều tra và đo đạc các đặc tính của đối tượng (Theo Floy Sabin, 1987).
1.2.2 Nguyên lý cơ bảncủa viễn thám.
Sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể cung cấp thông tin quan trọng về đặc tính của đối tượng Ảnh viễn thám thu thập dữ liệu liên quan đến năng lượng bức xạ tại từng bước sóng xác định Việc đo lường và phân tích năng lượng phản xạ từ ảnh viễn thám cho phép tách biệt thông tin hữu ích về các lớp phủ mặt đất khác nhau, nhờ vào sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể.
Bộcảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể Các bộcảm biến có thể bao gồm máy chụp ảnh hoặc máy quét Vật mang, như máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hoặc vệ tinh, là phương tiện mang theo các bộcảm biến Hình 2 minh họa sơ đồ nguyên lý thu nhận ảnh viễn thám.
Trong viễn thám, bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng chính được sử dụng, cùng với năng lượng sóng điện từ từ các vật thể phản xạ hoặc bức xạ Những tín hiệu này được thu nhận bởi các cảm biến gắn trên vật thể mang thu nhận.
Năng lượng phản xạ của các vật thể được thu nhận qua ảnh viễn thám và xử lý tự động hoặc giải đoán trực tiếp bởi chuyên gia Thông tin này sẽ được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như nông lâm nghiệp, địa chất, khí tượng và môi trường.
Hình 2 Nguyên lý thu nhận dữliệu viễn thám.
Toàn bộquá trình thu nhận và xửlíảnh viễn thám có thểchia thành 5 phần cơ bản như sau:
- Nguồn cung cấp năng lượng.
- Sự tương tác của năng lượng với khí quyển
- Sự tương tác với các vật thểtrên bềmặt đất
- Chuyển đổi năng lượng phản xạtừ vật thể thành dữ liệuảnh
- Hiển thị ảnh sốcho việc giải đoán và xử lí.
Năng lượng sóng điện từ khi di chuyển qua khí quyển sẽ bị các phân tử khí hấp thụ theo nhiều hình thức khác nhau, tùy thuộc vào từng bước sóng cụ thể Trong lĩnh vực viễn thám, việc nghiên cứu khả năng truyền sóng điện từ trong khí quyển là rất quan trọng, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển ảnh hưởng mạnh mẽ đến thông tin thu nhận từ cảm biến.
Khí quyển tương tác khác nhau với bức xạ điện từ, đặc biệt là trong viễn thám quang học, nơi nguồn năng lượng chủ yếu đến từ mặt trời Sự hiện diện và biến đổi của các phân tử nước và khí trong khí quyển theo không gian và thời gian là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến.
Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất, tuy nhiên, trong quá trình này, sóng điện từ bị hấp thụ, tán xạ và khúc xạ bởi khí quyển Các khí như oxy, nitơ, cacbonic, ôzôn và hơi nước, cùng với các phân tử lơ lửng, là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ Để hiểu rõ hơn về cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển, cũng như việc lựa chọn phổ điện từ cho thu nhận ảnh viễn thám, bảng 2 trình bày các đặc điểm của dải phổ điện từ thường được sử dụng trong kỹ thuật viễn thám.
Bảng 2 Đặc điểm của dải phổ điện từsửdụng trong kỹthuật viễn thám.
Dải phổ điện từ Bước sóng Đặc điểm
Lớp khí quyển ở tầng cao, cụ thể là tầng ôzôn, hấp thụ mạnh các dải sóng năng lượng, không cho phép con người thu nhận năng lượng này Tuy nhiên, hiện tượng này lại đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ con người khỏi tác động của tia cực tím.
Ảnh Viễn thám, ảnh Spot và anh VNRedSat-1
Ảnh viễn thám được thu thập từ vệ tinh và máy bay, cho phép ghi nhận thông tin từ khoảng cách cao trên nhiều dải sóng khác nhau Ảnh số là dạng tư liệu viễn thám lưu trữ dưới dạng số, thường trên các phương tiện điện tử như băng từ hay đĩa quay Những hình ảnh này được chia thành các pixel, mỗi pixel tương ứng với một đơn vị không gian trên bề mặt trái đất, với độ rộng phủ đất từ vài mét đến hàng km, tùy thuộc vào loại bộ cảm, được gọi là độ phân giải ảnh Vị trí của mỗi pixel được xác định theo tọa độ hàng và cột từ góc trên cùng bên trái của ảnh Kích thước của hình ảnh cũng phụ thuộc vào hệ thống quét, ví dụ như hệ thống Landsat MSS có diện tích quét là 185 x 185 km, trong khi hệ thống SPOT có diện tích quét là 65 x 65 km.
NOAA có kích thước 2400 x 2400 km Ảnh SPOT được thu thập từ cảm biến HRG gắn trên vệ tinh SPOT (Hệ thống quan sát Trái Đất), do Trung tâm Nghiên cứu Không gian Pháp (CNES) quản lý.
– French Center National d’etudies Spatiales) thực hiện có sựtham gia của Bỉvà
Ảnh SPOT tại Thụy Điển cung cấp dải phổ và độ phân giải không gian đa dạng, từ thấp đến cao (5m-1km) Trường phủ mặt đất của ảnh cũng rất phong phú, với kích thước từ 10km x 10km đến 200km x 200km Hệ thống này cho phép thu ảnh hàng ngày, thường vào lúc 11h sáng.
Bảng 3 Một sốthông sốvề các kênh phổcủaảnh SPOT-1;-2;-3.
Dải phổ (àm) Độphân giải (m) Độche phủ mặt đất (km)
Ảnh vệ tinh SPOT thuộc thế hệ SPOT-1, -2, -3 có hai loại: ảnh toàn sắc (panchromatic) với độ phân giải 10m x 10m và ảnh đa phổ với độ phân giải 20m x 20m Trong khi đó, ảnh từ vệ tinh SPOT-4 được thu từ thiết bị cảm biến HRVIR, cho phép thu nhận ảnh liên tục trong dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại, cũng với độ phân giải 20m x 20m.
Bảng 4 Một sốthông sốcác kênh phổcủaảnh SPOT-4
Kênh phổ Tên phổ Dải phổ
(àm) Độphân giải không gian (m)
Vệ tinh SPOT-5 cung cấp kênh toàn sắc với độ phân giải hình học cao 5m, thay thế cho 10m ở các kênh toàn sắc trước đó Các kênh màu xanh, đỏ và cận hồng ngoại cũng có độ phân giải 5m, trong khi kênh hồng ngoại trung có độ phân giải 20m Ngoài ra, SPOT-5 được trang bị thiết bị đo thực vật trong dải phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại với độ phân giải không gian cao, giúp nâng cao khả năng phân tích hình ảnh vệ tinh.
Ảnh SPOT có kích thước 1000mx100m và được cập nhật hàng ngày, hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất, khai thác khoáng sản, và lập bản đồ tỷ lệ từ 1:30.000 đến 1:100.000 Ngoài ra, ảnh SPOT còn hỗ trợ nghiên cứu thực vật ở cấp độ khu vực nhờ khả năng ghi nhận phản xạ phổ toàn bộ bề mặt đất, cung cấp dữ liệu với độ phân giải cao và khả năng nhìn nổi, đồng thời nhạy cảm với phổ hồng ngoại cho việc phân tích thực vật.
Dưới đây là các thông sốcủa thế hệ ảnh SPOT:
Bảng 5 Độ phân giải phổcủaảnh nguồn các vệtinh SPOT từ 1 đến 5.
Vệ tinh SPOT Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải
SPOT 1,2,3 Kênh 3 0,79 - 0,89 |I m Gần hồng ngoại 20 m
SPOT 4, 5 Kênh 4 1,58 - 1,75ỊI m Toàn sắc 10 m
SPOT5 Kênh 3 0,79 - 0,89 |I m Gần hồng ngoại 10 m
Vệ tinh SPOT Kênh phổ Bước sóng Phổ điện từ Độ phân giải
SPOT 1,2,3 Kênh toàn sắc 0,51- 0,73 |I m Toàn sắc 10 m
SPOT 4, 5 Kênh toàn sắc 0,49 - 0,73 |J, m Toàn sắc 10 m
SPOT5 Kênh toàn sắc 0,49 - 0,73 |J, m Toàn sắc 5 m
SPOT5 Kênh toàn sắc 0,49 - 0,73 |J, m Toàn sắc 2,5 m
SPOT5 Kênh toàn sắc 0,49 - 0,73 |J, m Toàn sắc 5x 10 m
SPOT 6 và 7 bay trên cùng quỹ đạo ở độ cao 694km, cách nhau đúng nửa quỹ đạo nên phối hợp giữa hai vệ tinh cho phép giảm chu kỳ lặp quỹ đạo từ 26 ngày xuống còn 13 ngày Cả hai đều được trang bị hệ thống NAOMI (New
Astrosat Optical Modular Instrument (NAOMI) cho phép thu ảnh đồng thời trên 5 kênh với độ phân giải kênh toàn sắc 1,5m và các kênh đa phổ 6m Mỗi điểm ảnh có dải động 12 bits, giúp nâng cao chất lượng hình ảnh NAOMI có khả năng xoay linh hoạt, cho phép thu ảnh ở nhiều chế độ khác nhau, với thời gian lặp ảnh có thể rút xuống còn từ 1 đến 3 ngày, tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ.
Near Infrared (0.760-0.890 µm) is a key spectral range utilized in remote sensing VNREDSat-1, which stands for Vietnam Natural Resources Environment Disaster Satellite-1, is Vietnam's first Earth observation satellite It was developed by EADS Astrum with funding from the French government's ODA program.
VNREDSat-1 được phóng vào ngày 7/5/2013, sau một thời gian hiệu chỉnh được bàn giao chính thức cho Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào ngày 4/9/2013.
VNREDSat-1 bay trên quỹ đạo cận cực đồng bộmặt trời ở độcao 704km, thuảnh trên đường đi xuống vào khoảng 9h30.
VNREDSat-1, do EADS Astrum chế tạo, được trang bị hệ thống NAOMI tương tự như các vệ tinh SPOT 6 và 7 Vệ tinh này có khả năng thu ảnh toàn sắc với độ phân giải 2,5m và đa phổ với độ phân giải 10m, với kích thước dải thu ở chế độ chụp thẳng là 17,5km.
VNREDSat-1 có chu kỳ lặp quỹ đạo là 24 ngày, tuy nhiên, với khả năng thu ảnh của vệ tinh ở góc nghiêng tối đa 30˚, chu kỳ lặp ảnh có thể giảm xuống chỉ còn 3 ngày.
Tình hình nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong lâm nghiệp ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam
một số nướctrên thế giới vàở Việt Nam.
Vào những năm 60 thuật ngữ “viễn thám” đầu tiên đã được đề cập tới tại
Kỷ nguyên sử dụng viễn thám để quan sát và nghiên cứu trái đất bắt đầu từ năm 1972 với sự ra mắt của tàu Landsat 1 Sau hơn 30 năm phát triển, viễn thám đã trở thành công cụ hiện đại, vừa hỗ trợ vừa cạnh tranh trong công nghệ quan sát Trái đất Dữ liệu viễn thám ngày càng được cải thiện và trở thành nguồn dữ liệu chủ đạo trong việc lập bản đồ lớp phủ thực vật Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên trên thế giới đang tích cực ứng dụng công nghệ tiên tiến để theo dõi, giám sát và đánh giá tài nguyên thiên nhiên của trái đất thông qua hình ảnh vệ tinh.
Việc ứng dụng dữ liệu viễn thám trong quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên đã dẫn đến việc thành lập bản đồ hiện trạng và bản đồ biến diễn lớp phủ thực vật, đóng vai trò quan trọng và tiêu biểu trong lĩnh vực này.
Cho đến nay, nhiều nghiên cứu và ứng dụng ảnh vệ tinh đã được thực hiện để thành lập và theo dõi biến động lớp phủ thực vật trên toàn cầu Các nhà khoa học sử dụng phương pháp và dữ liệu khác nhau tùy theo mục đích cụ thể, nhưng tất cả đều nhằm phản ánh chính xác các lớp phủ thực vật hiện có.
Tại Indonesia, một nghiên cứu ở Yogyakarta đã sử dụng Viễn thám và GIS để phân tích sự thay đổi trong sử dụng đất và thảm thực vật Bằng cách sử dụng ảnh viễn thám LandSat từ năm 1972 và 1984, cùng với bản đồ hiện trạng năm 1990, nghiên cứu cho thấy sự gia tăng đất thổ cư và giảm diện tích đất nông nghiệp Nguyên nhân của những thay đổi này được xác định là do tăng dân số và mở rộng hệ thống giao thông Kết quả nghiên cứu đã đưa ra khuyến nghị cho Chính phủ và các cơ quan chức năng về việc xây dựng các chính sách sử dụng đất bền vững và hợp lý.
Tại Trung Quốc, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiên cứu về ứng dụng Viễn Thám và GIS để phân tích sự thay đổi lớp phủ đất ở các vùng đặc trưng khác nhau Đặc biệt, các nghiên cứu này được tiến hành bởi các nhà khoa học tại các trường đại học ở miền Đông, nhằm hiểu rõ hơn về tình trạng môi trường và các yếu tố ảnh hưởng đến lớp phủ đất.
Michigan đã áp dụng GIS để mô hình hóa và phân tích sự thay đổi trong sử dụng đất nông nghiệp tại miền Đông Trung Quốc Nghiên cứu chỉ ra rằng đô thị hóa, sự thay đổi cấu trúc nông nghiệp và phát triển nông thôn là những nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này Mô hình dự báo rằng diện tích đất nông nghiệp sẽ tiếp tục giảm trong hai thập kỷ tới, ổn định ở mức 0.00727ha/người, thấp hơn tiêu chuẩn của FAO là 0.053ha/người Tuy nhiên, vấn đề an ninh lương thực sẽ không trở thành mối lo ngại lớn trong những năm tới Từ nghiên cứu này, các nhà quản lý có thể xây dựng các chính sách phát triển linh hoạt để đối phó với sự suy giảm đất canh tác và đảm bảo an ninh lương thực.
Thái Lan, với khoảng 60 triệu dân, đã trải qua sự tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ trong hai thập kỷ qua, dẫn đến việc khai thác quá mức các tài nguyên thiên nhiên như rừng, đất và nước Diện tích rừng liên tục suy giảm, chất lượng đất và nước cũng bị ảnh hưởng tiêu cực, trong khi đất lâm nghiệp ngày càng được chuyển đổi sang đất nông nghiệp Nghiên cứu của các nhà khoa học tại trường đại học Mahidol đã phân tích sự thay đổi sử dụng đất tại ba tiểu lưu vực sông Chiangmai, sử dụng ảnh viễn thám LandSat từ 1985 đến 1995 để đánh giá tình hình Kết quả cho thấy sự suy giảm rừng thường xảy ra ở những khu vực có mật độ dân số cao, cho thấy mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa tăng trưởng dân số và mất diện tích rừng.
Tại một số nước châu Phi như Ethiopia, Kenya và Nigeria, GIS và Viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi trong việc theo dõi và giám sát sự thay đổi sử dụng đất Tại Ethiopia, các nhà khoa học đã kết hợp Viễn thám và GIS với điều tra ngoại nghiệp để đánh giá sự thay đổi sử dụng đất từ năm 1957 đến 1995 Nghiên cứu cho thấy sự suy giảm mạnh diện tích rừng, được thay thế bởi đất nông nghiệp, dẫn đến nhiều biến đổi sinh thái như giảm nguồn nước ngầm và sạt lở đất Các tác giả khuyến cáo Chính phủ cần có chính sách đất đai hợp lý nhằm hạn chế biến động môi trường và sinh thái.
Tại Việt Nam, viễn thám bắt đầu được chú ý từ năm 1980 khi nước ta tham gia tổ chức vũ trụ quốc tế Intercosmos Tuy nhiên, trước những năm 1990, việc ứng dụng ảnh vệ tinh còn hạn chế do điều kiện kinh phí và kỹ thuật, chỉ một số cơ quan và viện nghiên cứu thực hiện các chương trình dự án có sử dụng ảnh vệ tinh.
Viễn thám đểnghiên cứu nhưng còn nhỏlẻ, rời rạc và mang nặng tính nghiên cứu.
Từ những năm 1990, nhiều Bộ ngành, viện nghiên cứu và trường đại học tại Việt Nam đã nhận thức được vai trò quan trọng của ảnh vệ tinh Các cơ quan như Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, và Tổng cục Khí tượng Thủy văn đã đầu tư vào công nghệ này thông qua việc trang bị thiết bị, đào tạo nhân lực và ứng dụng thường xuyên để phục vụ cho nghiên cứu và đời sống kinh tế xã hội Đến nay, Việt Nam đã phát triển nhiều công trình khoa học và ứng dụng công nghệ GIS và Viễn thám nhằm theo dõi và đánh giá diễn biến tài nguyên, góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Vào ngày 29/12/1998 tại Hà Nội, hội đồng khoa học cấp Nhà Nước đã nghiệm thu dự án "Xây dựng hệ thống thông tin địa lý phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường" Dự án đã được triển khai tại 33 tỉnh và 10 bộ ngành, tạo ra cơ sở dữ liệu số thống nhất cho hệ thống thông tin địa lý về tài nguyên môi trường trên toàn lãnh thổ và lãnh hải Việt Nam, lần đầu tiên xuất hiện trên máy tính tại nước ta Cơ sở dữ liệu này bao gồm thông tin về tài nguyên thiên nhiên và môi trường với tỷ lệ biểu đồ 1/100.000 và 1/50.000, phân theo các nhóm như tài nguyên rừng, đất, nước, biển, khoáng sản Dự án cũng đã kết hợp GIS và Viễn thám để thử nghiệm một số mô hình giám sát sự biến động của các nguồn tài nguyên thiên nhiên và dự đoán xu thế biến đổi của chúng, đồng thời tạo tiền đề cho hợp tác quốc tế trong lĩnh vực công nghệ GIS và RS, xây dựng mối quan hệ chuyên môn với các trung tâm hàng đầu thế giới về GIS.
Việc ứng dụng công nghệ GIS và Viễn thám trong điều tra quy hoạch rừng đã mang lại nhiều thành tựu nổi bật, bao gồm việc xây dựng bản đồ lập địa và xác định vùng thích nghi cây trồng cho quy hoạch vùng nguyên liệu của nhà máy giấy Tân Mai tại Đồng Nai Công nghệ này cũng đã giúp xác định cấp xung yếu phòng hộ đầu nguồn và xây dựng bản đồ phân cấp phòng hộ cho dự án 327 tại các tỉnh Ninh Thuận, Bình Phước, Kiên Giang, và Bà Rịa Vũng Tàu Ngoài ra, nó còn được sử dụng để theo dõi và đánh giá diễn biến tài nguyên rừng từ năm 1998 đến 2002, cũng như giám sát thảm thực vật tại nhiều vườn quốc gia như Tam Đảo và Côn Đảo.
Trong chương trình kiểm kê rừng toàn quốc năm 2002, công nghệ GIS và Viễn thám đã được Cục Kiểm lâm phối hợp với Viện Điều tra Quy hoạch Rừng áp dụng thành công Tất cả các cảnh vệ tinh LandSat ETM với độ che phủ toàn lãnh thổ Việt Nam, được chụp vào cuối năm 2001 và trong năm 2002, đã được sử dụng hiệu quả trong công tác kiểm kê rừng.
Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã thực hiện việc mua sắm để phục vụ cho công tác nghiên cứu, dẫn đến việc tạo ra bộ bản đồ hiện trạng rừng năm 2002 cùng với bản đồ về sự thay đổi diện tích rừng.
1998-2002 cùng các sốliệu thống kẽrừng, đất trống năm 2002 đãđược xây dựng và được Bộ nông nghiệp & phát triển nông thôn thẩm định phê duyệt vào tháng
Tại Hà Nội, tác giả Nguyễn Đình Dương đã sử dụng tư liệu Viễn thám đa thời gian để phân tích biến động môi trường trong giai đoạn từ tháng 6 năm 1986 đến tháng 10 năm 1996 Trong vòng 10 năm này, môi trường đã trải qua nhiều biến động do sự phát triển đô thị, thay đổi trong quy hoạch hệ thống cơ sở hạ tầng, và đặc biệt là sự biến động lòng dẫn của Sông Hồng do nhiều nguyên nhân khác nhau.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu
Việc xác định tài nguyên rừng thông qua ảnh VNRedSat-1 đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện cơ sở khoa học cho việc lập bản đồ hiện trạng rừng Điều này không chỉ giúp thống kê tài nguyên rừng mà còn hỗ trợ công tác quản lý và theo dõi diễn biến của tài nguyên rừng một cách hiệu quả.
- Xây dựng được bản đồhiện trạng rừng tỷlệ1:50.000 của khu vực nghiên cứu.
- Thống kê được diện tích, trữ lượng bình quân của các trạng thái rừng có trên địa bàn khu vực nghiên cứu.
- Đề xuất ứng dụng ảnh vệ tinh VNRedSat-1 trong điều tra, quản lý, theo dõi diễn biến tài nguyên rừng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-Ảnh vệtinh VNRedSat-1 của khu vực nghiên cứu.
- Hiện trạng rừng và đất chưa có rừng trong quy hoạch cho lâm nghiệp tại khu vực nghiên cứu.
- Diện tích rừng tựnhiên, rừng trồng và rừng mới trồng chưa thành rừng tại khu vực nghiên cứu.
- Phạm vi vềnội dung:Xây dựng bản đồhiện trạng rừng và đánh giá vềtrữ lượng các trạng thái rừng tại khu vực nghiên cứu
- Phạm vi về không gian: Huyện Tân Sơn, Tỉnh Phú Thọ.
- Phạm vi về thời gian: từ tháng 4/2016 đến tháng 11/2016
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu xây dựng bộmẫu khóaảnh phục vụgiải đoán ảnh vệtinh khu vực nghiên cứu.
- Nghiên cứu phương pháp giải đoán ảnh vệ tinh tự động bằng phần mềm eCognition Developer.
- Nghiên cứu lập quy trình thành lập bản đồ hiện trạng và thống kê tài nguyên rừng từ ảnh vệtinh VNRedSat-1.
- Nghiên cứu xác địnhtrữ lượng các trạng thái rừng tại khu vực nghiên cứu.
- Thống kê tài nguyên rừng tại khu vực nghiên cứu.
-Đề xuất ứng dụng ảnh vệ tinh VNRedSat-1 trong điều tra, quản lý, theo dõi diễn biến tài nguyên rừng.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1.Phương pháp kế thừa số liệu.
- Những tài liệu về điều kiện tựnhiên, khí hậu, thủy văn, đất đai, địa hình, tài nguyên rừng ởkhu vực nghiên cứu.
-Thông tin, tư liệu về điều kiện kinh tế, điều kiện xã hội: dân số, lao động, thành phần dân tộc, tập quán canh tác khu vực nghiên cứu.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các kết quả nghiên cứu và các văn bản liên quan đến bản đồ hiện trạng và quy hoạch bảo vệ phát triển rừng, cũng như bản đồ hiện trạng sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu Những thông tin này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ tình hình rừng và đất đai, từ đó hỗ trợ cho việc lập kế hoạch bảo vệ và phát triển bền vững.
-Bản đồhiện trạng rừng mới nhất của địa phương.
2.4.2 Phỏng vấn chuyên gia địa phương.
+ Làm việc với các chuyên gia viễn thám, chuyên gia lâm nghiệp, bảo tồn thiên nhiên, tài nguyên và môi trườngở địa phương đểthảo luận về:
+ Hiện trạng rừng trên địa bàn khu vực nghiên cứu.
+ Các nguyên nhân tác động đến tài nguyên rừng.
+Tập quán canh tác của địa phương.
2.4.3 Xây dựng mẫu phân loại.
Bộ mẫu phân loại, hay còn gọi là bộ mẫu khóa ảnh, là tập hợp các cặp điểm mẫu từ ảnh vệ tinh cùng với tọa độ tương ứng của các đối tượng thực địa cần phân loại Bộ mẫu khóa ảnh đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp căn cứ cho phần mềm giải đoán ảnh, cho phép sử dụng các thông số như phổ và cấu trúc để thực hiện phân loại chính xác.
Hệ thống mẫu khóa ảnh sẽ được áp dụng để xác định khoảng giá trị cho từng loại đối tượng rừng và đất lâm nghiệp thông qua các chỉ số tham gia vào quá trình phân loại tự động hoặc bán tự động (Asign Classs) bằng phần mềm eCognition, bao gồm các chỉ số như Brightness, Standard deviation, NDVI, TRRI, và EVI.
Bộ mẫu khóa ảnh được xây dựng dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ quy hoạch ba loại rừng mới nhất trong khu vực nghiên cứu Số lượng mẫu khóa ảnh được lựa chọn phải đủ lớn để đảm bảo mỗi tiêu chí phân loại có khả năng xác định chính xác ngưỡng cho từng đối tượng trong các cảnh ảnh Số lượng mẫu khóa ảnh cũng phụ thuộc vào diện tích của từng trạng thái.
Mẫu khóa ảnh được thu thập và ghi chép vào phiếu 01 và phiếu 02 trong phần phụlục.
Sử dụng phiếu 01 để xây dựng mẫu khóa ảnh cho các trạng thái rừng tự nhiên, đặc biệt là khi có tầng cây gỗ, giúp tiếp cận tâm của mẫu khóa ảnh Đồng thời, việc áp dụng thước Bitterlich cho phép xác định nhanh chóng trữ lượng và trạng thái rừng.
Phiếu 02 được sử dụng trong trường hợp lấy mẫu khóa ảnh các trạng thái: rừng trồng, rừng tre nứa, và các loại trạng thái đất nông nghiệp, đất khác, đất mặt nước…
2.4.3.1 Xác định số lượng và vị trí mẫu ảnhtrong phòng. Ảnh vệ tinh sử dụng trong nghiên cứu là ảnh VNRedsat_1 có độ phân giải 2.5m.Ảnh đã được tổ hợp màu tự nhiên theo 3 kênh (Band1-Red, Band2-Green và Band3-Blue) và được chuyển hệtọa độvềkinh tuyến trục địa phương của tỉnh
Phú Thọ có tọa độ 1040.45' Khu vực nghiên cứu không nằm trọn trong một bức ảnh mà trải dài trên hai bức ảnh khác nhau nhưng chụp trong cùng khoảng thời gian (3 đến 6 tháng) Để có được hình ảnh hoàn chỉnh, cần thực hiện cân bằng tone màu giữa hai bức ảnh (histogram matching), nâng cao chất lượng ảnh và cắt ghép theo ranh giới khu vực nghiên cứu bằng phần mềm Erdas Sau khi cắt ghép, ảnh sẽ được đưa vào phần mềm Ecognition để thực hiện phân đoạn (segmentation) dựa trên các màu đặc trưng của ảnh vệ tinh Dữ liệu phân đoạn sau đó sẽ được xuất sang phần mềm Mapinfo để chọn mẫu khóa ảnh trong phòng, bằng cách chấm điểm vào vùng đã khoanh và nhập mã trạng thái vào thuộc tính của điểm mẫu khóa Hình ảnh cắt ghép cũng sẽ là nguồn dữ liệu để phân loại và xây dựng bản đồ hiện trạng rừng sau này.
Số lượng mẫu khóa ảnh được chọn phải đảm bảo đủ lớn để xác định chính xác ngưỡng cho từng đối tượng trong các cảnh ảnh Với kích thước 17,5 km x 17,5 km của ảnh vệ tinh VNREDSat-1, mỗi cảnh ảnh cần tối thiểu 20 mẫu Đối với các cảnh ảnh chỉ sử dụng một phần diện tích, như ở ranh giới giữa hai huyện hoặc xã, số điểm mẫu có thể giảm nhưng mỗi trạng thái vẫn cần tối thiểu 3-5 mẫu tùy thuộc vào diện tích sử dụng.
Dựa trên bản đồ rừng mới nhất, cần xác định 3-5 tuyến điều tra qua các trạng thái rừng cho mỗi cảnh ảnh Trong mỗi tuyến, lựa chọn những điểm đại diện cho các trạng thái rừng để xây dựng mẫu khoảnh Các điểm mẫu ảnh phải nằm trong một trạng thái rừng cụ thể, trong khu vực đã được khoanh vi và cách ranh giới với các trạng thái khác tối thiểu 50m Để đảm bảo sự phân bố đồng đều, các điểm ảnh cùng trạng thái trong cùng một cảnh ảnh cần cách nhau tối thiểu 200m.
2.4.3.2 Khảo sát mẫu ảnh ngoại nghiệp.
Bộ mẫu khóa ảnh được xây dựng trong phòng trên phần mềm Mapinfo có dạng point (dạng điểm) đươc trút sang GPS cầm tay qua phần mềm Global
Mapper và phần mềm Map Soure.
Tiến hành khảo sát thực địa theo tuyến đã xác định, sử dụng GPS để xác định vị trí từng điểm mẫu cần điều tra.
- Đối với các mẫu khó tiếp cận được phép dịch chuyển trong vòng 50m, lấy lại tọa độghi trên GPS và phiếu mô tả.
Tại các điểm mẫu, tiến hành điều tra nhanh các chỉtiêu bình quân của trạng thái: G, M, H.
Sử dụng thước Bitterlich để đo tiết diện ngang (G) tại năm vị trí, bắt đầu từ tâm điểm điều tra Các vị trí còn lại được đặt cách tâm điểm 5 mét theo các hướng đông, tây, nam và bắc.
+ Đo chiều cao ba cây có cỡ kính trung bình trong lô gần tọa độ điểm mẫu.
+ Tính trữ lượng bình quân M/ha =GHF; với ước tính F=0,45.
+ Xác định trạng thái rừng tại điểm mẫu trên cơ sở cấu trúc và trữ lượng rừng.
+ Quan sát, đếm tần suất xuất hiện các loài cây trong ô mẫu và xác định trực tiếp tên loài ưu thếtrong ô mẫu.
+ Chụp ảnh và ghi các thông tin vào hệ thống phiếu điều tra ô mẫu (Phiếu01/MKA -Phụlục 01)
-Đối với các ô mẫu khó có khả năng tiếp cận, nhưng có thểquan sát tốt, xác định bổsung mẫuảnh đểphục vụgiải đoán.
+ Xác định vị trí quan sát trên bản đồvà vị trí ô mẫu ngoài thực địa.
Xác định tên trạng thái ô mẫu dựa trên tiêu chí phân loại rừng theo Thông tư 34/2009/TT-BNNPTNT, được cụ thể hóa trong bảng phân loại rừng, là bước quan trọng trong quá trình phân loại rừng.
+ Chụpảnh ô mẫu, ghi lại các thông sốchụp như: khoảng cách, hướng chụp (Phiếu 02/MKA- Phụlục 02)
Để đảm bảo tính chính xác và đầy đủ của kết quả điều tra, cần thống kê lại số liệu khảo sát ô mẫu cho từng trạng thái sau mỗi ngày điều tra Mục tiêu là đảm bảo rằng khi kết thúc đợt ngoại nghiệp, mỗi trạng thái theo thang phân loại phải có ít nhất 20 ô mẫu.
2.4.4 Giải đoán ảnh bằng phần mềm Ecogniton Developer.
Giải đoán ảnh (phân loạiảnh) trên phần mềm Ecognition Deverloperđược thực hiện lần lượt theo các quy trình sau:
- Thiết lập thêm các chỉtrong quá trình phân loạiảnh.
- Chạy phân loại bằngphương pháp không kiểm định.
- Chạy phân loại bằngphương phápcó kiểm định.
- Bóc tách trạng thái sau chạy phân loại có kiểm định.
2.4.4.1 Thiết lậpthêm các chỉ sốtrong quá trình phân loại ảnh vệ tinh Spot5.
Ngoài các chỉsốcó sẵn trên phần mềm Ecognition nhưLayer value Mean, Standard Dev , Hue, Brightness…, ta cần thiết lập thêm các chỉ số có trên ảnh
VNRedSat-1để sửdụng trong quá trình giải đoán:
* Chỉ số thực vật (NDVI- normalized difference vegetation index): được tính theo công thức dưới đây:
NDVI = (NIR - RED)/(NRI+RED)( Kênh2-kênh1)/(Kênh2+Kênh1)
NIR: Kênh cận hồng ngoại của ảnh VNRedSat-1.
* Tỷ sốchỉsốthực vật (ratio vegetion index).
RVI=NIR/RED (Lưuý: NIR kênh cận hồng ngoại thay thê bằng kênh Green)
* Tỷ sốtổng giá trịcấp độxám (total ratio reflectance index).
TRRI thường dùng đểtính giá trịcấp độxám trung bình.
DN1, DN2…DNn: Giá trịcấp độxám của từng kênh của ảnh vệtinh.(sốkênh)
* Chỉ số thực vật sai khác DVI (difference vegetion index) hay còn gọi là chỉ sốthực vật môi trường EVI (environmental vegetion index.
* Chỉsốmàu xanh thực vật GVI (green vegetation index).
* Chỉsố tăng cường lớp thực vật (Enhancement vegetation index).
EVI= 2.5* (NIR-RED)/(NIR+6*RED-7.5*BLUE+1)
2.4.4.2 Phương pháp không kiểm định.
Phân loại ảnh sơ bộ bằng phương pháp không kiểm định giúp tách các lô hoặc đối tượng tương đối đồng nhất trên ảnh, từ đó tạo cơ sở cho việc thiết kế hệ thống mẫu ảnh hiệu quả.
Đặc điểm địa bàn khu vực nghiên cứu
Xuân Sơn là xã miền núi của huyện Tân Sơn, Cách trung tâm huyện khoảng
35 km về phía Tây Nam, với diện tích tự nhiên 6572,5 ha có vị trí cụ thể như sau:
- Phía Bắc giáp xã Tân Sơn, Đồng Sơn, Lai Đồng huyện Tân Sơn.
Xây dựng mẫu phân loại
Phân loại trên phần mềm eCogniton Developer
- Bổsung, chỉnh sửa trong phòng
Hoàn thiện bản đồtrạng thái Đạt Không đạt
Thống kê tài nguyên rừng Đạt Điều tra trữ lượng rừng
- Phía Nam giáp xã Kim Thượng huyện Tân Sơn và xã Đồng Nghê của huyện Đà Bắc, tỉnh Hòa Bình.
-Phía Đông giáp xã Xuân Đài huyện Tân Sơn.
- Phía Tây giáp xã Mường Bang và Mường Do của huyện Phù Yên tỉnh Sơn La.
Xuân Sơn là một xã miền núi nằm ở cuối địa phận dãy núi Pu Luông, thuộc khu vực vườn quốc gia Xuân Sơn Khu vực này có hai dãy núi chính, trong đó dãy núi Cẩn ở phía Tây Bắc cao trên 1000m, chủ yếu là núi đá vôi, còn phía Nam là các dãy núi cao từ 600-700m, tạo thành ranh giới tự nhiên của vườn quốc gia.
Quốc Gia với xã Kim Thượng và Xuân Đài.
Xã Xuân Sơn có địa hình đồi núi xen kẽ đồng bằng, nghiêng dần từ Bắc xuống Nam, được chia làm 2 dạng địa hình chính:
+Địa hình bằng phẳng: chiếm khoảng 5% tổng diện tích đất tự nhiên, được phân bố rải rác trong xã, nằm xen kẽ giữa các quả đồi.
Địa hình đồi núi cao chiếm khoảng 95% tổng diện tích đất tự nhiên, chủ yếu phân bố ở phía Bắc Khu vực này có độ cao trung bình từ 300 đến 700 mét và độ dốc trung bình từ 10 đến 30 độ.
Xã Xuân Sơn thuộc vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, với mùa Hè nóng ẩm và mưa nhiều, trong khi mùa Đông lại ít mưa, lạnh và khô Lượng mưa trung bình không cao và phân bố theo mùa, ít bị ảnh hưởng bởi gió bão.
+ Nhiệt độ trung bình năm: 22 0 C.
+ Nhiệt độ tháng cao nhất (rơi vào tháng 7) là 27,5 0 C.
+ Nhiệt độ tháng thấp nhất (rơi vào tháng 1) là 14,1 0 C.
+ Tổng tích ôntrung bình năm từ 7500 - 8000 0 C.
Các tháng có nhiệt độ cao nhất trong năm là tháng 6, 7 và 8, với nhiệt độ dao động từ 25,2 đến 27,5 độ C Trong khi đó, các khu vực tiểu vùng thấp thường có nhiệt độ cao hơn từ 1 đến 2 độ C so với các vùng đồi núi cao trong mùa hè Ngược lại, tháng có nhiệt độ thấp nhất rơi vào tháng 12, 1 và 2, với nhiệt độ có thể xuống tới 3-5 độ C.
Lượng mưa trung bình hàng năm đạt 1400 mm, nhưng phân bố không đồng đều trong năm Mùa mưa kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, với khoảng 85% tổng lượng mưa rơi vào thời gian này, đặc biệt tập trung vào các tháng 6, 7 và 8 Điều này dễ dẫn đến tình trạng ngập úng và lũ quét tại những khu vực địa hình thấp, kéo dài từ 1 đến 3 ngày, gây ách tắc giao thông và thiệt hại cho nhà cửa cũng như hoa màu của người dân địa phương.
Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau có lượng mưa chỉ chiếm khoảng 15% tổng lượng mưa cả năm, đặc biệt trong các tháng 12 và 1, lượng mưa rất thấp Sự bốc hơi cao trong mùa này ảnh hưởng lớn đến hoạt động trồng trọt, do đó cần có hệ thống tưới tiêu hợp lý để duy trì sản xuất nông nghiệp.
Mạng lưới thủy văn của xã bao gồm hai nguồn chính: thứ nhất, toàn bộ diện tích sông suối và mặt nước chuyên dùng, cũng như diện tích ao hồ, phục vụ chủ yếu cho sản xuất nông nghiệp; thứ hai, nguồn nước ngầm được khai thác chủ yếu qua khoan và đào giếng khơi để phục vụ nhu cầu sinh hoạt.
Xã Xuân Sơn có hệ thống sông suối phong phú, với suối Thang, suối Dài và nhiều suối nhỏ tổng chiều dài hơn 20 km, mật độ trung bình 0,64 km/1 km², chủ yếu chảy theo hướng Tây Nam Mùa mưa hàng năm, nước sông suối dâng cao gây ngập úng ở các vùng thấp, ảnh hưởng đến đất canh tác và giao thông Để sử dụng hiệu quả nguồn nước, cần xây dựng các đập và mương dẫn nước tưới cho lúa, hoa màu, đồng thời lắp đặt hệ thống ống dẫn nước sinh hoạt đến các khu dân cư trong vùng.
-Đất của xã Xuân Sơn chủ yếu là đất feralits đỏ, vàng và đất dốc tụ.
Đất Feralits đỏ vàng chủ yếu phân bố ở các vùng đồi núi có độ cao từ 400m trở lên, nổi bật với tầng dày, thành phần cơ giới nặng và độ chua cao, giúp giữ ẩm tốt Tuy nhiên, loại đất này dễ bị rửa trôi do phương thức canh tác chưa hợp lý Nó rất phù hợp cho việc phát triển các loại cây nguyên liệu giấy và cây lâu năm.
Đất dốc tụ là loại đất chủ yếu xuất hiện ven các đồi và gò, có màu xám hoặc xám đen Thành phần cơ giới của loại đất này dao động từ cát pha đến thịt trung bình, với đặc điểm là đất chua.
N, P, K không cao do quá trình phong hóa rửa trôi xẩy ra Vùng đất này chủ yếu trồng các loại cây lương thực, cây công nghiệp ngắn ngày.
Tài nguyên nước của xã bao gồm 2 nguồn chính:
Nguồn nước mặt bao gồm toàn bộ diện tích ao, hồ, đầm và hệ thống suối trong xã Mặc dù tài nguyên nước mặt không đa dạng, nhưng chúng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản trong khu vực.
Nguồn nước ngầm ở khu vực ruộng đồng có độ sâu từ 2 đến 4m, trong khi ở khu vực gò đồi núi thấp, độ sâu này từ 10 đến 15m Nguồn nước này có trữ lượng tương đối và là nguồn nước sạch, dễ khai thác, phục vụ chủ yếu cho nhu cầu ăn uống và sinh hoạt của người dân Hiện nay, nguồn nước ngầm đang được khai thác thông qua giếng khơi và giếng khoan.
Tuy nhiên cần sử dụng tiết kiệm, hợp lý để tránh thiếu nước vào mùa khô hạn.
Tài nguyên rừng của xã Xuân Sơn rất phong phú với diện tích đất lâm nghiệp lên tới 6.515,2 ha, chiếm 99,13% tổng diện tích tự nhiên của xã Mật độ che phủ rừng hiện tại đạt 91,1%, cho thấy sự phát triển bền vững của hệ sinh thái rừng tại đây Xuân Sơn là xã có diện tích đất lâm nghiệp lớn thứ ba trong huyện Tân Sơn, chỉ sau xã Thu Cúc và Kim Thượng.
Xuân Sơn với nhiều tài nguyên rừng phong phú trong đó nổi bật nhất là Vườn
Quốc Gia Xuân Sơn là một khu vực nổi bật với hệ sinh thái rừng phong phú, đa dạng về động thực vật Tại đây, có khoảng 366 loài động vật, trong đó có 46 loài được ghi vào sách đỏ Việt Nam và 18 loài nằm trong sách đỏ thế giới.
726 loài thực vật bậc cao thuộc 475 chi, 134 họ Các loại cây đặc sản như rau
Sắng, Sa Nhân, Khoai Tầng Ngoài ra Vườn Quốc Gia Xuân Sơn còn có hệthống hang động độc đáo, khí hậu mát mẻ, trong lành, cảnh quan đẹp.
2.5.2 Điều kiện kinh tế, xã hội.
2.5.2.1 Dân số, dân tộc và lao động.
Theo thống kê đến tháng 12/2016 thì trong xã có tổng số người là 1232 người, tổng số nhân khẩu 299 Có 7 dân tộc cùng chung sống trong đó dân tộc
Kinh chiếm 0,4% còn lại dân tộc là: Mường, Cao Lan, Tày, Nùng, Thái, Giao.
- Tỷlệ tăng dân số tựnhiên 0,8%, giảm 0,5%;
- Mức giảm tỷlệ hộ nghèo 4,3%, đạt 143% so với kế hoạch;
- Tỷlệ lao động có việc làm thường xuyên 85%;
- Tỷlệ lao động qua đào tạo đạt 42,2%; trong đó tỷlệ lao động có bằng cấp, chứng chỉlà: 21,3%;
-Cơ cấu lao động: Nông, lâm nghiệp và thủy sản: 90%, ngành khác: 10%;
- Xuất khẩu lao động là: 01 người, đạt 50% so với kế hoạch;
Xã có 3 điểm trường với 3 cấp học: mầm non, tiểu học và THCS Cấp mầm non gồm 7 lớp với 20 giáo viên và 112 học sinh Cấp tiểu học có 11 lớp, trong khi cấp THCS có 4 lớp và 30 giáo viên, nhân viên Tỷ lệ học sinh tốt nghiệp và chuyển cấp đạt 100%.
