Luận văn Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất bằng tư liệu ảnh Modis phục vụ cảnh báo hạn hán khu vực Tây Nguyên

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất bằng tư liệu ảnh Modis phục vụ cảnh báo hạn hán khu vực Tây Nguyên

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ QUỲNH TRANG NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT BẰNG TƢ LIỆU ẢNH MODIS PHỤC VỤ CẢNH BÁO HẠN HÁN KHU VỰC TÂY NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ QUỲNH TRANG NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT ĐẤT BẰNG TƢ LIỆU ẢNH MODIS PHỤC VỤ CẢNH BÁO HẠN HÁN KHU VỰC TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: QUản lý tài nguyên môi trƣờng Mã số: 60850101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................. 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài. .................................................................................... 2 3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu. ........................................................................................ 3 4. Cấu trúc luận văn ........................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1 .......................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ẢNH MODIS TRONG TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ CẢNH BÁO KHÔ HẠN ........................................................................... 5 1.1. Một số khái niệm liên quan đến nội dung nghiên cứu .................................................. 5 1.1.1. Nhiệt độ bề mặt đất .............................................................................................. 5 1.1.2. Hạn hán, chỉ số khô hạn ....................................................................................... 7 1.2. Giới thiệu chung về dữ liệu ảnh MODIS .......................................... 9_Toc377308318 1.3. Cơ sở ứng dụng tƣ liệu ảnh MODIS trong tính toán nhiệt độ bề mặt và chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật ............................................................................................................ 14 1.3.1. Sử dụng tư liệu ảnh MODIS cho tính toán nhiệt độ bề mặt ................................. 14 1.3.1.1. Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt độ bề mặt ......................................................... 14 1.3.1.2. Tính toán chỉ số nhiệt độ bề mặt đất từ ảnh MODIS ........................................ 18 1.3.2. Sử dụng tư liệu ảnh MODIS cho tính toán chỉ số khô hạn ................................... 23 1.3.2.1. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt đất LST và chỉ số thực vật NDVI ................ 23 1.3.2.2. Cơ sở tính toán chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật ........................................... 29 1.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 36 CHƢƠNG 2 ........................................................................................................................ 37 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VÀ NGUY CƠ HẠN HÁN Ở TÂY NGUYÊN ................................................................................................................... 37 2.1. Các nhân tố tự nhiên ................................................................................................. 37 2.1.1. Vị trí địa lý ......................................................................................................... 37 2.1.2. Địa chất ............................................................................................................. 37 2.1.3. Địa hình - địa mạo ............................................................................................. 39 2.1.4. Khí hậu .............................................................................................................. 43 2.1.5. Thủy văn ............................................................................................................ 49 2.1.6. Thổ nhưỡng ........................................................................................................ 53 2.2. Các hoạt động kinh tế xã hội ..................................................................................... 58 2.2.1. Dân tộc và chính sách phát triển kinh tế xã hội .................................................. 58 2.2.2. Phát triển nông – lâm nghiệp: ............................................................................ 60 CHƢƠNG 3 ........................................................................................................................ 65 3.1. Cơ sở dữ liệu và mô hình tính toán............................................................................ 65 3.1.1. Cơ sở dữ liệu ..................................................................................................... 65 3.1.3. Quy trình tính toán ............................................................................................ 69 3.2. Tính toán nhiệt độ bề mặt khu vực Tây Nguyên ........................................................ 70 3.3. Tính toán chỉ số khô hạn khu vực Tây Nguyên.......................................................... 75 3.3.1. Tính toán chỉ số NDVI từ MOD09A1 .................................................................. 75 i
4. 3.3.2. Tính TVDI từ LST và NDVI ................................................................................ 78 3.4. Cảnh báo nguy cơ hạn hán khu vực Tây Nguyên ................................................... 83 KẾT LUẬN......................................................................................................................... 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 92 ii
5. DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu Hình 1.1. Sơ đồ phân phối các sản phẩm MODIS theo hệ thống mắt lƣới sinusoidal Hình 1.2. Bức xạ điện từ của vật đen tuyệt đối ở các bƣớc sóng Hình 1.3. Định luật Wien và quan hệ bƣớc sóng/ cƣờng độ nhiệt độ bức xạ Hình 1.4. So sánh phát xạ của thạch anh với vật đen tuyệt đối Hình 1.5. Công suất bức xạ của kim loại theo các bƣớc sóng Hình 1.6. Cửa số khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt Hình 1.7. Sơ đồ không gian của nhiệt độ bề mặt - chỉ số thực vật và mối quan hệ với sự bay hơi (evaporation), sự thoát hơi nƣớc của cây (transpiration) và phần trăm lớp phủ thực vật Hình 1.8. Mô phỏng về các yếu tố ảnh hƣởng tới nhiệt độ bề mặt đất. Các biến trong đƣờng tròn có thể nhận đƣợc từ dữ liệu viễn thám Hình 1.9. Chỉ số TVDI của một pixel ảnh (Ts, NDVI) đƣợc xác định nhƣ một tỷ lệ giữa đƣờng A = ()TTss min và B = ()TTssmax min Hình 1.10. Ví dụ về không gian đặc trƣng tiêu chuẩn Ts- NDVI Hình 2.1. Bản đồ địa hình và bản đồ vờn bóng địa hình Tây Nguyên Hình 2.2. Bản đồ địa mạo Tây Nguyên Hình 2.3. Nhiệt độ trung bình tháng và lƣợng mƣa tháng của trạm Đà Lạt và Buôn Ma Thuột năm 2012 Hình 2.4. Sơ đồ các trạm khí tƣợng khu vực Tây Nguyên Hình 2.5. Bản đồ thủy văn Tây Nguyên Hình 2.6. Bản đồ đất của Tây Nguyên Hình 2.7. Hiện trạng lớp phủ rừng Tây Nguyên năm 2010 Hình 3.1. Quy trình tính toán chỉ số khô hạn TVDI Hình 3.2. Bản đồ nhiệt độ bề mặt đất khu vực Tây Nguyên tổ hợp 8 ngày từ 26/02/2012 đến 5/03/2012 iii
6. Hình 3.3. Nhiệt độ bề mặt đất tổ hợp theo tháng cho tháng 1/2013(a), 2/2013(b), 3/2013(c) Hình 3.4. Nhiệt độ bề mặt đất tính từ ảnh MODIS và nhiệt độ bề mặt đất trung bình tháng 2/2012 và 11/2012 tại các trạm khi tƣợng Hình 3.5. Bản đồ chỉ số thực vật NDVI khu vực Tây Nguyên ngày 09/01/2013 Hình 3.6. Chỉ số TVDI của một pixel ảnh (Ts, NDVI) đƣợc xác định nhƣ một tỷ lệ giữa đƣờng A = và B = Hình 3.7. Lấy mẫu trên ảnh LST để xác định rìa ƣớt của tam giác TVDI Hình 3.8. Phân ngƣỡng NDVI Hình 3.9. Thống kê LST min cho từng lớp NDVI sau khi phân ngƣỡng Hình 3.10. Giá trị rìa khô đƣợc sử dụng cho việc tính toán chỉ số TVDI ngày 09/01/2013 (trái) và ngày 2/12/2012 (phải) Hình 3.11. Chuỗi bản đồ TVDI tổ hợp tháng năm 2011 Hình 3.12. Chuỗi bản đồ TVDI tổ hợp tháng năm 2012 Hình 3.13. Chuỗi bản đồ TVDI tổ hợp tháng cho 11 tháng/ 2 cho mùa khô 2011-2012 và 2012-2013 Hình 3.14. Mối quan hệ giữa lƣợng mƣa trung bình tháng tại các trạm khí tƣợng và ()TT ()TT chỉ số khô hạn TVDIss min ssmax min Hình 3.15. Sơ đồ chỉ số khô hạn của hai tỉnh Gia Lai và Đăk Lăk tổ hợp tháng cho tháng 12/2012(a), 1/2013(b), 2/2013(c) Hình 3.16. Bản đồ lớp phủ rừng 2010 khu vực Tây Nguyên iv
7. DANH MỤC BẢNG Bảng1. Số liệu hành chính các tỉnh vùng Tây Nguyên Bảng 1.1. Các đặc tính kỹ thuật của ảnh MODIS Bảng 1.2. 36 kênh phổ của ảnh MODIS Bảng 1.3. Các kênh ảnh MODIS đƣợc sử dụng để tính nhiệt độ bề mặt đất Bảng 1.4. Hệ số phát xạ trung bình của 11 loại cây trên kênh 31, 32 của MODIS Bảng 2.1. Nhiệt độ trung bình và lƣợng mƣa tại các trạm khí tƣợng của Tây Nguyên Bảng 2.2. Danh sách và tọa độ các trạm khí tƣợng của Tây Nguyên Bảng 2.3. Các loại đất chính vùng Tây Nguyên Bảng 2.4. Hiện trạng lớp phủ rừng Tây Nguyên năm 2010 Bảng 3.1. Các đặc tính kỹ thuật của MOD11A2 Bảng 3.2. Bộ dữ liệu sản phẩm của MOD11A2 Bảng 3.3. Nhãn đánh giá chất lƣợng sản phẩm cho MOD11A2 Bảng 3.4. Các đặc tính kỹ thuật của MOD09A1 Bảng 3.5 .Bộ dữ liệu sản phẩm của MOD09A1 v
8. Lời cảm ơn Trƣớc tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS. TS. Nguyễn Hiệu, thầy đã tận tình hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn. Nhờ có sự giúp đỡ của thầy, em thấy mình trƣởng thành hơn rất nhiều sau luận văn thạc sỹ này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị đồng nghiệp thuộc phòng Công nghệ Viễn thám, GIS và GPS, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam. Các anh chị đã chỉ bảo tận tình, định hƣớng và tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn. Sau luận văn thạc sỹ, em học hỏi đƣợc rất nhiều điều cũng nhƣ kinh nghiệm nghiên cứu, làm việc. Em xin chân thành cảm ơn đề tài TN3/T16 thuộc chƣơng trình Khoa học và Công nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây Nguyên đã hỗ trợ kinh phí và tƣ liệu để em thực hiện luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Địa lý và phòng Sau Đại học trƣờng Đại học Tự nhiên Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học tập và nghiên cứu Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã giúp đỡ, động viên khích lệ và chia sẻ cùng em trong quá trình thực hiện luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thị Quỳnh Trang vi
9. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tây Nguyên là vùng cao nguyên ở Nam Trung Bộ Việt Nam có đất đai màu mỡ với đất đỏ bazan đặc trƣng, diện tích rừng còn lại lớn với thảm sinh vật đa dạng, có trữ lƣợng khoáng sản phong phú hầu nhƣ chƣa đƣợc khai thác và tiềm năng du lịch cao. Tuy nhiên hiện nay, vùng đất này đang phải đối mặt với không ít nguy cơ về suy thoái rừng cũng nhƣ suy thoái chất lƣợng đất, kéo theo những hậu quả nhƣ sụt giảm năng suất cây trồng và nguy cơ hạn hán, nạn khô hạn đang ngày một mở rộng diện tích. Tính đến tháng 3/2013, các tỉnh Tây Nguyên đã có trên 73.773 ha/600.000 ha cây trồng các loại bị hạn, chủ yếu là lúa nƣớc và cà phê. Dự báo, diện tích khô hạn các tỉnh Tây Nguyên sẽ còn tiếp tục tăng thêm 73.000 ha. Trong những năm gần đây, Tây Nguyên liên tục là một trong những khu vực chịu hạn hán và thiếu nƣớc trầm trọng nhất cả nƣớc. Từ đó có thể thấy những nghiên cứu về cảnh báo hạn hán là rất cần thiết cho công tác ứng phó, cũng nhƣ quy hoạch sử dụng đất hợp lý nói riêng, và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên của Tây Nguyên nói chung. Nhiệt độ lớp phủ bề mặt (Land surface temperature - LST) là một trong các chỉ số về quá trình cân bằng năng lƣợng trên bề mặt Trái đất, là kết quả của các tƣơng tác, trao đổi năng lƣợng giữa mặt đất – khí quyển. Nhiệt độ bề mặt đất đƣợc tính toán trên cơ sở sự phát xạ của các đối tƣợng bề mặt (đất đai, lớp phủ thực vật, bề mặt của nhà cửa ) và có mối liên quan mật thiết với các quá trình biến đổi của môi trƣờng đất, đồng thời cũng phản ánh sự thay đổi của lớp phủ thực vật, đóng vai trò quan trọng với các chỉ số cảnh báo hạn hán, ví dụ nhƣ trong điều kiện khô hạn, nhiệt độ lá cây tăng cao là một chỉ số phản ánh sự thiếu nƣớc của thực vật. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt và các loại thực phủ sẽ góp phần tìm ra câu trả lời tốt nhất để cải thiện những vấn đề nhƣ nạn hạn hán, sâu bệnh, cải thiện chất lƣợng môi trƣờng, từ đó làm cơ sở khoa học cho công tác cảnh báo hạn và quy hoạch sử dụng đất. 1
10. Trong điều kiện hiện nay ở Tây Nguyên, sử dụng các lực lƣợng hiện có chƣa thể đáp ứng những yêu cầu của công tác nghiên cứu, nên một hệ thống có khả năng cung cấp kịp thời, liên tục các thông tin giám sát và quản lý rừng trên diện rộng là hết sức cần thiết. Cùng với sự phát triển của công nghệ vệ tinh quan sát Trái đất, khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với hệ thông tin địa lý trong nghiên cứu lớp phủ thực vật cho thấy có nhiều ƣu thế với điều kiện đặc thù của Tây Nguyên. Và việc ứng dụng ảnh viễn thám, đặc biệt là ảnh MODIS (có khả năng chụp 1 – 4 ảnh/ngày) hiện nay đáp ứng đƣợc các yêu cầu này. Ƣu điểm của ảnh MODIS là thể thu nhận đƣợc hàng ngày, với tần suất quan sát lãnh thổ cao, độ phủ trùm lớn, giúp thu thập thông tin nhanh chóng, đồng bộ, khách quan rất phù hợp cho công tác giám sát lớp phủ và phát triển của rừng. Đây là ƣu điểm vƣợt trội của dữ liệu này so với ảnh vệ tinh độ phân giải cao. Ngoài ra, ảnh MODIS cũng cung cấp những chỉ số quan trọng về hiện trạng lớp phủ rừng nhƣ các chỉ số sinh trƣởng thực vật, chỉ số diện tích lá, độ bốc hơi nƣớc bề mặt... Trong đó, các thông số về nhiệt độ bề mặt – LST (Land Surface Temperature) hay chỉ số khô hạn hoàn toàn có thể tính đƣợc từ ảnh vệ tinh MODIS phục vụ cho công tác cảnh báo hạn hán. Bên cạnh đó, trong các loại dữ liệu vệ tinh, ảnh MODIS đƣợc đánh giá là có thể cung cấp các thông tin về nhiệt độ cho độ chính xác cao nhất hiện nay. Vì những lý do trên, học viên chọn đề tài : “Nghiên cứu nhiệt độ bề mặt bằng tư liệu ảnh MODIS phục vụ cảnh báo hạn hán khu vực Tây Nguyên” cho luận văn tốt nghiệp thạc sỹ của mình. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài. Tính đƣợc nhiệt độ bề mặt và chỉ số khô hạn khu vực Tây Nguyên bằng tƣ liệu ảnh MODIS phục vụ quản lý tài nguyên, môi trƣờng và cảnh báo hạn hán. Để đạt đƣợc mục tiêu, đề tại thực hiện các nhiệm vụ và nội dung sau: 1) Tổng quan nghiên cứu tính toán nhiệt độ bề mặt đất, và chỉ số khô hạn nhiệt độ - thực vật từ dữ liệu ảnh MODIS; 2